Учёные Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США продвигаются в изучении таких магнитных явлений, как микроскопические магнитные вихри, или скирмионы. Это устойчивые магнитные возбуждения в материалах, которые в будущем могут заменить традиционную магнитную запись на жёстких дисках и память MRAM. В отличие от обычной намагниченности скирмионы труднее разрушить, что обещает повышенную надёжность записи. Но это ещё не всё.

Источник изображений: Argonne

Структуру и возможность образования магнитных вихревых структур около 60 лет назад предсказал британский физик-теоретик Тони Скирми (Tony Skyrme). Позже эти магнитные вихри получили его имя. Это топологически устойчивые магнитные образования, которые можно возбуждать в магнитных плёнках, а затем считывать их состояние. По сравнению с классическими магнитами (намагниченностью) скирмионы обещают оказаться на три–четыре порядка энергоэффективнее в задачах хранения данных и они также не требуют питания для поддержки состояния намагниченности.

В настоящий момент скирмионы остаются предметом раннего исследования, хотя учёные уже примерно понимают, как на их основе создать ячейки памяти. Учёные аргорнской лаборатории используют для этого сочетание электронного микроскопа и искусственного интеллекта. Алгоритм научили распознавать скирмионы в слоях материала, охлаждённого до сверхнизких температур. Выяснилось, что чем сильнее охлаждают материал, тем меньше шансов у скирмионов уцелеть. При температуре -168 °C скирмионы практически исчезли, тогда как нагрев до -50 °C вернул магнитной структуре порядок.

Светлые точки — это зоны упорядоченности скирмионов и чем холоднее материал, тем меньше порядка

Учёные уверены, что обратимость перехода от хаоса к порядку и наоборот создают простор для изобретения новых эффективных систем магнитной памяти. Совсем скоро для хранения данных в мире будет потребляться до 25 % всей вырабатываемой на Земле энергии. Это недопустимая роскошь. Компьютеры нуждаются в новых и энергоэффективных системах памяти. Скирмионы являются одними из многообещающих кандидатов на эту роль, хотя их ещё изучать и изучать.

Корпорация TDK объявила о поставках прототипов головок для жёстких дисков с новой технологией магнитной записи MAS-MAMR (Microwave Assisted Switching-Microwave Assisted Magnetic Recording), которая была разработана совместно с научно-исследовательским центром Toshiba и компанией Toshiba Electric Devices and Storage. MAS-MAMR является улучшенной версией технологии MAMR, которая позволяет значительно увеличить плотность записи данных.

Источник изображения: TDK

Для начала напомним, что технология MAMR подразумевает, что в процессе записи специальный микроволновый генератор в записывающей головке HDD преодолевает коэрцетивную силу намагниченного участка записи на пластине (магнитного домена) и меняет его намагниченность на требуемую. Приставка MAS означает ещё более сильное воздействие микроволнового излучателя на участок записи на магнитной пластине, что позволяет значительно уменьшить ширину дорожки. Технология позволяет проявиться эффекту сильной магнитной осцилляции между генератором вращающего момента спина (Spin Torque oscillator, STO) и магнитным носителем записи. Первая в отрасли технология записи на основе STO также была разработана TDK и уже используется в жёстких дисках Toshiba ёмкостью 18 Тбайт, производство которых началось в прошлом году.

Источник изображения: Storage Newsletter

Технология MAS-MAMR будет использовать головки с STO второго поколения. Она найдёт применение в жёстких дисках ёмкостью более 24 Тбайт. Технология использует эффект ферромагнитного резонанса от двух слоёв элементов STO, размещённых внутри записывающей головки.

В сотрудничестве с Toshiba и SDK компания TDK продемонстрировала, что существующие возможности записи на магнитные диски можно улучшить. TDK изучает оптимальную структуру двойного элемента, который может использоваться для записи MAS-MAMR. Ожидается, что эта технология будут использоваться при производстве 30-Тбайт жёстких дисков.

В привычных жёстких дисках магнитные домены на пластинах рассматриваются как двухмерные структуры — островки намагниченности. Международная группа учёных представила работу по изучению магнитных свойств трёхмерных объектов. Переход от условно плоских магнитных полей для записи данных к объёмным полям открывает путь для значительного увеличения плотности записи. Нас может удивить то, что придёт на смену жёстким дискам.

Верхнее изображение — парная спираль в рентгеновских лучах, нижнее — компьютерная модель. Источник изображения: Claire Donnelly

Плотность расположения магнитных доменов на пластинах HDD приближается к своему пределу. Соседние островки намагниченности начинают влиять друг на друга и разрушают намагниченность (читай — записанные данные). Чтобы этому противостоять в ход идут передовые технологии HAMR и MAMR (локальный нагрев и микроволновое воздействие), которые помогают преодолеть коэрцитивную силу и записать данные без потери намагниченности. Но всему есть предел, поэтому параллельно ведутся поиски альтернатив, одна из которых нацелена на разработку так называемой трековой или беговой памяти.

Трековая память представляет собой нанопроволоку, по которой движутся островки намагниченности — магнитные домены. Это как если бы поезд остался стоять, а перрон вдруг поехал, где «поезд» — это магнитная головка, а «перрон» — это данные. Но и это не всё. Данные в трековой памяти кодируются в доменных стенах — пограничных областях между магнитными доменами. Устойчивость магнитных стен гарантирует долговечность и качество записи. Именно на это нацелена новая работа учёных Кембриджского университета и ряда других учебных заведений Европы.

Исследователи предложили вместо одной нанопроволоки спираль из двух нанопроволок — фактически двойника ДНК. Изучение такой скрутки показало, что соседствующие доменные стены связываются друг с другом и такие пары становятся суперстабильными. Более того, в пространстве вокруг намагниченных спиральных нанопроволочек образуются причудливые магнитные поля. Это наблюдалось как на рентгеновских установках в реальном времени, так и в процессе моделирования.

По мнению учёных, спиральные структуры открывают путь к магнитной 3D-записи невероятной плотности. Если научиться управлять этой записью на наноуровне, то можно совершить настоящий переворот в способах хранения данных и не только. Это могут быть и перспективные датчики и даже метаматериалы с необычными свойствами. Исследования в этих направлениях будут продолжены, а учёные ждут удивительных открытий.

Японская компания Showa Denko K.K. (SDK) — один из двух крупнейших независимых производителей магнитных пластин для жёстких дисков — сообщила о разработке второго поколения пластин для накопителей с технологией записи с вспомогательным микроволновым излучением или MAMR (microwave-assisted magnetic recording). Новые «блины» MAS-MAMR позволят поднять максимальную ёмкость HDD до двух раз, в чём, в частности, должна преуспеть компания Toshiba.

Источник изображения: Western Digital

Аббревиатура MAS-MAMR расшифровывается как Microwave Assisted Switching-Microwave Assisted Magnetic Recording. С MAMR мы уже знакомы: в процессе записи специальный микроволновый генератор в записывающей головке HDD преодолевает коэрцетивную силу намагниченного участка записи на пластине (магнитного домена) и меняет его намагниченность на требуемую в процессе записи данных.

Приставка MAS, поясняют разработчики, означает ещё более сильное воздействие микроволнового излучателя на участок записи на магнитной пластине, что позволяет значительно уменьшить ширину дорожки записи на «блине». Технология позволяет проявиться эффекту сильной магнитной осцилляции между генератором вращающего момента спина (STO) и магнитным носителем записи. В идеальном случае технология MAS-MAMR позволит до двух раз увеличить плотность записи на жёстких дисках, обещая появление накопителей ёмкостью свыше 30 Тбайт.

В разработке новых носителей ключевую роль сыграли компании Toshiba и TDK. Компания Toshiba, как известно, начала активно использовать пластины MAMR в своей продукции, отодвинув бывшего пионера в этой сфере — компанию Western Digital. Собственно, именно Toshiba предложила концепцию MAS-MAMR и намерена в дальнейшем использовать её в серийной продукции.

Разработчиком и производителем магнитных головок с поддержкой MAS-MAMR стала компания TDK. В рамках совместной программы SDK, Toshiba и TDK впервые в мире совместно доказали, что HDD в сочетании с головкой чтения/записи с двойным спин-инжекционным слоем, разработанной TDK, и HD-носителем с магнитным слоем нового типа, разработанным SDK, может существенно увеличить емкость хранения данных HDD благодаря проявлению эффекта MAS.

Группа учёных из МГУ и МФТИ разработала быстрый метод получения уникального соединения железа, которое в чистом виде в природе не встречается. Впечатляющие магнитные свойства этого материала обещают как значительно повысить плотность магнитной записи, так и помочь с разработкой и эксплуатацией сотовой связи 6G и последующих.

Кристаллические структуры оксидов железа (III). Источник изображения: Евгений Горбачёв

Речь идёт об эпсилон-оксид железе (ε-Fe₂O₃). Эта модификация обладает экстремально высокой коэрцитивной силой на уровне 20 кЭ при комнатной температуре, а это уже свойства магнитов из весьма недешёвых редкоземельных элементов. Также эпсилон-оксид железа отлично поглощает электромагнитное излучение в субтерагерцовом диапазоне частот (100–300 ГГц). Это тот диапазон, в котором будет работать сотовая связь 6G. За счет эффекта естественного ферромагнитного резонанса эпсилон-оксид железа может поглощать излучение в этом диапазоне, что делает его удобным для предотвращения утечек — для экранирования, а также определяет материалы, которые могут помочь в приёме сигналов в этом диапазоне.

Авторы эксперимента Людмила Алябьева и Евгений Горбачев в лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ. Источник изображения: МФТИ

В чистом виде эпсилон-оксид железа был получен в 2004 году. По предложенным технологиям синтез материала занимает около 30 дней. Для промышленного производства это не подходит. Команда российских учёных смогла разработать технологию для 30-кратного ускорения синтеза ε-Fe₂O₃. Предложенная методика, разработке которой посвящена статья в издании Journal of Materials Chemistry C, открывает возможность синтезировать эпсилон-оксид железа за одни сутки.

Новый материал может послужить основой для высокоплотной магнитной записи на лентах и дисках, а также для решений сотовой связи следующего поколения. «Теперь дело за инженерами, мы с удовольствием делимся с ними полученной информацией и с нетерпением ждем возможности подержать в руках свой 6G-телефон», — отмечает Людмила Алябьева, старший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, где проводились терагерцовые исследования.

Если мы в быту и на работе не сталкиваемся с магнитными лентами, это вовсе не означает, что они выброшены на свалку истории. Для архивирования огромных массивов данных лучше магнитных лент ещё ничего не придумано, чем пользуются компании и организации. На этих носителях стоимость хранения самая дешёвая, а надёжность превыше похвал. Но даже хорошее можно сделать лучше, о чём на днях заявили японские учёные.

Магнитный материал меняет намагниченность под воздействием миллиметрового излучения (www.u-tokyo.ac.jp)

Группа исследователей из Университета Токио предложила новый метод магнитной записи и новые материалы для магнитных лент. Утверждается, что новая технология многократно увеличит плотность записи, а также будет ещё более энергоэффективной, надёжной и устойчивой к внешним воздействиям.

В качестве нового магнитного материала предложен эпсилон-оксид железа (epsilon iron oxide). Намагниченность этого материала в обычных условиях очень сложно изменить. Именно поэтому он обещает хранить записанные на ленте данные очень и очень долго даже в условиях повышенного внешнего воздействия от соседних участков намагниченности.

Данное качество, как нетрудно догадаться, потребовало иных технологий для записи (намагничивания) участков на магнитной ленте. Записать данные на носитель с содержанием эпсилон-оксид железа удалось с помощью облучения миллиметровыми волнами в диапазоне от 30 до 300 ГГц. В ходе эксперимента было доказано, что излучение меняет намагниченность материала, позволяя записывать на ленту нули и единицы.

Интересно добавить, что эпсилон-оксид железа и его чувствительность к миллиметровым волнам открывает новому материалу путь к технологиям связи шестого поколения (6G). Но это дело нескорое, впрочем, как и практическое внедрение нового материала в технологии записи на магнитную ленту. Учёные находятся только в начале пути, но обещают пройти по нему до конца.

Компания Other World Computing (OWC) представила внешнее хранилище данных Mercury Pro LTO, ориентированное прежде всего на корпоративных пользователей, которым требуется устройство для резервного копирования и длительного хранения файлов.

Новинка поддерживает запись на магнитную ленту LTO-8 и LTO-7. В частности, в комплект поставки входит картридж Fujifilm LTO-8 вместимостью 12 Тбайт. Заявленный срок хранения информации достигает 30 лет.

Используется файловая система LTFS (Linear Tape File System), обеспечивающая доступ к содержимому ленты как к обычному дереву каталогов с файлами. Это повышает удобство эксплуатации.

Кроме того, устройство оборудовано отсеком для установки одного традиционного жёсткого диска или твердотельного накопителя типоразмера 3,5 или 2,5 дюйма. В частности, предлагаются модификации с HDD вместимостью до 16 Тбайт и SSD ёмкостью до 4 Тбайт.

Новинка снабжена двумя интерфейсами Thunderbolt 3 и одним разъёмом DisplayPort. Габариты составляют 232 × 292 × 155 мм.

Приобрести хранилище OWC Mercury Pro LTO можно по ориентировочной цене от 4500 долларов США.

Металлорганические соединения в виде так называемых сэндвичевых соединений (sandwich compounds) плохо изучены, но могут привести к прорыву как на пути к более плотной магнитной записи, так и на пути к новым дисплейным технологиям. Это неизвестный, но многообещающий путь, зелёный свет которому дал центральный орган содействия научным исследованиям в Германии — Немецкое научно-исследовательское общество (DFG).

Молекула ферроцена — одно из наиболее известных металлоорганических соединений, представитель класса сэндвичевых соединений

В рамках финансирования научных проектов в Германии обществом DFG есть Фонд Райнхарта Козеллека (Reinhart Koselleck Projects). Этот фонд вкладывает деньги в проекты с высочайшей степенью риска с точки зрения гарантии получения практических результатов. Например, в 2019 году фонд профинансировал только восемь проектов. В этом году деньги в размере 500 тыс. евро были выделены Фондом Райнхарта Козеллека на изучение сэндвичевых соединений на основе редкоземельных элементов, что станет первым в мире подобным исследованием.

Сэндвичевые соединения условно состоят из атома металла, заключённого (захваченного) между двумя кольцевыми структурами. Фактически это бутерброд размером с молекулу. Вернее, это и есть молекула. В зависимости от кольцевой структуры в составе сэндвича и задействованного металла свойства соединения могут очень и очень сильно отличаться. Магнитные и люминесцентные свойства редкоземельных элементов намекают на возможность сверхплотной записи, где каждый бит может быть записан в область размером с молекулу, и на появление дисплеев с немыслимым доселе разрешением.

Схематическое изображение сэндвичевого соединения (KIT)

Впрочем, сейчас перед немецкими учёными из Карлсруэского технологического института (KIT) поставлена задача изучить влияние состава и размера кольцевых структур в сэндвичевых соединениях на свойства соединений. Иначе говоря, пока только понять, как меняются физические свойства соединений в зависимости от ряда переменных параметров в их составе. Но акцент, повторимся, будет делаться на магнетизм и люминесценцию. Добавим, проект рассчитан на пять лет, и он не ставит перед собой обязательное достижение практического результата за этот отрезок времени.

Для хранения архивов данных компания Fujitsu собирается вернуть накопители на магнитных лентах в качестве альтернативы жёстким дискам. Стоимость хранения на лентах ниже, чем на HDD, но ленты не дают высокой скорости доступа в режимах случайного чтения. Новая технология Fujitsu исправила этот недостаток и повысила скорость чтения с лент в 4 раза.

В последние два десятка лет ленточные картриджи используются в основном для создания резервных копий данных. Пользоваться лентами как средством для ведения текущих архивов крайне неудобно, поскольку к файлам на ленте затруднён случайный доступ, хотя с линейным чтением проблем со скоростью не возникает. Если устранить низкую скорость чтения с ленты в режиме случайного доступа, то ленты и картриджи могут стать удобными инструментами для ведения архивов в наш и грядущий век информационного цунами.

В компании Fujitsu удалось разработать технологию, которая в 4,1 раза повышает скорость считывания данных с магнитных лент.

Во-первых, Fujitsu доработала ленточную файловую систему LTFS. В новом виде LTFS представляет для пользователя интегрированную файловую систему, которая объединяет несколько картриджей в один виртуальный картридж. При обращении к данным пользователю не нужно знать, на каком физическом картридже находятся нужные ему файлы.

Во-вторых, поскольку логические и физические адреса файла на ленте могут значительно отличаться, Fujitsu разработала механизмы сортировки запросов на чтение, которые позволяют загружать ближайшие физически расположенные на ленте файлы, не обращая внимание на порядок запросов с логической адресацией. Точнее, не выставляя логическую адресацию в приоритетное положение. Механизм запроса доступа с физическим местоположением сложен и требует периодической инициализации считывающих магнитных головок, но он себя оправдывает.

В-третьих, обновлённая файловая система LTFS поддерживает функцию объединения нескольких файлов. Для этого небольшие файлы сливаются в один большой файл, что упрощает индексацию и не снижает производительность при чтении многих мелких файлов. Файловая система позволяет виртуально работать с мелкими файлами и даже удалять их не обращаясь к ленте, но на уровне привода считывает их как один цельный файл.

Для количественной оценки новой технологии Fujitsu создала иерархическую систему хранения для жестких дисков и магнитных лент с использованием открытого ПО Ceph распределенного хранения данных. Эксперимент показал, что случайное считывание с магнитной ленты обычным способом 100 файлов из 50 000 отдельных файлов размером 100 Мбайт составило 5400 секунд. Новая технология справилась с этой операцией за 1300 секунд или в 4,1 раза быстрее.

Кроме того, если обычному методу требовалось 2,5 секунды для перемещения 256 отдельных файлов размером 1 Мбайт с жестких дисков на магнитную ленту, то новая технология переместила данные за 1,3 секунды, что в 1,9 раза быстрее, чем традиционным методом.

Новая технология увеличивает скорость доступа к ленте, в том числе, поднимает производительность случайного чтения и записи различного размера в архивных приложениях. Как ожидается, это обеспечит экономически эффективную инфраструктуру архивирования данных для долгосрочного хранения больших объемов информации. Коммерческую эксплуатацию данной технологии компания Fujitsu рассчитывает начать через три года.

Мельчайшие магнитные вихревые структуры скирмионы (названы так в честь британского физика-теоретика Тони Скирми (Tony Skyrme), предсказавшего эту структуру в 60-х годах прошлого века) обещают стать основой магнитной памяти будущего. Это топологически устойчивые магнитные образования, которые можно возбуждать в магнитных плёнках, а затем считывать их состояние. При этом запись и чтение происходят с использованием спиновых токов ― с помощью переноса момента вращения спина электронов. Это означает, что запись и чтение могут осуществляться предельно малыми токами. Также на поддержку магнитного вихря не требуется постоянного подвода питания, что ведёт к экономичной энергонезависимой памяти.

Условное изображение магнитного вихря, известного как скирмион (Nanoscale / Royal Society of Chemistry)

За последние несколько лет учёные в России и за рубежом пристально изучают поведение скирмионов и небезосновательно полагают, что эти структуры помогут значительно увеличить плотность магнитной записи. Более того, недавно британские и американские учёные нашли способ, каким образом можно в разы увеличить плотность записи с использованием скирмионов без особенных сложностей в виде уменьшения диаметра вихревых структур, что может привести к скорейшему воплощению научной мысли в коммерческий продукт.

Компьютерная модель «мешка скирмионов» (Бирмингемский университет)

Вместо традиционной двоичной записи, где 1 и 0 будет скирмион или его отсутствие, учёные из Бирмингемского университета, Бристоля и Колорадского университета в Боулдере представили комбинированную вихревую структуру, которую они назвали «мешком скирмионов» (skyrmion bag). Несомненно, «мешок» со скирмионами лучше, чем одиночный скирмион. Число скирмионов в мешке может быть любым, что позволит присвоить ему больше значений, чем 0 или 1. Это прямой путь к увеличению плотности записи. В определённой степени это сравнимо с многоуровневой записью в ячейку NAND-флеш. Нет нужды лишний раз напоминать, насколько быстро стал расширяться рынок флеш-накопителей после начала массового производства памяти NAND TLC с записью трёх бит в каждую ячейку.

Этапы воссоздания «мешка скирмионов» (Nature Physics)

Создание структуры «мешка скирмионов» учёные из Англии представили в виде абстрактной модели и воспроизвели явление в программе-симуляторе. Их американские коллеги воспроизвели явление на практике, хотя для запуска вихревых структур использовали жидкие кристаллы, а не магнитные структуры. Жидкие кристаллы, как известно, управляются магнитным полем, что позволяет использовать их для постановочных экспериментов для визуализации магнитных явлений. Ждём переноса экспериментов на магнитные плёнки.

Группа исследователей из Института Пауля Шеррера (Филлиген, Швейцария) и Швейцарской высшей технической школы Цюриха исследовала и подтвердила работу интересного феномена магнетизма на атомарном уровне. Нетипичное поведение магнитов на уровне нанометровых кластеров предсказал ещё 60 лет назад советский и американский физик Игорь Ехиельевич Дзялошинский. Исследователи из Швейцарии смогли создать такие структуры и теперь пророчат им светлое будущее не только в качестве решений для хранения данных, но также, что очень необычно, как замену транзисторам в процессорах с наномасштабными элементами.

Colourbox

В нашем мире стрелка компаса всегда указывает на север, что даёт возможность узнать направление на восток и на запад. Разнополярные магниты притягиваются, а однополярные отталкиваются. В микромире масштаба нескольких атомов в определённых условиях магнитные процессы происходят иначе. При ближнем взаимодействии атомов кобальта, например, соседние области намагниченности рядом с ориентированными на север атомами ориентируются на запад. Если ориентация изменится на южную, то атомы в соседней области изменят ориентацию намагниченности в направлении востока. Что важно, управляющие атомы и атомы ведомые расположены в одной плоскости. Раньше подобный эффект наблюдался только у вертикально расположенных атомных структур (друг над другом). Расположение управляющих и управляемых участков в одной плоскости открывает путь к проектированию вычислительных и запоминающих архитектур.

Изменять направление намагниченности управляющего слоя можно как электромагнитным полем, так и с помощью тока. С помощью таких же принципов происходит управление транзисторами. Только в случае наномагнитов архитектура может получить толчок к развитию как по производительности, так и по экономии потребления и по уменьшению площади решений (уменьшение масштаба техпроцесса). Вентилями в данном случае будут работать связанные зоны намагниченности, управляемые переключением намагниченности основных зон.

Paul Scherrer Institute/Zhaochu Luo

Феномен связанной намагниченности был выявлен в особенной конструкции массива. Для этого слой кобальта толщиной 1,6 нм был окружён сверху и снизу подложками: снизу из платины, а сверху из оксида алюминия (на картинке он не показан). Без этого связанной намагниченности север-запад и юг-восток не происходило. Также обнаруженный феномен может привести к появлению синтетических антиферромагнетиков, это тоже может открыть путь к новым технологиям для записи данных.

Японская компания Showa Denko (SDK) раскрыла секрет. Как сообщается в пресс-релизе SDK, её клиент, компания Toshiba, готовит к выпуску в этом году первый в мире 18-Тбайт 3,5-дюймовый жёсткий диск. Более того, этот накопитель будет опираться на классическую перпендикулярную запись без использования так называемой «черепичной» технологии SMR (Shingled Magnetic Recording) с частичным перекрытием дорожек. Иначе говоря, суперъёмкая новинка не будет терять производительность на операциях записи.

Источник микроволнового излучения компактен и интегрируется в записывающую головку (WDC)

Другим сюрпризом стало то, что Toshiba для производства 18-Тбайт HDD задействует технологию MAMR (Microwave Assisted Magnetic Recording). Это технология магнитной записи со вспомогательным микроволновым излучением, о которой мы чуть подробнее рассказывали здесь. До сих пор считалось, что первой компанией, которая выпустит на рынок жёсткие диски с поддержкой MAMR, будет Western Digital. Оказалось, Toshiba движется в этом направлении ещё быстрее. Из этого следует, что компании будут соревноваться, что сулит обострение конкуренции и скорейшее снижение цен на новинки.

Шридхар Чатрадхи (Sridhar Chatradhi), директор технологической группы WD, демонстрирует диск с технологией MAMR (EE Times)

Первые пластины для накопителей с поддержкой MAMR компания Showa Denko выпускает ёмкостью 2 Тбайт. Очевидно, что в составе 18-Тбайт жёсткого диска их будет 9 штук ― этот рекорд пока не побила ни Seagate, ни WDC. Магнитные пластины с поддержкой MAMR будут из алюминия. Компания Hoya, например, выпускает пластины из стекла, которые будут поддерживать другую технологию записи с поддержкой ― HAMR (с локальным разогревом магнитного слоя). И если Hoya пока не обещает выпуск магнитных пластин с поддержкой MAMR (для Western Digital и Toshiba), то Showa Denko обещает вскоре начать поставки пластин HAMR (для Seagate).

В рамках проекта «5-100», участниками которого является 21 университет (это проект с господдержкой для повышения конкурентоспособности российских образовательных центров), учёные из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) сообщили о моделировании ячейки магнитной компьютерной памяти нового типа. Предложенная ячейка магнитной памяти работает на спиновом токе и отличается от всех коммерческих видов современной памяти.

Условное изображение магнитного вихря, известного как скирмион (Nanoscale / Royal Society of Chemistry)

Спиновый ток от обычного тока на заряжённых частицах (электронах) отличается тем, что перенос намагниченности происходит без переноса заряда. По сходному принципу работает память MRAM с эффектом переноса спина (STT-MRAM). Но в случае MRAM меняется намагниченность всего рабочего слоя ячейки, который довольно большой, отчего нельзя радикально повысить плотность записи MRAM. Физики ДВФУ в качестве элемента для хранения данных (для удержания намагниченности) воссоздали самостоятельный элемент скирмион. Мы уже рассказывали о таком физическом явлении как скирмион. Это магнитная вихревая структура наноразмерного уровня, направление магнитной оси индивидуальных атомов в которой меняется по мере удаления от центра вплоть до полной противоположности.

Более того, российские физики представили улучшенный скирмион — скирмиониум. В обоих случаях — это топологически устойчивые вихревые участки намагниченности, которые возможно с небольшими энергетическими затратами возбудить в ферромагнетике с помощью спинового тока. При этом вихревые образования стабильны, не размагничиваются и не требуют энергии для сохранения данных. Скирмиониум от скирмиона отличается более устойчивой структурой, например, на него практически не действует сила Магнуса, что предотвращает спонтанное размагничивание.

Зарождение скирмиониума с помощью спин-орбитальной передачи вращательного момента (иллюстрация Scientific Reports)

Физики из ДВФУ смоделировали скирмион радиусом 2 нм и скирмиониум радиусом 15 нм. В первом случае можно говорить о плотности записи 50 Тбит/дюйм², во втором — 1 Тбит/дюйм². В последнем случае это — примерная плотность записи на современных магнитных пластинах с перпендикулярной записью с использованием «черепичной» технологии SMR, что не очень интересно для промышленного использования, так что учёным есть над чем поработать.

Что касается скорости записи, то на моделях она достигает 700 пикосекунд или, в пересчёте на более понятные цифры, 170 Мбайт/с для восьмибитовой «скирмионовой» ячейки. Чем больше ячеек, тем скорость записи будет выше, но пока говорить о практической стороне вопроса сильно преждевременно.

Трековая (беговая) память в представлении IBM

Новая память, кстати, получила название беговой. Подобную память под кодовым именем racetrack memory с 2008 года разрабатывает компания IBM. Идея в том, чтобы данные перемещались по носителю под воздействием синхроимпульсов без использования какой-либо механики. Скирмионы как раз позволяют реализовать подобную схему работы. Подробно о проделанной работе физики из ДВФУ рассказали в публикации на сайте Scientific Reports.

Физики из федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), расположенной в Швейцарии, опубликовали исследования, в которых доказана возможность уплотнить запись на жёстких дисках или магнитных лентах до размеров одного атома. Это открывает небывалые перспективы перед «классическими» накопителями. Увы, твердотельная память и SSD не могут справиться с тем растущим потоком данных, который необходимо хранить каждый день. По самым скромным оценкам, ежедневный прирост информации приближается к 15 млн гигабайт. Запись информации на уровне одиночного атома стала бы настоящей находкой, с возможностью радикально увеличить плотность размещения информации на магнитных носителях.

Слева изображение со сканирующего туннельного микроскопа (одноатомный гольмиевый магнит), справа вспомогательные атомы кобальта на подложке из оксида магния (EPFL)

Активнее других разработками на направлении одноатомной записи занимаются физики из Лозанны. На базе лабораторий EPFL ведутся фундаментальные исследования, которые подтверждают, что одноатомная запись больше не является фантастикой. Впрочем, до реального использования она тоже далека. Основной проблемой записи на уровне одиночного атома остаётся остаточная намагниченность. Из-за неё остаётся большая вероятность изменения направления магнитного поля атома под воздействием случайного внешнего поля или в случае температурных скачков. Физики доказали, что существуют материалы и состояния, когда магнитное поле одиночных атомов остаётся стабильным. Иначе говоря, данные после записи не теряются.

В ходе эксперимента использовалась подложка из оксида магния, которая абсорбировала в себя пары из атомов гольмия и вспомогательных атомов кобальта. «Битами» выступали атомы гольмия. С помощью наблюдения через сканирующий туннельный микроскоп учёные убедились, что сильное магнитное поле, как и нагрев не привели к потере «информации» — не изменили намагниченность атомов гольмия. Тем самым на практике подтверждена бистабильность одноатомной записи. По мнению учёных, это может стать последним элементом головоломки для дальнейшей коммерциализации одноатомной записи.

Доказательство бистабильности атомов гольмия (EPFL)

Добавим, что эксперимент выявил способность атомов гольмия оставаться стабильными во внешнем магнитном поле силой, превышающей 8 тесла. С нагревом сложнее. Для записи и считывания данных на уровне одного атома необходимо опираться на квантовые механизмы. Это предполагает экстремально низкие температуры. Намагниченность атомов гольмия оставалась стабильной до температуры 35 К, но уже при нагреве до 45 К (–233,15 °C) атомы начинали спонтанно менять намагниченность в соответствии с направлением внешнего магнитного поля. На следующем этапе учёные намерены решить три ключевых вопроса по одноатомной записи: стабильность, запись и сигнально-шумовые характеристики процессов.

Скирмионы или мельчайшие магнитные вихревые структуры, направление магнитной оси индивидуальных атомов в которых меняется по мере удаления от центра вплоть до полной противоположности, интересуют учёных не первый год. Скирмион как устойчивая структура может служить единицей для записи данных на магнитном носителе. Главная особенность скирмиона заключается в возможности воспроизвести его в магнитном материале с меньшими энергетическими затратами, чем в случае изменения намагниченности обычного домена на магнитном носителе жёсткого диска. Происходит это благодаря тому, что векторы атомов в магнитном вихре уже частично и даже полностью развёрнуты в нужную сторону, тогда как в обычном случае приходится менять направление намагниченности на полностью противоположное.

Условное изображение магнитного вихря, известного как скирмион (Nanoscale / Royal Society of Chemistry)

Очевидно, что подобные качества скирмионов заставляют задуматься об использовании мельчайших магнитных вихрей в качестве основы для памяти будущего. Остаётся решить вопросы масштабирования, подобрать материалы и создать условия для формирования устойчивых вихревых структур при комнатных температурах. Что-то из этого решено, пусть частично, что-то требуется решить. Так, учёные из Университета Небраски-Линкольна (University of Nebraska–Lincoln) смогли закрутить магнитную спираль скирмиона диаметром всего 13 нм. До этого рекордом считался 50-нм скирмион, и дальше дело не шло. Материалом, на котором создан мельчайший магнитный вихрь, остаётся моносилицид марганца (MnSi). Температура, при котором скирмион оставался стабильным, составила −230 °C.

Трековая память в представлении IBM

Интересным явлением также считается возможность перемещения скирмион с помощью электрических имульсов. Это открывает путь к так называемой трековой памяти, когда данные хранятся и считываются с наномасштабных нитей. В магнитной нити или треке электрический ток способен передавать вихревое состояние (скирмион) от одной группы атомов к другой. Это очевидным образом открывает возможность создания магнитных носителей без механически движущихся частей. Иначе говоря, с высочайшей и недоступной механическим конструкциям надёжностью. Перспективной, например, считается разработка треков шириной около 20 нм. Опыты группы учёных из Университета Небраски-Линкольна приближают создание подобных систем хранения данных.