Бит из 12 атомов - очередной триумф закона Мура

Полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа изображение 12 атомов железа, собранных на атомном уровне в антиферромагнетик. Иллюстрация: IBM Research

Совершенный прорыв позволит производителям оборудования наладить выпуск продуктов, емкость которых на несколько порядков будет превосходить емкость сегодняшних жестких дисков и флэш-накопителей.

«Даже при весьма консервативном подходе производителей вместо 1 Тбайт вы сможете хранить на устройстве 100-150 Тбайт, – заметил ведущий исследователь проекта Андреас Хайнрих. – У пользователей появится возможность поместить на одном устройстве не только все свои песни, но и все имеющееся у них видео».

Современные устройства хранения используют ферромагнитные материалы с магнитными моментами атомов, ориентированными в одном направлении.

Исследователи из IBM использовали необычную форму магнетизма – антиферромагнетизм, при котором спины атомов имеют разные направления. Это позволило ученым создать на атомном уровне экспериментальную память, которая обладает по крайней мере в 100 раз более высокой плотностью по сравнению с существующими накопителями на жестких дисках и твердотельными дисками.

Теоретически технология может быть применима и к ленточным накопителям.

В основе исследований лежат очень сложные методы, но результаты оказались довольно просты. Они подчиняются старому правилу, согласно которому «противоположности притягиваются».

Вместо сегодняшних методов, в соответствии с которыми атомы железа должны иметь одинаковую поляризацию, приводящую к увеличению расстояния между ними, исследователи IBM создали атомы с противоположной намагниченностью, обеспечивающей дополнительное притяжение атомов друг к другу.

«Закон Мура, по сути, является двигателем отрасли, – заявил Хайнрих. – Плотность размещения компонентов постоянно увеличивается. Разработчикам приходится решать новые инженерные задачи, но главные концепции остаются неизменными. Основные принципы хранения магнитных данных и работы транзисторов не менялись на протяжении последних 20 лет. Закон Мура перестанет действовать, когда размер элемента уменьшится до одного атома. К этому мы и идем».

Начав с одного атома железа, исследователи при помощи сканирующего туннельного микроскопа стали менять магнитную информацию соседних атомов. В конечном итоге им удалось добиться устойчивого хранения одного бита магнитной информации в 12 атомах. После этого наконечник сканирующего туннельного микроскопа был использован для переключения значений в битах с нуля на единицу и обратно. Таким образом, у исследователей появилась возможность хранения закодированных нужным образом данных.

Исследователи из IBM проводили эксперименты с атомами железа, размещенными на подложке из нитрата меди. При использовании других материалов для хранения 1 бит данных теоретически может понадобиться еще меньше атомов.

Впоследствии 86 атомов были объединены в 1 байт, с помощью которого можно закодировать букву или цифру. Первым словом, сложенным при помощи новой технологии, стало слово T-H-I-N-K. Для этого потребовалось 5 байт информации или 400 намагниченных атомов.

«При хранении магнитных данных на атомном уровне они занимают меньше места, чем один обычный бит», – подчеркнул Хайнрих.

Совершенный учеными прорыв имеет скорее теоретическое, чем практическое значение. Производители средств хранения пока не собираются выпускать устройства, которые будут менять значения битов данных с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Но зато исследования показали, что среда хранения может иметь гораздо более высокую плотность, чем сейчас.

«Взглянув под микроскопом на элемент хранения данных в твердотельном накопителе или жестком диске, вы увидите, что каждый бит состоит из миллионов атомов, – отметил Хайнрих. – Таким образом, есть простор для дальнейшего совершенствования».

Миниатюрное хранилище данных, созданное из антиферромагнетика на атомном уровне. Двоичное представление буквы S (01010011) – массив, объединяющий восемь атомов железа в состоянии Нееля. Иллюстрация: IBM Research

По прогнозам Хайнриха, на разработку устройств, использующих новый метод хранения данных IBM, понадобится пять–десять лет. Но, несмотря на столь отдаленные перспективы, результаты исследований имеют очень большое значение, поскольку ученые доказали, что ограничения, считавшиеся ранее теоретическим пределом, на самом деле сильно преувеличены.

T-H-I-N-K... Изображение байта в различных магнитных состояниях. Белый сигнал справа соответствует логическому нулю, а синий сигнал – логической единице. Между двумя этими изображениями магнитные состояния битов переключаются таким образом, чтобы закодировать в двоичной кодировке ASCII слово THINK. Иллюстрация: IBM Research

"Использование атомов железа на подложке из нитрита меди, конечно, далеко от реальных технологий, – признал Хайнрих. – Вряд ли кто-то захочет делать это при помощи средств, применявшихся нами. Это были исследовательские инструменты. Для организации массового производства нужны дешевые технологии, а их создание представляет собой очень сложную инженерную задачу».

Антиферромагнетики – не единственный проект организации хранения данных, над которым сегодня работает IBM. В прошлом году корпорация представила первую схему Racetrack Memory, на основе которой в перспективе возможно создание кремниевых чипов, сравнимых по емкости с современными жесткими дисками, а по устойчивости и производительности – с флэш-накопителями. По словам Хайнриха, технология Racetrack занимает промежуточное положение между современными технологиями хранения и последними открытиями IBM в области антиферромагнетиков.

«Надеюсь, что, используя полученные нами результаты, инженеры смогут создавать активные элементы на основе антиферромагнитных структур, и им удастся успешно преодолеть все возникающие технологические трудности», – добавил Хайнрих.