Счет на петабайты

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.

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?

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.