Ким
я могу что надо, то и могу
Ты дурак, если не восходил на Фудзияму. Но если ты был на ней дважды, ты дурак вдвойне (японская пословица)
Ким Александров
Все записи
текст

Счет на петабайты

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!»
Счет на петабайты
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.

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.

High-Tech

Машины и Механизмы
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен
Всего 0 комментариев
Комментарии

Рекомендуем

Актуальное
В Петербурге пройдёт хакатон по научно-популярной журналистике ScienceMedia В Петербурге пройдёт хакатон по научно-популярной журналистике ScienceMedia
Санкт-Петербург, Университет ИТМО 14-16 ноября 2019 года
Конкурс детских книг с иллюстрациями Конкурс детских книг с иллюстрациями
Весь мир Дедлайн – 14 февраля 2020 года
Фотоконкурс «Наука о жизни» Фотоконкурс «Наука о жизни»
Весь мир Дедлайн – 31 января 2020 года
Международная академия аутоиммунитета Международная академия аутоиммунитета
Санкт-Петербург, СПбГУ 11 октября
Студенческая олимпиада по робототехнике Студенческая олимпиада по робототехнике
Санкт-Петербург, СПбПУ 26 октября
Географический диктант Географический диктант
Онлайн – весь мир, оффлайн – Россия 27 октября
Стипендия Chevening 2020/21 Стипендия Chevening 2020/21
Весь мир Дедлайн – 5 ноября
Петросити
Поэма здоровья
Биосфера
Бесконтактная примерка обуви
OK OK OK OK OK OK OK