今天世界與十年前截然不同，這要歸功於我們能夠輕鬆訪問海量資訊。我們認為理所當然的工具——社交網路、網際網路搜尋引擎、具有點對點方向的線上地圖以及歌曲、電影、書籍和照片的線上圖書館——在幾年前還無法使用。資訊時代的到來歸功於高速通訊、資料處理以及——也許是最重要但最不被欣賞的——數字資料儲存方面非凡技術的快速發展。
然而，每種型別的資料儲存都有其致命弱點，這就是為什麼計算機使用多種型別用於不同目的的原因。當今大多數數字資料，例如構成網際網路的資訊，都駐留在大量的磁性硬碟驅動器 (HDD) 以及個人計算機的 HDD 中。然而，這些驅動器及其旋轉磁碟和移動讀/寫頭既不可靠又速度慢。由於所謂的磁頭碰撞而導致的資料丟失相對頻繁地發生。關於速度，讀取某些請求資料的第一個位可能需要長達 10 毫秒。在計算機中，10 毫秒是漫長的時間——現代處理器在那段時間內可以執行 2000 萬次操作。
這就是為什麼計算機使用第二種型別的儲存，即固態儲存器，用於其計算操作。固態儲存器以極快的速度讀取和寫入資料，從而實現快速處理。高效能版本，例如靜態和動態隨機存取儲存器（分別為 SRAM 和 DRAM），使用電晶體和電容器的電子狀態來儲存資料位。然而，當計算機斷電或崩潰時，這些晶片會丟失其資料。
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少數計算機使用非易失性晶片（在斷電時保留資料）作為固態驅動器來代替 HDD。現在無處不在的智慧手機和其他手持裝置也使用非易失性儲存器，但成本和效能之間存在權衡。最便宜的非易失性儲存器是一種稱為快閃記憶體的儲存器，除其他用途外，它是有些人掛在鑰匙圈上的小型快閃記憶體驅動器的基礎。然而，與其他儲存晶片相比，快閃記憶體速度慢且不可靠。每次高壓脈衝（名稱中的“閃光”）寫入儲存單元時，單元都會損壞；可能僅在 10,000 次寫入操作後就變得無法使用。然而，由於其低成本，快閃記憶體已成為一種主要的儲存技術，特別是對於資料不會經常更改的應用。
因此，計算世界正在呼喚一種具有高資料密度、同時又廉價、快速、可靠且非易失性的儲存晶片。有了這樣的儲存器，計算裝置將變得更加簡單、更小、更可靠、更快且更節能。世界各地的研究小組正在研究幾種方法來滿足這一需求，包括基於稱為憶阻器的新型電子元件的系統 [參見數字版（此處連結）] 和其他利用自旋電子學的系統，其中電子的自旋或磁性起著關鍵作用 [參見“自旋電子學”，作者：David D. Awschalom、Michael E. Flatté 和 Nitin Samarth；《大眾科學》，2002 年 6 月]。
答案可能在於一種新型的自旋電子晶片，稱為跑道儲存器 (RM)，這是我在 2002 年提出的。RM 將資料位儲存為奈米線（“跑道”）上的磁化區域。這些磁化區域與 HDD 上的磁化區域一樣是非易失性和可重寫的，但該晶片不需要大於電子的移動部件來讀取和寫入位，從而提高了速度和可靠性。位本身沿著它們的跑道快速移動，經過位於導線旁邊的固定位置的讀/寫頭。
此外，這些導線可以構建為垂直柱，像矽晶片上的森林一樣升起。這種設計打破了二維資料儲存（例如 HDD 和目前銷售的所有儲存晶片）固有的限制，從而實現了非常大的資料密度。我相信三維跑道儲存器將是保持資訊儲存技術沿著快車道加速前進，進入尚未想象的資料密集型應用的未來的正確載體。
磁碟驅動器的缺點
自 1950 年代問世以來，HDD 的基本結構一直沒有改變，儘管各個元件的技術發生了巨大變化，特別是縮小了許多數量級。 HDD 將資料儲存為高度拋光玻璃盤表面上的超薄磁性材料塗層中微小區域的磁化方向。磁碟在移動臂上的記錄頭下高速旋轉（目前銷售的計算機中通常為每分鐘 7,200 轉），該記錄頭讀取和寫入磁位。
在早期幾十年，HDD 是冰箱大小的裝置，每個儲存位的成本非常高。磁碟技術的品質因數是其面密度：每單位磁表面可靠儲存的資料位數。起初，磁碟碟片的面密度每年僅提高約 25%，但從 1980 年代後期開始，HDD 迅速轉變為更緊湊和更大容量的機器。
這種演變的一個重要里程碑是開發了利用自旋電子學或我喜歡稱之為自旋工程材料的讀取頭。我在 1988 年至 1991 年期間對由多個磁性奈米層構成的材料的基本特性的研究導致了自旋閥磁阻感測器的開發。該感測器透過其電阻的變化來檢測微小的磁場，並且在其發明時，它是環境溫度下此類場的最靈敏探測器。
自旋閥感測器在 HDD 讀寫頭中的首次使用是在 1997 年 IBM 的 Deskstar 16GP “Titan” 中。在五年內，HDD 儲存容量增加了 1000 倍，這是 HDD 半個世紀歷史中最快的進步。今天，一個月內製造的所有 HDD 的總儲存容量超過 200 EB，即 2 X 1020 位元組——足以儲存世界上所有現存的模擬資料，即紙張、膠片和錄影帶上的所有資料。
自旋閥感測器是第一個自旋電子奈米器件，瞭解一些自旋電子學對於理解 RM 的工作原理至關重要。自旋是電子的基本量子屬性。想象一下，每個電子都是一個微小的旋轉帶電球，其磁場沿著自旋軸指向。環境磁場中電子的自旋軸與磁場平行或反平行排列。據說相對於區域性磁場，它具有“自旋向上”或“自旋向下”。
當電子穿過磁化金屬時，自旋向上電子更容易移動，從而產生自旋極化電流或自旋電流——其中大多數移動電子都攜帶特定的自旋。相比之下，普通電流（例如沿著銅線傳播的電流）涉及自旋在所有方向上隨機指向的電子。坡莫合金是一種強磁性鎳鐵合金，可以在電流中產生高達 90% 的自旋極化。
自旋閥感測器由奈米三明治構成，即兩層磁性層之間的非磁性金屬層。第一層磁性層在特定方向上自旋極化電流。第二層磁性層來回改變其磁性，以匹配來自每個經過的磁疇的磁場，這些磁疇代表磁碟上的 0 或 1。當感測器的兩層磁性層平行時，自旋極化電流相對容易地流過。當各層反平行時，極化電子受到阻礙。器件電阻的變化被稱為巨磁阻，這種現象是巴黎第十一大學的 Albert Fert 小組和德國於利希研究中心的 Peter Grünberg 小組於 1988 年獨立發現的。巨磁阻使讀寫頭能夠檢測到弱得多的磁場，這反過來又使得磁碟上的磁疇可以更小、更緊密地排列。
然而，自旋閥感測器的時代持續了不超過十年。一種更新的自旋電子技術，稱為磁隧道結，已經取代了當今製造的 HDD 中的自旋閥感測器。磁隧道結利用稱為隧道磁阻效應來實現比自旋閥器件更高的對小磁場的靈敏度 [參見 “磁場奈米感測器”，作者：Stuart A. Solin；《大眾科學》，2004 年 7 月]。
儘管自旋電子讀寫頭已經使 HDD 的儲存容量大幅增加，並將資料儲存成本降至每千兆位元組約 10 美分，但 HDD 的旋轉磁碟和移動讀寫頭的基本機械特性仍然存在，導致兩個主要缺陷。首先，當記錄頭意外撞擊磁性層時，會發生磁頭碰撞，從而損壞磁性層，並可能導致 HDD 中所有資料丟失。其次，以 7,200 rpm 的速度旋轉玻璃盤需要大量能量，即使以這樣的速度，將磁碟旋轉到感興趣的資料所需的時間也比從易失性儲存器訪問資料的時間長數百萬倍。因此，對於許多非常普通的應用，例如記錄銀行賬戶的交易，HDD 的效率非常低——每筆交易可能只涉及少量資料，但旋轉磁碟並將寫入頭移動到正確位置需要時間，並且必須製作備份副本以防磁頭碰撞。
儲存器的永續性
近年來，研究人員投入了大量時間和精力來開發可能結合 HDD 和矽晶片的優點，同時避免所有缺點的非易失性儲存器型別。例如，在 1995 年，我和我在 IBM 的同事提議構建一種基於磁隧道結的自旋電子儲存器。資料儲存在磁隧道結的磁態中，並且可以使用器件的隧道磁阻來讀取資料。這些磁性隨機存取儲存器或 MRAM 於 2006 年由摩托羅拉的衍生公司飛思卡爾半導體開始銷售。
許多其他提出的儲存裝置都涉及電阻因某種原因而發生變化的元件。然而，所有這些裝置都需要一個與每個電阻儲存元件串聯連線的電晶體，以訪問每個選定的位。電晶體尺寸在很大程度上決定了儲存器的成本。儘管取得了巨大的進步，但最便宜的固態儲存器快閃記憶體仍然比 HDD 每個位的價格貴 20 到 100 倍。
HDD 和各種型別的固態儲存器在成本和效能方面的權衡意味著構建使用多種不同技術來儲存數字資料的計算機是有意義的。因此，易失性 RAM 儲存程式正在使用的活動資料，而 HDD 用作不適合 RAM 的多餘資料的臨時儲存，以及計算機關閉或崩潰時的檔案和程式的長期儲存。非易失性和只讀儲存器也用於特殊目的。
這種技術的組合使計算機和相關裝置比它們需要的更復雜和笨重，並且也更加耗能。一種具有 HDD 的非易失性和低成本，以及傳統固態儲存器的快速讀取和寫入以及高可靠性的儲存裝置將是一項改變遊戲規則的技術。我的 RM 設計可以成為這種裝置。
每個跑道都由一根由磁性材料（如坡莫合金）製成的奈米線組成。跑道將位儲存為沿其長度方向排列的一系列磁化疇。磁疇可以沿導線的一個方向指向以表示 0，而沿另一個方向指向以表示 1。與 HDD 一樣，當電源關閉時，這些磁疇保持其狀態。
然而，與 HDD 不同，磁介質永遠不必移動。相反，位本身沿著它們的跑道來回移動，沿途經過奈米級的讀寫頭。因此，每個跑道中的數百個位只需要幾個電晶體，而不是像傳統固態儲存器設計中那樣每個位都需要一個電晶體。
這種透過介質移動磁資料而不是移動介質本身的想法在某些方面是一個古老的想法。磁泡儲存器在 1970 年代盛行一時，也涉及小磁疇（“磁泡”）的運動，但磁碟驅動器和固態儲存器透過不斷縮小尺寸和提高速度而超越了它。磁泡由複雜的磁場系統移動。 RM 使用更簡單的自旋電子動力。
移動磁疇的關鍵是磁疇壁，它存在於兩個磁化方向不同的磁疇相遇的任何地方。在 RM 奈米線中，磁疇壁存在於任何 0 旁邊是 1 的地方。移動磁疇壁的常用方法是施加磁場。每個磁疇中的磁化實際上是由於磁疇中的原子具有對齊的各自磁性而產生的。在與其中一個磁疇對齊的足夠強的外部場中，磁疇壁處的反平行原子傾向於翻轉以與施加的場對齊——因此壁的位置會發生移動。不幸的是，此過程不會沿著奈米線移動資料位。考慮一個位於一對 1 之間的 0，施加的磁場指向 1 方向。兩個磁疇壁將移動以增加 1 磁疇的大小，最終完全消除 0。
沿著跑道均勻移動磁疇壁的自旋電子技巧就像沿著奈米線傳送電流一樣簡單。再次考慮 1-0-1 磁疇排列。流過第一個 1 磁疇的電子將透過其自身的磁性在 1 方向上對齊進行自旋極化。當每個電子穿過 1-0 磁疇壁時，其磁性將傾向於翻轉到 0 方向。但電子的磁性與其自旋有關，自旋是角動量的一個量。與能量和普通動量一樣，角動量是一個守恆量。為了使電子從 1 翻轉到 0，必須有其他東西從 0 翻轉到 1，而其他東西就是磁疇壁 0 側的原子。當自旋極化電子流過磁疇壁時，它們會一次一個原子地沿著奈米線移動磁疇壁。
現在考慮當這些相同的電子之一到達 0-1 磁疇並穿過它時會發生什麼。同樣的推理表明，它從 0 翻轉回 1，這會將原子從 1 翻轉到 0，再次將磁疇壁沿著導線在電子流動的方向上移動少量。由於其兩個磁疇壁沿著導線同步移動，因此 0 位本身在不擴充套件或收縮的情況下移動。到目前為止，我的小組已在實驗室中證明，納秒級的自旋極化電流脈衝確實會導致多達六個磁疇壁沿著磁性奈米線同步移動。磁疇壁可以在一納秒內移動 150 奈米，從而實現納秒級的訪問時間，比 HDD 快數百萬倍，並且與易失性儲存器相當。
然而，磁疇壁很容易漂移出位置，這可能是由小的雜散電流或磁場推動，或者是因為控制脈衝的幅度和持續時間不完全正確。可以透過在跑道側面構建小凹口來避免這種危險，凹口的間距與位的預期大小相同。磁疇壁傾向於固定在這些凹口處，因為當位於凹口處時，它們將具有最小的面積，從而具有最小的能量。微小的雜散電流不足以將磁疇壁從凹口移開，而略有缺陷的控制脈衝仍然可以將磁疇壁從一個凹口移動到下一個凹口，不多也不少。
可能會發生幾種不同型別的磁疇壁。所謂的橫向壁相對簡單，很像您可能根據我的上述描述想象的那種壁。相比之下，渦旋壁具有複雜的、漩渦狀的磁化模式，包括其中心的一個小“核”。較小的電流足以移動渦旋壁，因為移動核會拉動整個壁。如果 0 和 1 磁疇垂直於跑道而不是沿著跑道磁化，則只會發生一種相對簡單的磁疇壁。原則上，這種磁化方式應該具有優勢，因為跑道可以更窄，並且磁疇壁應該需要更少的電流才能移動。
透過將跑道排列成垂直柱森林，在矽晶片表面上方升起，儲存器變為三維，與水平設計相比，大大提高了資料儲存的密度。相比之下，HDD 和基於矽的微電子儲存器（和邏輯）器件本質上都是二維的，許多分析師預測，它們向更小尺寸演進的速度將在短短十年內遇到基本物理問題。
我的小組構建了一些垂直跑道，但我們尚未在同一晶片上整合用於寫入或讀取磁疇壁的器件。以商業上可行的成本在矽晶片上構建穩健的垂直跑道可能是一個巨大的挑戰。我的小組的大部分實驗都是在水平放置在矽表面上的奈米線上進行的。這種 RM 模式的儲存容量僅與快閃記憶體相當，但具有顯著的優勢：儲存器將比快閃記憶體快得多，使用的能量更少，並且不會磨損。我們目前正在開發一個原型，該原型將利用我們沿每個跑道移動六個磁疇壁的能力。
RM 面臨著來自正在開發的儲存級儲存器的激烈競爭，這些儲存器使用比跑道儲存器更傳統的方法。研究小組正在競相將他們選擇的方法轉變為具有商業可行性的卓越產品。請繼續關注，看看哪種技術將在您附近的商店中衝過終點線。
新興儲存器
研究人員正在研究幾種新興技術，以追求儲存級儲存器，其設計比跑道儲存器更傳統——將位水平陣列放置在矽晶片上。要實現與垂直 RM 或硬碟驅動器相當的容量，將需要堆疊這些陣列。
電阻式隨機存取儲存器 (RRAM) 使用可以在兩種或多種不同的電阻狀態之間切換的材料。許多公司正在研究透過電壓脈衝切換的金屬氧化物奈米層。研究人員普遍認為，脈衝的電場會在絕緣氧化物中產生導電細絲。惠普實驗室計劃今年釋出基於“憶阻器”的原型晶片，其中遷移的氧原子會改變電阻。
相變 RAM (PRAM) 的儲存元件由硫屬化物玻璃製成，硫屬化物玻璃與可重寫 CD 和 DVD 中使用的材料屬於同一類。玻璃具有低電阻的晶態和高電阻的非晶態。電流脈衝透過加熱硫屬化物，然後使其快速或緩慢冷卻來設定狀態。 2006 年，BAE 系統公司推出了一款 512 KB PRAM，該 PRAM 經過輻射加固，適用於太空應用。英特爾公司和意法半導體的衍生公司 Numonyx 於 2008 年底開始商業銷售其 16 MB “Alverstone” 晶片。
自旋扭矩轉移 RAM (STT-RAM) 是一種新型磁性 RAM (MRAM)。 MRAM 將資料儲存為每個位的磁化方向。奈米級磁場在傳統 MRAM 中設定位，但 STT-RAM 使用自旋極化電流，從而實現更小、更節能的位。開發 STT-RAM 的公司包括 EverSpin、Grandis、Hynix、IBM、三星、TDK 和東芝。
注意：本文最初以標題“跑道儲存器快車道中的資料”發表。