存储百倍提升 IBM称机械硬盘终结者非SSD

想必大家都听过固态硬盘，优良的启动、读写速率、无噪音以及不怕冲撞的特性，使其大有取代传统机械硬盘之势。不过在IBM看来，机械硬盘的终结者并不是固态硬盘SSD，而是Racetrack赛道存储。Racetrack赛道存储在容量上较机械硬盘有百倍提升，而且速率较大提升，而相比SSD来说，Racetrack赛道存储在成本、功耗以及使用寿命上有着优势。因此更有可能成为硬盘终结者，并且推测在2018年也就是6年内淘汰机械硬盘。

Racetrack赛道存储

不止IBM，苹果等其他企业或是研究机构也涉足这一技术，Stuart Parkin在提到Racetrack赛道存储技术时表示，我们认为Racetrack存储技术是一种很有可能将传统机械硬盘淘汰的技术。Parkin在 IBM主要复杂提高存储密度的研究，在2008年正式公布Racetrack存储技术，Racetrack存储技术是基于一种叫电子自选的物理现象，通过寻找到找合适的材料来控制电子自选的方向来存放数据信息。

利用自旋存储信息

在今年7月份一个会议上。IBM Almaden Research Center(阿尔马登研究中心)主管近日表示，在悉尼召开的有关电子自旋的讨论将会帮助IBM提高和改进Racetrack存储技术。

虽然原理上听起来很简单，但是设计和制造控制电子自旋的材料却是十分复杂的问题。

IBM Almaden Research Center

澳大利亚研究中心的教授Simon Ringer表示，最大的问题在于怎样设计一个系统来让我们改变和读取电子自旋方向。

现在通过不同的方法来控制自旋方向的研究称为“Spintronics”，Ringer教授表示这是一个包含多学科的领域，从材料科学、材料工程，电磁物理等等。

Spintronics

目前一般的做法是利用磁场来改变中的电子自旋方向，但是电子在磁场中会出现其他的一些问题。而利用不同的材料来从当缓冲层减弱其他因素的影响能够提高通过磁场控制自旋方向的效果。

Racetrack存储技术研究历程

Racetrack存储是IBM实验室研究的一项新型存储技术，该技术结合了硬盘和闪存的特点，不仅存储容量大而且存储的速度也非常快。与此同时，存储的成本也比闪存中固态硬盘要低，功耗也有较大的改观。按照IBM研究人员的说法，运用该技术，可以将目前手机、笔记本、服务器的存储容量提升最多100倍，而且能耗远低于现有技术。

早在2004年，当时IBM Almaden Research Center(阿尔马登研究中心)的研究人员Stuart Parkin提出，他所领导的开发团队，已确定在电流影响下，当存储位移动时，不会覆盖先前存储的信息。2008年4月，IBM的研究人员表示正在研究一种更小更轻且没有运动部件的存储产品，该产品将采用名叫Racetrack的新型存储技术。Racetrack存储技术正是基于04年的那项电流控制存储位移动的发现。

IBM对外宣称，传统硬盘易发热，有噪音，怕震动，这些缺点使其不符合新时期存储的要求，IBM将争取在10年内把自己发明的传统硬盘淘汰。固态硬盘虽有取代硬盘的趋势，但由于成本太过昂贵，最终占领市场的可能性不大。相比之下，更为低廉且能耗较低的Racetrack更有可能取代硬盘。

在那年4月11日发行的《科学》杂志上，IBM在两篇文章中公布了Racetrack存储技术的原理以及基于此技术的新型存储产品的构想。文中指出Racetrack存储技术将使得在同样的空间内存储容量提升100倍，并且耗能也要比当前技术少。

Racetrack技术要点图

赛道存储技术，采用了新的数据存储模式，传统存储技术都是让计算机寻找所需数据，计算机被告知地址后寻找地址。而Racetrack存储技术则是让数据自动移动到需要使用的地方。传统的硬盘通过改变原子周围磁矩的方向来实现数据的读写，而在Racetrack存储技术中，数据的读写则是通过电流控制一个叫磁畴壁(magnetic domain walls)的电子集合在非常细的磁线上移动来实现。Parkin解释说，就好像我们制作了一种磁性的波，但是却没有移动原子本身。

在2010年12月下旬，IBM研究中心公布了“Racetrack”存储储技术的一项重要进展，研究人员第一次测量了磁畴壁在电流脉冲刺激下的加速和减速时间与距离。由于磁畴壁在电流下的移动规律是Racetrack技术的关键，此项进展能让科学家们更好地理解、控制磁畴壁移动，也推动了Racetrack技术的深入发展，为 Racetrack技术的产品化打下坚实的基础。在12月24日发行的《科学》杂志上，IBM研究人员这样写道：磁畴壁有质量，加速和减速都需要时间。

理论性的问题基本解决了，Racetrack技术实现的道路上剩下的阻碍就更多的是技术上的问题，例如如何在Racetrack(赛道)上制作读、写的磁头，以及如何制作汇集上百万甚至上亿万赛道的Racetrack集成芯片。据国外最新的报道称，按照目前的研发进程，Racetrack存储的原型产品最早有望于2年内问世。

Racetrack存储技术原理

作为新型的存储技术，Racetrack采用了新的存储数据方式。我们知道，在计算机中，数据都是以0和1的形式存储的。在传统硬盘中，代表这些的0和1的是原子磁矩方向。在Racetrack存储技术中，代表这些0和1的是一系列的Magnetic Domain-Wall(磁畴壁)的电子自旋方向，磁畴壁是一群自旋方向相同的电子的集合。如下图所示，图中共有4个磁畴壁，其中上面的两个和下面左边一个的电子自旋方向相同，而最后一个磁畴壁的电子自旋方向则相反。

Magnetic Domain-Wall(磁畴壁)

磁畴壁是分布在磁纳米线上的，这种此纳米线的只有人的头发的千分之一的粗细。通过电流控制磁畴壁在纳米线上的移动来实现数据的读取，这就像是赛车在赛道上行驶一样，Racetrack技术名称的由来这是这个原因。在每一条赛道上都有一个读磁头和写磁头。通过电流控制所需的磁畴壁移动到这些读写磁头的位置，实现数据处理。这种让数据移动到所需的位置的方式，不仅改变了传统的让计算机寻找数据的存储模式，更重要的是使得Racetrack存储没有运动部件，避免了器件的损坏。

单个Racetrack

电流控制磁畴壁移动的机制在IBM于2004年《科学》杂志发表的两篇论文之一的《Current-Controlled Magnetic Domain-Wall Nanowire Shift Register(电流控制的磁畴壁纳米线移位寄存器)》有详尽描述。

利用自旋极化电流与磁畴壁中电子磁矩之间的交互作用，在磁畴壁中产生一种自旋转移矩(spin transfer torque)，从而令其移动。此项技术能以较小的功耗做到数据的高速读取，更增加了Racetrack存储取代当今硬盘的砝码。

磁畴壁的移动

在IBM于 08年发表在《科学》杂志上的另外一篇文章《Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory(磁畴壁赛道存储)》中，Parkin博士及其同事描绘了Racetrack Memory(赛道存储)的模型。将赛道垂直或水平排列在硅圆表面，形成赛道存储列阵。每个赛道存储集合芯片上有上百万甚至上亿万的的单个赛道。

Racetrack Memory

Racetrack存储优势及展望

Racetrack技术这一IBM已研究达8年之久的新技术，Racetrack Memory是旨在取代IBM发明的硬盘的新一代存储。相比如今的主流存储，在多方面都有着不可比拟的优势。容量大、速度快再加之成本、低功耗小，使得 IBM坚信Racetrack存储能取代硬盘，并在08年宣称这项存储的更新在10年内完成。

传统硬盘虽然成本低，但是由于都是机械部件，导致速度缓慢，并且易发热且怕震动。而固态硬盘虽然速度快，可是其成本却大大限制其的进一步的推广和发展。而且其擦写次数的限制更是其的另一处短板，所以IBM才致力于新存储技术的研究，以取代当前缺点越来越突出的硬盘。

Racetrack存储能在相同的空间内存储量是当前技术的100倍，读取速度也有增无减：“能在不到一纳秒内访问海量数据”，与此同时成本也比固态硬盘要低得多，能耗也有较大改观，基于这些，Racetrack存储值得我们期待，但是它是否真的如提到的那样，还需真正的产品出来才能见分晓。

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