1 бит на 12 атомах



    Читатели блога IBM знают, сколько сил и средств вкладывает компания в различные исследования и разработки, но далеко не всегда могут сразу же ответить на вопрос: «Что революционного сделал голубой гигант за последние Х лет?» Во-первых таких вещей очень много, они постоянно окружают нас в современной жизни, а потому и определить, что есть что, и откуда растут корни, далеко не всегда просто.

    Поэтому мы стремимся рассказывать читателям нашего блога о том, какие исследования проходят в IBM сегодня и к чему они приведут завтра. Гвоздь программы — публикация в уважаемом журнале Science, повествующая о том как специалистам IBM удалось найти способ упаковки 1 бит информации в структуру из 12 атомов, создав, таким образом, самый маленький в мире магнитный накопитель данных.

    image

    Это еще один прорыв, на окончательное осознание которого индустрии понадобится, скорее всего, не год, не два и даже не пять, а десятилетия, но он отлично иллюстрирует то, каков потенциал будущего развития способов хранения электронной информации.

    image

    До настоящего момента физики на самом деле не знали, насколько маленьким (в атомарном масштабе) может быть магнитный накопитель, прежде чем на него начнут влиять законы квантовой механики, не давая эффективно и надежно хранить данные долгое время. Соединив вместе 8 атомов, к примеру, невозможно получить стабильную магнитную структуру — так говорит Андреас Хайнрих, физик из IBM, ответственный за это важное открытие: «Вся система спонтанно „перепрыгивает“ из одного состояния в другое, что не дает основания говорить о каком-либо хранении данных. Она может изменять свое состояние тысячи раз в секунду».

    Другая проблема заключается в том, что сложно заставить соседствующие биты данных «не перебивать» друг-друга. Современные жесткие диски обладают структурой, известной как «ферромагнитная» — это значит, что большое количество атомов слеплены вместе и они должны обязательно обращаться в сторону одного и того же магнитного полюса, как стрелка компаса или магнитик на вашем холодильнике.

    image

    То, что создали в IBM, противоречит этому принципу, так как используется 12-атомная антиферромагнитная структура — это значит, что соседние атомы «смотрят» в разных направлениях. Это предотвращает смешение одних атомов с другими, что важно, когда для хранения одного бита используется одновременно 12 атомов: «В ферромагните все атомы дополняют друг-друга для того чтобы делать переключения больших кластеров данных, и переключение каждого кластера вызывает реакцию соседнего кластера. Поэтому вы не можете контролировать их независимо друг от друга» — говорит автор открытия. «Но в антиферромагните нет никаких больших переключений, поэтому можно разместить атомы очень близко друг к другу без вреда для хранящейся информации».

    В IBM использовался сканнирующий туннельный микроскоп (STM) — то что изобрели внутри компании около 30 лет назад, для того чтобы «видеть» атомы и, самое главное, передвигать их по структуре сетки.

    Собственно говоря, про саму «революционность» открытия — 12-атомные устройства хранения информации будут намного, и это не шутка, намного меньше сегодняшних жестких дисков. Друзья нашей компании в Hitachi подсчитали, что их жесткий диск использует в среднем около 800 000 атомов для хранения одного бита информации. Это касается дорогого и высококлассного оборудования, а в дисках, которые мы используем повсеместно, требуется около миллиона атомов для хранения 1 бита данных. Простым математическим действием мы получаем результат, в котором 8 Гб флешка использует примерно 69 квадриллионов атомов.

    Так что же удерживает индустрии от того, чтобы уже сейчас начать производить антиферромагнитные флеш-приводы и продавать во всех магазинах по всему миру? Несколько вещей. Во-первых рабочая температура: 1 градус по Кельвину (около -270 градусов по Цельсию). Исследователи считают, что при комнатной температуре понадобится около 150 атомов для хранения одного бита информации, что не так уж и плохо на фоне имеющейся архитектуры, но все же в 10 раз превышает достижимый минимум.

    Впрочем, есть и более серьезная и реальная проблема: никто и никогда не пытался построить что-то настолько миниатюрное для массового рынка, за пределами лаборатории. И, естественно, это невозможно сделать «за недорого»: «Многие люди работают над решением этой проблемы, но пока никто не добился успеха».



    Есть еще одна вещь, сильно влияющая на то, как ведут себя лидирующие мировые компании — Закон Мура. Этот долгоиграющий феномен, по которому количество транзисторов на схемах должно удваиваться в среднем каждые два года, последние несколько лет находится в опале, так как производители чипов скоро упрутся в физический потолок техпроцесса и для того, чтобы прогресс и дальше оставался стабильным, требуются абсолютно и принципиально новые архитектуры и атомарные структуры. Долгосрочная цель IBM в этом свете проста — создать память которую можно купить, и которая в 417 раз плотнее чем традиционная DRAM и примерно в 10000 раз плотнее SRAM. Это значит что в компьютерах завтрашнего дня может быть несколько терабайт оперативной памяти или кеша процессора.

    Сам Андреас Хайнрих говорит, что когда он впервые увидел структуру из 12 атомов держущих заряд достаточный период времени для того чтобы назвать всю систему стабильной, он был потрясен — четыре часа подряд он сидел в своей лаборатории, переключая состояние атомов туда и обратно: «Фактически, мне просто снесло крышу. Такое возможно один раз в истории, даже для человека который постоянно имеет дело с подобными вещами каждый день, когда нечто подобное становится действительно реальным и доступным, нам всем сносит крышу».
    IBM
    127,19
    Компания
    Поделиться публикацией

    Комментарии 31

    • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
        0
        Обратного и не утверждается, но до настоящего времени микропроцессоры развиваются согласно предсказанию Мура.
        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
            +1
            Неверно? Разве динамика изменилась?
              0
              Честно говоря между «будет удваиваться» (удваивается) и «должно удваиваться» есть достаточно большая разница. И хотя закон все еще действует, закон не всегда действовал строго. Были периоды, когда рост замедлялся, были — когда ускорялся.

              В английской версии вики есть отсылка на прогнозы, что после 2013 года произойдет замедление темпа роста.
              • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
        0
        Уже писал в комментариях к другой статье (http://habrahabr.ru/blogs/hardware/136414/#comment_4538065)
        При увеличении плотности (кол-ва бит на квадратный дюйм) неизбежно уменьшается время жизни данных
        image

        Описанное в статье, несомненно, прорыв, только до применения пройдёт минимум года два исследований, а устройства, которые выйдут на рынок, будут с менее запредельными параметрами и будут по характеристикам существенно ближе к нынешним, чем к теоретическим и лабораторным.
          +1
          Автора изобретения намного пессимистичнее, говорят о 20 годах, если получится. Хочу напомнить, что пока они сделали один бит из 12 атомов, даже не один байт.
            0
            Я дал минимальную оценку, то есть раньше чего не стоит даже думать об этом.
            А почему такая маленькая оценка? За последнее время период перехода от лабораторных экспериментов к промышленному производству с десятилетий до годов/месяцев и постепенно сокращается. Плюс ко всему кто-то обещал где-то в период 2012-2020 революционный скачек технологий (технологическая сингулярность)
              +2
              Я разговаривал с одним из авторов, он не надеется, что и через 20 лет произойдет промышленное внедрение этого устройства. Патент-то уже есть, но технологические проблемы там абсолютно другого масштаба, чем текущие. Даже охлаждение до 1 Кельвина — простая задача по сравнению с подавлением вибраций. Все известные мне лабы с СТМ находятся в специальных зданиях.
                +1
                Лично я не могу представить как будут развиваться технологии даже через 10 лет, не то что через 20.
                Ждём 20 лет и смотрим что будет ^_^
                  0
                  Вы не поверите, но в полупроводниковой индустрии (это там, где экспоненциальный рост и все такое) в 2001 году отлично представляли себе, что нужно сделать к 2011 году и какие будут сложности
                  Вот ITRS 2001 по милому моему сердцу front-end процессу.
                  Практически все в индустрии за последние 10 лет происходило по этому плану.
                  Так что люди, которые занимаются технологией себе все довольно ясно представляют.
          0
          «только до применения пройдёт минимум года два исследований, а устройства, которые выйдут на рынок, будут с менее запредельными параметрами и будут по характеристикам существенно ближе к нынешним» — вы описали экспоненциальный график развития существующих технологий.
          И тем забавнее приставка «только».
          30 лет такого «только» и технологическая сингулярность постучится в ваш дом под прикрытием миксера с бутербродницей.
            0
            Она уже должна была постучаться, согласно многим прогнозам, вчера или позавчера, однако этого не произошло. Если что-то и случится через 30 лет — мы будем только рады.
            0
            В статье не раскрыта серьёзная и важная проблема, а именно неустойчивость сканнирующего туннельного микроскопа к вибрации. Один из авторов эксперимента строит специальную лабораторию под такой микроскоп — отдельное здание, имеет специальный фундамент, с дополнительными тоннами бетона, для виброустойчивости.
              0
              Осталось начать массовое производство СТМ. :)
                +1
                > Hitachi подсчитали, что их жесткий диск использует в среднем около 800 000 атомов для хранения одного бита информации… простым математическим действием мы получаем результат, в котором 8 Гб флешка использует примерно 69 квадриллионов атомов.

                zomg, если Вы пишете о памяти, то хотя бы потрудитесь разузнать, как физически бит на жестком диске отличается от flash cell transistor, например, floating gate…
                  0
                  Это влияет на количество атомов хранящих единицу информации?
                    0
                    Да, поскольку у HDD и у флешки различные принципы хранения информации, то, соответственно, и количество атомов, занятых хранением одного бита информации, будет существенно различаться.
                      +2
                      Но ±70 квадриллионов атомов на 8 Гб флешке — это верная информация и взята из научной статьи на Science, а первое значение предоставлено компанией Hitachi. Я неверно поставил их в зависимость друг от друга.
                        +1
                        Да, именно. Претензии были к взаимосвязи фактов, а не к самим цифрам.
                          0
                          Прошу прощения — это не повторится в будущем.
                      0
                      Еще как!

                      Если не считать структуру и управляющие элементы, то в современной flash информация хранится в виде зарядов в поликремнии (или на дефектах), так вот в одной ячейке этих разрядов немного, менее 100.
                      А вся активная область состоит из примерно 500.000 атомов. И, кстати, в такой ячейке хранится 3 бита информации. При комнатной температуре. Если считать с контактами и control gate, то, конечно, больше, но ведь IBM тоже забыли посчитать атомы иглы СТМ, с помощью которой они снимают данные.

                      Если же считать для памяти, которая появится на рынке в ближайшие годы и уже работает в лаборатории (в ней заряды будут храниться на дефектах, числом менее 20), а весь размер активной зоны будет около 50000 атомных размеров.
                      Но, если говорить об «атомах хранящих бит» — то их будет около 10. И это при комнатной температуре.

                      Так что сравнивать магнитную память и flash по «количеству атомов, хранящих бит» это примерно как мягкое с холодным.
                        0
                        Атомы иглы СТМ не хранят информацию, поэтому для одного бита информации необходимы как раз 12 атомов железа. Насколько я понял, IBM не собирается делать память на этом эффект. Пока. Интересно было найти границу возможного.
                          0
                          Тогда в современной флеш памяти (которая еще не в серии, но прекрасно работает в лаборатории при комнатной температуре) «атомов хранящих бит» — примерно 20-30. (все остальное — это для считывания).
                          Учитывая, что на основе такой ячейки можно сделать 3-х битный MLC, получается примерно 6-10 атомов на бит.

                          Так что никакого «прорыва» особо нет. Просто в IBM, похоже полюбили простенький PR на играх с STM с тех самых пор.
                          image
                            0
                            А ссылочкой не поделитесь на эту лабораторную флеш-память? Уж что-то очень мало атомов надо.

                            Прорыв всё-таки есть — используют не ферромагнит, а антиферромагнит. Это означает, что не нужен заботится о stray field, которое как раз и является проблемой для современных хардов.
                              0
                              en.wikipedia.org/wiki/SONOS

                              Правда статья сильно устаревшая. Ссылку на реальные документы дать не могу — их в открытом доступе просто нет, но принцип тот же.

                              Те ловушки, которые имеются в виду — маленькие (например, просто хитрой формы вакансия). Заряды хранятся именно на ловушках, так что если считать только их, то получается совсем мало…
                                0
                                Спасибо за ссылку, очень интересно! Если я правильно понимаю, то бит в данной конфигурации — это заряд на нитриде кремния, которого 50 ангстрем, что будет минимум десятки атомов только по высоте. Думаю, нечестно считать только вакансии, у IBM реально было только 12 атомов.

                                Статьи в журналах есть про свежие наработки? Платные тоже ОК.
                                  0
                                  Нитрид-то толстый (хотя, конечно, его толщина может быть и сильно меньше), но: нитрид — диэлектрик. В нем нет свободных зарядов вообще.
                                  Они сидят на ловушках, которые суть точеные дефекты. И которых мало.
                                  Так что если считать пресловутые «атомы, хранящие заряд», то их до сотни.

                                  Не думаю, что что-то серьезное публикуют. Безопасность и все такое
                                  Вот презентация довольно свежая, но по старому материалу.

                                  www.ieee-jp.org/japancouncil/chapter/ED-15/2010/DL-talk_TIT_Oct_2010.pdf

                                  Рекомендую посмотреть на страницу 7 — the next big thing: располагать 16 ячеек (вертикально) на той же площади, где (при хорошей литографии) можно воткнуть 3-4
                                    0
                                    PS
                                    А у IBM атомы в вакууме висят? и сигнал на глаз снимается? :)
                    0
                    По тексту 800 000 против 12 = 66 тысяч раз. На картинке почему-то всего 100 раз.

                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                    Самое читаемое