计算机和存储技术有望进入原子时代

2007-11-19 08:27:16来源: 电子工程专辑

即使今天存储密度最高的硬盘驱动器,要想保存1比特的信息也需要大概100万个磁性原子。而现在,IBM的Almaden研究中心已经验证了一种新方法,能够在一个单独原子上保存1比特信息。

与此同时,IBM位于瑞士的苏黎世研究实验室,也已经成功演示了一个分子开关,用其制成的处理器小到可以使一台超级计算机安装在如同尘埃大小的芯片内。

虽然这两项科技成果走向商用化还需十年或者更长时间,但它们却指明了未来计算机和存储设备的发展方向。它们的出现,将使那些一度被认为仅仅是科幻小说家荒诞梦想的应用得以实现。

“这使我想起了理论物理学家Lawrence Krauss在其畅销书《星球旅行的奥秘》(The Physics of Star Trek)中的看法。Krauss表示,即使在理论上可行,我们也无法构造远距传物(tele-transporter),因为现在没有办法提供足够的硬盘存储空间,来缓存将某人发送到某处进行数字化时所产生的不计其数的分子。” Gartner Dataquest半导体研究总监Stephan Ohr说,“Krauss预计,可能要等到23世纪(即星际探险预计要发生的时间),研究者才会着手开发足够大容量的硬盘。但是,IBM新技术的出现却可能将这一时间缩短到10年。”

让我们回到现实中。IBM的原子级新技术显示,其存储的信息是当前最高容量硬盘的500到1000倍。也就是说,与当前1,500-3,000亿位/平方英寸的密度相比,IBM可以达150万亿位(Tb)/平方英寸。具有这种密度的硬盘可以在iPod尺寸大小的设备上储存30,000部全长电影或YouTube上的全部内容(大约为1Pb)。

在谈及苏黎世实验室展示的分子开关时,IBM称该发现传递了这样一种未来发展的信息——今天的半导体将被小到几乎用显微镜才能看到的分子器件所代替。如此微小的计算机不仅超出了《国际半导体技术发展路线图》(简称ITRS)的规划,而且从严格意义上来说甚至超出了任意CMOS半导体的理论能力。

“自半导体发明以来,我们一直依赖这样一种能力,就是通过缩微尺度提升性能。”IBM Almaden研究中心扫描隧道显微术实验室主管Andreas Heinrich表示,“但是因为电子波长大约是10nm,所以你永远不可能将半导体尺寸缩减到原子大小(大约1埃,即0.1 nm)。如果想在原子级执行计算或数据传输,就必须找到一种替代半导体的方法,而这正是苏黎世实验室着手做的事情——向前跨越一步,为分子大小的电路设计一种能够完全替代硅电路和铜连线的新型构建模块。”

磁各向异性

今天,硬盘驱动器架构依赖新型磁介质,使用了被称为垂直记录技术的新方法。磁各向异性(测度媒体介质储存信息的能力)是下一代垂直记录介质最为重要的参数。

各向异性必须足够高,这样才能使一个位元维持在不确定的稳定状态;但还要足够低,以便硬盘写入头能快速改变其指向(orientation)。

“垂直记录取决于磁晶各向异性,它是垂直记录工作的关键特性,”Heinrich介绍,“即使是在一百万个原子这样的磁畴下,即今天硬盘介质用来存储1比特信息所需的磁原子数,测度磁各向异性也是个高明的方法,它是硬盘研究人员取得的一个主要成就。”

“但是现在,我们已经能够测度单一磁原子的磁各向异性。我们可以准确选定一个原子,测度其磁各向异性,并将另一个原子放在其旁来观测后者如何影响前者。借助这种方法,我们能够了解如何才能开发一种我们期望的具有超高数据存储密度的材料。”

“现在,我们有了全球独一无二的,能够测度单个原子磁各向异性的工具。”他说。

今天的硬盘,其磁畴长约20nm、磁道宽100nm(即2,000nm2),而IBM的磁畴目标则为2x2nm(4nm2)。

“这些还都是保守估计,”Almaden研究中心与Heinrich共事的研究员Cyrus Hirjibeheden介绍,“在计算时,我们的安全裕度为10,因为原子本身的直径大约只有2埃(0.2nm)。”

下一步,这些研究人员计划测度不同类型原子在室温下的磁各向异性(而非目前采用的比绝对零度高半度的低温),试图为商用硬盘寻找一种可在室温下保持稳定的超密材料。

“我们准备接下来寻找一种材料的混合体,即在一个特殊表面上的特殊磁原子。这样的组合有能力稳定保持其磁取向,再加上其具有在两个状态间进行切换的能力,我们就可迅速让其在上(up)下(down)之间进行翻转。”Hirjibeheden介绍,“我们希望能在未来两年内发现这样一种稳定的介质材料。”

该实验室将在一个实际的硬盘读出头上采用上述磁性隧道结,来感测这一先进材料的磁取向,而不是采用在IBM实验室演示中使用的扫描隧道显微镜(STM)。(IBM科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer因发明STM,获得了1986年度的诺贝尔物理学奖。)

“我们的最终目标,是使这些演示走出实验室,转化为可商用的技术。届时,它将涉及大量的基础工程工作,而不再仅仅是实验室进行专门研究所取得的突破。”Hirjibeheden表示。

分子开关如何工作

在此期间,在IBM的苏黎世实验室,一种分子式电子开关也在完全独立于Almaden实验室磁介质工作的情况下面世。苏黎世实验室的研究人员已经发现了一种独特分子,可以在不改变形状的前提下对通过其的数据流进行通(on)/断(off)切换。研究人员表示,这种独特分子所具有的能力赋予其一种潜能,即在不使用半导体材料的前提下,为实际分子大小的电子电路构造模块。

“苏黎世实验室已经发现了一种正好包含50个原子的分子,仅改变两个氢原子(目前已知的最轻原子)在分子中心的位置,它们就能够像开关那样进行切换。”Heinrich介绍,“此举使整个分子结构能够保持不变;它不改变架构的外部轮廓,但却实实在在改变了分子的电子属性,从而使其有可能切换通过的电子数据流的传输。”

苏黎世实验室发现的这种分子被称为萘酞菁(naphthalocyanine),它包括8个苯环,构成类似十字状的碳原子环。其中部有一个空穴,在这里两个氢原子可在两种可能的附着点组合间翻转,使分子在导通和非导通之间切换,而不改变整个分子的外部形态。

“采用萘酞菁作为未来分子大小电路的开关元素,其最大优点在于不会改变形状。”Hirjibeheden表示,“因此,今后很有可能会利用其来构造能够在开关过程中保持结构完整性的工作电路。目前其它的开关分子在工作的时候会改变形状,与它们相比,这种方法可以省去连接导线。”

苏黎世团队采取的下一步动作(该实验室的研究人员估计会在一年内实现),将是在该十字型分子的四个端附着导线,以便通过该器件开关实际(live)信号。


图中所示是两个十字交叉型的分子,每个分子包含50个原子。通过改变分子中心两个氢原子(白色)的位置,它们就能够进行开(左)或关(右)操作。

关键字:芯片  硬盘  密度  传输

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