IBM demonstrerer lagring av data i individuelle atomer

Learn about the Quantum D-Wave - Now in 15 Languages (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

IBM demonstrerer lagring av data i individuelle atomer


Teknologi giganten IBM har klart å lagre data i et atom ved hjelp av magnetisme. Hva påvirker en slik demonstrasjon av datatetthet og påvirker den videre utviklingen av mindre elektronikk?

Minnestørrelse gjennom tidene

Vi vet alle Moores lov: Antall transistorer som passer på silisiumskiver dobler omtrent hver 18. måned. Lagringsmedier har også økt deres kapasitet takket være bruken av silisiumteknologi. Før transistoren, besto minne som finnes i datamaskiner typisk av magnetiske trommemaskiner, kvikksølvforsinkelseslinjer og stansede kortsystemer.

Magnetisk trommeminnet var en populær metode for lagring. Bilde med lov av Gregg Tavares (DSC02813) (CC BY 2.0)

Som integrerte kretser laget sin debut på 1960-tallet, ble minnet også stadig mer elektronisk av natur med en eventuell introduksjon av RAM, flip-flops (SRAM) og diskstasjoner. De første harddiskene som ble produsert av IBM, kunne holde 3, 75 MB, som besto av 50 24-tommers tallerkener. Den første DRAM-brikken, produsert av Intel, kunne holde 1 KB med informasjon ved hjelp av PMOS logikk.

Begrensningen av minnet i løpet av denne tiden var produksjonsprosesser, men siden vi fortsetter å skape enheter på nanoskala, begynner kvanteverdenen å presentere ekte utfordringer for halvlederprodusenter.

Mange teknologiske sprang i minnet har vært et resultat av arbeid gjort av IBM. Nå har de igjen oppnådd en ny milepæl i minneoppbevaring ved å lagre en enkelt bit i ett atom pålitelig.

Oppnå single-atom lagring

IBM har alltid presset grensene for teknologi. IBM har oppfunnet mange teknologier, alt fra skanningelektronmikroskop til minibank.

Denne gangen har de imidlertid gått for den minste minneslagringsenheten ved å lagre et binært tall i et enkelt atom. Forskerne fra IBM startet med et uvanlig element, holmium, som atom som ville lagre bit og deretter plassert holmiumatomet på toppen av en seng av magnesiumoksid.

Når holmium sitter på magnesiumoksid, utviser det en egenskap som kalles magnetisk bistabilitet. Dette betyr i hovedsak at atomet kan være i ett av to forskjellige spinn og er stabilt i en av disse tilstandene (slik at atomer ikke vil miste denne spinningen når de er satt). Bistabilitetsegenskapen til denne konfigurasjonen skyldes de mange uparbeide elektronene som finnes i holmium som gir et sterkt magnetfelt (en svært viktig egenskap ved magnetisk datalagring).

IBMs enkeltatom lagringsenhet (Ho). Image kreditt av IBM Research og Fabian D. Natterer et al. /Nature

Den første oppgaven for forskerne var å registrere informasjon til holmiumatomet. Dette ble gjort ved å bruke et spenningspotensial på 150mV og 10 mikroamper av strøm. Denne pulsen av strøm genererer et sterkt magnetfelt og tvinger atomspinnet til å ligge opp med det genererte feltet.

Den andre oppgaven var å lese disse dataene ved å bruke den samme skanneelektron-proben, men denne gangen satt potensialet til 75mV. Den lavere spenningen er ønskelig da den forhindrer dannelsen av et sterkt magnetfelt som ellers ville ødelegge den lagrede informasjonen. Som det viser seg, har holmiumkonfigurasjonen to forskjellige motstander når de er i to magnetiske tilstander. Disse korresponderer direkte med lagret bit.

Den siste oppgaven var å bevise at atomet var ved å endre atomets magnetiske tilstand som ble gjort ved å plassere et jernatom i nærheten. Jern ble brukt som det er ferromagnetisk og derfor følsomt for magnetiske forandringer.

Resultatet var at jernet oppførte seg annerledes avhengig av holmiumets magnetiske tilstand. Dette viste at holmiumatomet faktisk kan lagre en enkeltbit i bare ett atom.

IBM-forskere brukte et elektronmikroskop som ligner det som brukes til å lage denne atomskalaen. Bilde av IBM Research

Utfordringer for å bringe Single-Atom Memory Mainstream

Så IBM-forskere har vist at informasjon kan lagres på ett atom. Men hva med potensialet for å øke datatettheten? Hva med de angivelig store minnesenhetene som kan gjøres med denne teknologien?

Vel, konseptet av all verdens musikk på en enkelt holmium datalagringsenhet kan være mer science fiction og fakta.

Kunne dette individuelle atomet muliggjøre større minneoppbevaring? Bildekreditt av IBM

IBM har i hovedsak bevist at et atom kan lagre en enkelt bit av informasjon. Utstyret og forholdene som trengs for å få dette til å skje, finnes imidlertid bare i laboratorier med elektronskanningsmikroskoper og flytende nitrogenkjøling.

Selvfølgelig kan det være en måte å lage en mikrostruktur i silisium eller noe annet materiale for å teste individuelle atomer. Dette er ikke en enkel løsning, men noe materiale vil uunngåelig komme med en rekke andre komplikasjoner, akkurat som nye halvledermaterialer står overfor sine egne unike utfordringer.

Hvor mye støtte maskinvare vil et individuelt atom trenger? Det kan vise seg at hver minnesenhet trenger en krets for å lese og skrive informasjon. Dette kan potensielt stole på dagens teknologi, men de resulterende minnenehetene er kanskje ikke så mye mindre enn DRAM, bygget ved hjelp av 1nm-funksjoner.

I tillegg kan kvanteffekter utgjøre et reelt problem med pålitelighet, da slike småfunksjoner er utsatt for fenomener i kvantfysikk som elektron tunneling.

IBM Researchs Dr. Christopher Lutz. Bilde av IBM Research - Almaden via IBM

Men ikke alt er doom og dyster. Denne teknologien kan være "oppskalert" for å lage magnetiske minnesenheter som er hundrevis av atomer i størrelse. Når på denne skalaen, kan produksjonsprosesser lettere takle produksjonsutfordringene, og kan være i stand til å produsere verdens første magnetiske nanostørrelse med høy tetthet.

Slike teknologier kan overskride egenskapene til solid state-stasjoner på to fronter: For det første kan minnestørrelsene som tilbys, potensielt være mye større enn det som er tilgjengelig nå. For det andre vil minnet være ikke-destruktivt (i motsetning til FLASH) og gir derfor bedre lese- / skrive-sykluser.

Sammendrag

IBM har en vane med å gjøre noen imponerende fremskritt innen elektronikk og databehandling, og dette enkeltminnet minne er et klart eksempel. Vil det ta av? Hvem vet. Vil det erstatte moderne minne? Sannsynligvis ikke for de neste par tiårene, men mange følte på samme måte om transistorer! (For det første var både produsenter og forskere skeptiske til å bruke de trebente enhetene, men nå er de nesten umulige å gjemme seg fra.)

For nå vet vi at enkelt atommagnetisk lagring er mulig og kan være en løsning for fremtidige generasjoner.