Казалось бы, больше уже некуда! Простенький нетбук, предназначенный для нехитрого «ползания» по сети, оснащается 500-гигабайтным винчестером, и никого это не удивляет. Наоборот, то и дело слышится: «Винчестер маловат, забит под завязку!»
До сих пор одной из наиболее консервативных, пусть и востребованных сфер компьютерной индустрии оставались технологии хранения данных. Хотя заявления об «убийцах» винчестеров появлялись достаточно часто, свергнуть с трона принцип магнитной записи некому. Ни одна из альтернативных технологий не в состоянии достичь той же границы уровня надежности, скорости и дешевизны в пересчете на единицу хранения, какую давно преодолели жесткие диски.
Главной задачей конструкторов остается повышение скорости чтения и записи информации, а также быстроты поиска необходимых блоков. А их на растущих по объему дисках все больше и больше. Также важно «вписать» конструкцию в стандартные габариты, обеспечив при этом ударопрочность/надежность и низкое энергопотребление.
Самый простой способ «разогнать» диск – заставить его пластины вращаться быстрее… быстрее!.. еще быстрее!!! Даешь 7200 оборотов в минуту! А 10 тысяч? А 15? Все не так просто. Притом что в узлах вращения повсеместно применяются самоцентрирующиеся жидкостные (а в перспективе – и газовые) подшипники с крайне низкими коэффициентами трения, на больших скоростях все равно не избежать нагрева, врага «номер один» современной электроники. Даже стандартные 5400-оборотные диски ощутимо греются при интенсивных нагрузках, а о семитысячных «печках» (SCSI-винчестерах со скоростью вращения 7200 оборотов в минуту) вообще ходят легенды.
Раскрутить «блин» до безумных скоростей – само по себе не проблема. Но ведь есть еще и информация, которую надо быстро записывать и еще быстрее считывать! Делается это по старинке: магнитной головкой, закрепленной на коромысле, управляемом высокоточным шаговым двигателем. И этот электромеханический узел, наследие времен Эдисона и Теслы, работает в условиях запредельных нагрузок, испытывая ускорения в сотни и сотни g. Очевидно, что существует физический предел, преодолеть который традиционным системам считывания не дано. Эксперты полагают, что верхний барьер скорости вращения винчестеров обычной конструкции ограничен 20–25 тысячами оборотов в минуту.
Еще один способ борьбы за скорость жестких магнитных дисков, правда, не такой эффективный, заключается в уплотнении записи. Простое на словах, на деле это решение повлекло за собой необходимость предпринять целый ряд мер. От полировки и балансировки пластин, на которые наносится магнитный состав, до центрифугирования железопыльной суспензии, содержащей те самые магнитные частицы, в которых будут записаны все богатства этого мира, включая отпускные фотографии.
Однако и здесь не обошлось без сложностей. До каких размеров можно уменьшать магнитные домены – «зернышки» информации? Оказалось, что в разряд молекулярных наночастиц им не перейти при всем желании. Дело в так называемом суперпарамагнитном пределе. Выражается он в том, что ферромагнитные вещества, используемые в качестве носителей информации, при определенных условиях перестают реагировать на изменения внешнего поля. Домены представляют собой достаточно большие «комки» по сотне «зерен», частицы которых согласованно выстраиваются в нужном направлении, создавая суммарное поле заданной напряженности. К несчастью, в таких ансамблях нередко встречаются отдельные компоненты, не желающие петь в унисон. Чем меньше частиц в домене, тем выше доля «протестного электората», тем сложнее становится отделить полезный сигнал от неинформативного шума. Не следует забывать и о паразитном тепле, вносящем свою лепту в размагничивание доменов. Ясно, что уменьшать их размеры и тем самым повышать плотность записи можно до определенного предела. Сегодня он уже близок.
С его преодолением связаны масштабные и дорогие разработки. Так, специалисты IBM предложили технологию AFC (аббревиатура от англ. antiferromagnetically-coupled) – так называемых антиферромагнитных пар или магнитно-компенсированных пленок. Покрытие диска было трехслойным: доменные слои разделялись специальной изолирующей прослойкой из рутения. Идея заключалась в том, что доменный «сандвич» менее подвержен спонтанному перемагничиванию благодаря различной ориентации компонентов пар.
Оказалось, что уменьшение размеров доменов и соответствующий четырехкратный рост плотности записи сопровождаются значительным удорожанием производства. По мнению некоторых аналитиков, именно эта инновация стала последней соломинкой, переломившей спину верблюду и заставившей некогда славную фирму IBM вообще уйти из винчестерного бизнеса.
Успешней и технически изящней было решение, предложенное фирмой Seagate, – технология перпендикулярной записи PMR (аббревиатура от англ. Perpendicular Magnetic Recording), впервые примененная датским ученым Вальдемаром Поульсеном (Valdemar Poulsen) для магнитной записи звука аж… в конце XIX века. До современного технологического воплощения ее довел доктор Cуничи Ивасаки (Shunichi Iwasaki), глава престижного Tohoku Institute of Technology, в 1976 году теоретически обосновавший преимущества нового типа записи. В ее основе лежит «детский» вопрос: а если домены в слое не укладывать как паркет, а поставить «на попа»? То есть можно ли использовать домены с перпендикулярным поверхности магнитным полем? Ведь так, в принципе, можно повысить плотность записи, по меньшей мере, на порядок. Правда, для новых дисков с перпендикулярной записью пришлось полностью переработать конструкцию головок чтения/записи, но игра стоила свеч.
Потенциал технологии перпендикулярной записи так велик, что его хватит еще на десяток лет и на сотни терабайт, особенно с учетом перспективных разработок. Наиболее многообещающая из них – термомагнитная запись (HAMR, Heat Assistant Magnetic Recording). Совсем новой эту технологию назвать нельзя, нечто подобное уже было применено для магнито-оптических дисков, одно время успешно конкурировавших как с перезаписываемыми компакт-дисками, так и с дисками повышенной плотности ZIP и Syquest. Процесс записи проходит в два этапа: каждый домен со свойствами парамагнетика будет предварительно нагреваться лазером до его перехода в ферромагнитное состояние, то есть появления способности перемагничиваться под влиянием внешнего поля. Остыв, этот домен будет вновь вести себя как устойчивый парамагнетик: «запомнит» записанное состояние.
Основные трудности на пути массового внедрения HAMR-технологии – отсутствие дешевых и достаточно мощных коротковолновых лазеров, способных стабильно оперировать с фокальными пятнами размером в несколько молекул (в идеале – с поперечное сечение домена). Кроме того, затруднения вызывает и эффективный теплоотвод от пластин винчестера. Но перспективы весьма заманчивы и обещают еще лет 10–15 устойчивого развития, а это, согласитесь, в нынешнем мире – целая геологическая эпоха.
Технология HAMR может сработать в полной мере только в том случае, если магнитный слой будет монодисперсным, то есть иметь толщину ровно в один домен. Обеспечить такие свойства покрытий призван способ SOMA (от англ. Self-Organized Magnetic Array – самоорганизующиеся магнитные решетки или массивы), предусматривающий использование 3-нанометровых железоплатиновых конгломератов. Пожалуй, такие частицы – зримый предел в магнитной записи, счет уже идет на десятки атомов. Оперировать с меньшими «магнитиками» не получится в силу квантовых эффектов. Но до этого – еще годы и годы и миллионы жестких дисков объемом в десятки (а может, и в сотни) терабайт.
Голографический диск способен хранить около 1 Тб информации, что аналогично двум сотням обычных DVD. Секрет его емкости – переход в третье измерение
Оптические диски, в отличие от винчестеров, довольно быстро исчерпали потенциал роста. Например, что такое blu-ray диск сегодня? Всего лишь носитель записанного раз и навсегда контента, загружающийся шумно и медленно, к тому же дорогой до неприличия. Многие ли из ваших знакомых используют записываемые BD хотя бы для архивации данных? Уверен, что немногие. Проще, быстрее и выгоднее для этих целей применять те же внешние жесткие диски. Даже возможный переход на технологию FMD (от англ. Fluorescent Multilayer Disk – многослойный флуоресцирующий диск), сулящую многократный прирост как емкости – 1 Тб на стандартном диске, так и скорости считывания – 1 Гб/сек, не спасет положения. Однако оптике отнюдь не суждено кануть в небытие. Наоборот, истинный расцвет ее впереди, и связано это будет с голографией.
Голографический диск: запись и чтение информации
По предварительным расчетам, в 1 см3 носителя (скорее всего, это будет специальный полимер) можно будет «залить» почти терабайт данных! Таким образом, будущие голографические «флешки» размером с брелок вполне могут хранить содержимое пары-тройки нынешних винчестеров. А скорости чтения и записи информации голографических накопителей будут, как минимум, на два порядка превышать показатели жестких дисков.
Технология уже отработана. В самом схематичном виде ее суть такова: для записи информации используется лазерный луч, проходящий через управляющую матрицу – световой модулятор, элементы которого и отвечают за кодирование (темная ячейка – ноль, светлая или прозрачная – единица). Свет, обработанный модулятором и представляющий собой интерференционный пакет, записывается в заданном секторе носителя. Восстановление, то есть считывание, еще проще: освещаем носитель лучом однотипного лазера и «ловим» отражение-копию состояния модулятора на светоприемную матрицу.
Прелесть голограмм в том, что в один и тот же сектор носителя можно «впечатать» много снимков состояния модулятора. Для этого надо просто немного повернуть носитель. В итоге мы получим своего рода трехмерный QR-код, в ограниченном пространстве содержащий гигантский объем информации.
Основные трудности, мешающие наступлению голографической эры, – сложность и дороговизна оптической системы и поиск наиболее подходящего материала для носителя. Не следует ожидать гениального озарения, свет которого заставит горизонты немедленно окраситься в розовый цвет. Наоборот, нас ждет долгий и сложный путь на ощупь, усеянный останками обанкротившихся компаний. А их будет много, ибо ставки слишком высоки. Но поживем – увидим! В буквальном смысле.
И все же, согласитесь, принципы голографической записи ничего кардинально нового не содержат. Явление давно известное, дело стало только за инженерным воплощением и доведением до массового производства. Может быть, стоит поискать что-то интересное не только в физике, но и в других дисциплинах?
Сказано – сделано. Одним из возможных носителей информации могут стать молекулы ДНК. Так считают исследователи Европейского института биоинформатики (EBI – European Bioinformatic Institute). Как сообщили ученые, они смогли уместить в синтезированной молекуле ДНК пять файлов: сонеты Шекспира (простой текстовый файл), PDF-версию знаменитой статьи Джеймса Уотсона и Френсиса Крика «Молекулярная структура нуклеиновых кислот», цветную фотографию здания института (в формате JPEG), полуминутный MP3-файл с фрагментом речи Мартина Лютера Кинга «У меня есть мечта», а также двоичный файл с алгоритмом Хаффмана, с помощью которого кодировалась информация. Сегодня это достижение кажется скорее курьезом, чем технологическим прорывом. Но кто знает, может, лет через 40 родители будут баловать детишек мультиками, записанными в леденцах или мандаринах?
Впрочем, уже сегодня разработана технология, способная оставить не у дел даже 10-терабайтные овощи, не говоря уже о «флешках» (которые, по сути, оказались тупиковой веткой эволюции), жестких дисках и микросхемах DRAM-памяти. Речь идет о мемристорах, уверенно движущихся к массовому внедрению. В чем же преимущество новой технологии?
До сих пор устройства оперативного хранения информации использовали принцип накопления заряда (в отличие от жестких и оптических накопителей). При этом DRAM-модули быстры, но энергозависимы, а «флешки», обходясь без батареек, медленны и склонны к прогрессирующей деградации ячеек.
Похоже, радиоинженерам и электронщикам скоро придется серьезно переучиваться. Теперь наряду с изученными вдоль и поперек конденсаторами, индуктивностями и сопротивлениями в электрических схемах работают и мемристоры, название которых происходит от английских memory (память) и resistor (сопротивление). Они могут менять сопротивление в зависимости от внешних условий (читай – условий записи). А самое важное – сохранять его значение практически вечно!
А ведь термину уже более 30 лет. Ввел его 35-летний профессор кафедры электрической инженерии и вычислительной техники Калифорнийского университета в Беркли Леон Чуа (Leon Chua), филиппинский эмигрант китайского происхождения, в рамках теоретических рассуждений о связи фундаментальных электрических параметров. Их, как известно, не так много: заряд, ток, напряжение и магнитный поток. Мемристор связывает первый и последний параметры, и его невозможно построить комбинацией пассивных резисторов-конденсаторов-индуктивностей. Главная особенность мемристора заключается в том, что его текущее сопротивление определяется предысторией электрических процессов. Говоря проще, чем больший заряд прошел через него первоначально, тем меньше потом его сопротивление в состоянии покоя. Такой эффект называется гистерезисом (магнитному гистерезису мы обязаны работой всех устройств магнитной записи).
Но мало ли блестящих гипотез кануло в Лету? Такая участь ждала бы и работу Чуа, если бы не Hewlett Packard. Нет, речь не о том, что у профессора сломался принтер и при ремонте он открыл принцип антигравитации или разработал Единую теорию поля. Группа ученых под руководством доктора Стэнли Уильямса (Stanley Williams), работающая в Лаборатории информационных и квантовых систем HP в Пало-Альто, в самом сердце Силиконовой долины, в 2008 году разработала технологию изготовления настоящих мемристоров. Для доктора Уильямса, вне всяких сомнений, будущего Нобелевского лауреата, тема была знакомой, ведь ученую степень он получил тоже в Беркли и с профессором Чуа был знаком не понаслышке.
Основой для мемристора стали тонкие 5-нанометровые двухслойные пленки двуокиси титана. Верхний слой пленки представляет собой нормальный изолятор, а нижний за счет изъятия части атомов кислорода обладает проводимостью «дырочного» типа. В исходном состоянии сопротивление мемристора велико: верхний слой не проводит электрический ток. Но если подать напряжение, то начинается дрейф кислородных «дырок» из нижнего слоя в верхний, и он становится электропроводным. Сопротивление мемристора уменьшается на несколько порядков (конкретное изменение зависит от величины прошедшего заряда). Теперь, если убрать разность потенциалов, то сопротивление мемристора сохранится, потому что концентрация кислородных «дырок» в верхнем слое меняться не будет до тех пор, пока не будет подано обратное напряжение.
Процесс считывания информации о состоянии мемристора прост. Для этого достаточно подавать на него короткие разнополярные импульсы напряжения, и величина тока по закону Ома покажет нам сопротивление мемристора. Кратковременность и разнополярность считывающих импульсов важны для того, чтобы состояние чудо-элемента не изменилось.
Отрадней всего, что мемристоры прекрасно вписываются в нынешние технологии производства микроэлектроники. Это значит, что стоимость производства мемристорных модулей не будет сильно отличаться от цены выпуска тех же «флешек», в определенной степени более сложных и капризных. И есть основания полагать, что массовый выпуск будет начат в ближайшем будущем. Во всяком случае, представители HP и Hynix, одного из крупнейших производителей модулей памяти, заявили о планах запустить полномасштабное производство резистивной памяти (ReRAM) в 2016 году. По словам доктора Уильямса: «…Не существует фундаментальных ограничений на количество слоев, которые мы можем произвести. В ближайшие 10 лет мы можем создать чипы с объемом памяти в петабайт». Для наглядности: это сотни фильмов в качестве UltraHD (даже не FullHD), записанных на крошечном носителе размером с рублевую монету!
Перспективы у мемристорных технологий самые радужные. Сам Стэнли Уильямс считает, что мы находимся на пороге революции, результатом которой станет полная смена архитектуры компьютеров и отказ от иерархической модели памяти (оперативной и долговременной). При построении запоминающего устройства один мемристор заменяет более десятка транзисторов триггерной памяти, так что выигрыш по габаритам и потреблению энергии (соответственно, и ее выделению в виде тепла) будет ошеломляющим. Возможным становится вытеснение транзисторов из микроэлектронной схемотехники и построение самообучающихся нейронных сетей. А там уже можно будет всерьез задуматься об искусственном интеллекте в его классическом понимании.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.