飞秒激光技术带来内存读取革命

飞秒激光技术带来内存读取革命

2012-08-16 09:15:33 文章来源：互联网

衡量企业级内存的重要性主要体现在高效率、高稳定性和较小的占用空间上。而内存计算目前已实现的应用就是对传统数据处理方式的加速。相对于磁盘来说，内存的读写速度要快很多倍。即便如此，现在内存的价格也在日渐便宜，而容量却要不断增加，以应对计算机的快速发展。

正因为如此，在服务器和企业级应用领域，集成度、稳定性以及纠错能力更高的内存产品一直是模组厂商的主要利润来源之一。但是内存计算简单停留在现有的技术层面是无法满足日益增长的要求的。于是更多的新兴技术被发现并利用起来。

图1 电子自旋

来自法国的研究人员，对于内存读写计算早已有了不少的研究。他们发现了一种“飞秒”激光的技术，可以使读/写过程加快10万倍。

这个技术的核心实现点是自旋电子学。说到自旋电子学，可能有很多网友会比较陌生。其实自旋电子学也叫做磁电子学。它利用电子的自旋和磁矩，使固体器件中除电荷输运外，还加入电子的自旋和磁矩。

虽然这是一门新兴的学科和技术，但是利用自旋电子学的原理，可以实现像是磁性随机内存、自旋场发射晶体管等，因此也是很多研究人员所感兴趣的原因。

图2 自旋电子学

新的技术有时必然会存在一些不能解决的问题，像是自旋电子学就存在一个很明显的问题，被用于检测数据位的磁传感器速度很慢。但是这个技术可以利用激光加速硬盘光碟的存储I/O的方法，通过该激光产生超快激光脉冲来改变电子自旋，加快读/写过程。

法国研究人员的这个加快内存读写的技术虽然在业界引起了不小的反响，并因此获得了诺贝尔物理学奖，但是有人却认为这是个纸上谈兵、无法应用于生活的“鸡肋”。

因为目前这项研究一直是在零下233度的实验环境下进行的。而室温才是生产可行处理器或内存设备的重要要求，室温的环境下，研究人员无法产生同等的效果。即便如此，不得不承认的是，虽然环境的问题暂时没有办法解决，但是至少研究人员已经知道如何增加通道中电子的自旋寿命。相信随着更深入的研究，这个技术能真正的应用于产品中。

利用半导体带来闪存读写的新革命

对于这个研究发现，IBM的研究人员认为，他们的技术突破为创造晶体管和非易失性存储打开了大门，这将大大降低现在NAND闪存技术的功率。并且他们也根据这个技术方向，自己得出了新的研究结果。

经过IBM研究院和瑞士苏黎世联邦理工学院的固态物理实验室共同研究发现，他们可以通过改变电子在其空间中的相对轴向（向上或向下），用它代表数据位。利用超短激光脉冲监测一小块地方内成千上万电子同时产生的自旋，将电子自旋周期延长30倍至1.1纳秒。

图3 脉冲改变自选周期

虽然之前的研究表明自旋方向的这些旋转是完全不相关的，但是通过IBM的研究人员发现，可以通过技术手段让这种旋转实现同步，从而让电子保持自旋的同时又全部沿同一个方向旋转。采用的技术则是常用的半导体材料。

图4 20纳米NAND闪存

通过对半导体材料尺寸的控制，解决NAND闪存产品所使用的电路宽度已经小于20纳米的极限说法。延长电子在沟道内自旋周期的方法，从而带来闪存读写的真正革命。

6年内淘汰机械硬盘

除了以上提到的技术，IBM还发明了有希望在6年内淘汰机械硬盘的新技术赛道存储技术。

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。

图5 单个Racetrack

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。

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。

图6 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。

IBM认为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。>>

内存核心连接实现高速读取数据

随着芯片制程工艺从65nm，45nm再到22nm，电路的密集度越来越高，势必会达到一个技术上的瓶颈，因此如今各芯片制造商都在探索3D芯片的可能性，像是HMC内存芯片存取数据就能达128Gbps，是目前DDR3内存的10倍以上。

图7 3D芯片

HMC的基本理念是将芯片层层叠起，和传统上将一个系统中的半导体联系在一起的做法相比，新方法将用到更多且速度更快的数据通路。支持者认为，将芯片堆叠起来的做法除了节省空间，还能达到类似于立体电路块的效果。

图8 Hybrid Memory Cube（HMC）

HMC是通过一个TSV（through-silicon-via硅通道）连接层将内存核心连接在一起，达到高速读取数据的效果。

图9 Hybrid Memory Cube

在与IBM的合作中，美光公司将在HMC内存芯片的设计上做些调整，移除通常连接内存芯片和其它芯片的电路，取而代之的是一块特殊的IBM芯片。并且IBM芯片将位于底层，其上方可能堆叠四或八块美光的内存芯片。

写入循环寿命达1000多万次

除了上面这些新技术外，之前在我们的报道中有提到过IBM攻克了相变存储技术。IBM的多位PCM试验芯片，采用90nmCMOS工艺制造，不但读写速度高于普通NAND闪存，写入循环寿命也高达惊人的1000多万次。相比之下，目前最先进的25nmMLCNAND闪存只能坚持大约3000次就会挂掉。

另外，IBM这种多位PCM芯片的写入延迟最差也有10毫秒左右，比当前最先进的闪存快100倍。

不过IBM并未透露他们在一个单元内封装了多少个比特位，而且要看到这种新技术的量产，至少还得等四五年。 在去年的时候就有专家提出“相变存储器是未来发展方向，将逐步取代闪存、磁盘等。

图10 PCM样品

其实相变存储器(PCM)是新一代非易失性存储器技术。像大多数新科技一样，PCM为应用这项技术的人们带来很多好处。PCM是一种利用材料中的可逆相态变化来存储信息的非易失性存储器。

图11 PCM原理

我们都知道内存是关系到计算机运行性能高低的关键部件之一，无疑是非常重要的。为了加快系统的速度，提高系统的整体性能，我们看到，计算机中配置的内存数量越来越大，而内存的种类也越来越多。对于现今的大多数计算机系统，内存的存取时间都是一个主要的制约系统性能提高的因素。所以解决内存计算的瓶颈，致力于内存技术的研究都是我们关注的课题。