6 инновационных технологий памяти

В погоне за бесконечной миниатюризацией компьютерного железа мы все ближе подбираемся к уровню отдельных молекул и атомов...



Знаете ли вы, что ваша флешка работает на квантовых эффектах? Что обычный жесткий диск использует результаты нескольких Нобелевских премий по физике?
Пробираясь через дебри сложных научных концепций и идей, Slon выбрал самые перспективные и необычные технологии памяти, над которыми сегодня работают ученые.

Память на ДНК


Область применения: архивное хранение данных

Состояние: proof-of-concept

На чем только люди ни сохраняли информацию со времен вавилонского царя Хаммурапи, который повелел выбить на каменной стеле свой свод законов. От свитков из прессованной речной травы и выделанной кожи ягнят мы постепенно пришли к магнитным лентам и фольгированным дискам. Но не стоит слишком превозносить прогресс – ваш CD не проживет и полувека, а законы Хаммурапи до сих пор там, где были записаны почти 4 тысячелетия назад. Однако в нашем распоряжении все же есть кое-что не менее долговечное, чем каменные стелы, и при этом более емкое. Молекулы ДНК. То, что однажды было записано природой, можно прочесть и для извлеченных из янтаря насекомых, и для останков мамонтов, откопанных из вечной мерзлоты.

Исследователи из Европейского института биоинформатики научились не только читать, но и самостоятельно синтезировать молекулы ДНК с записанной на них информацией. Ученые уже записали в свое биохранилище речь Мартина Лютера Кинга, сонеты Шекспира и прочую полезную информацию. Пока что перспективы этой технологии в равной степени принадлежат как разделу «IT», так и разделу «Юмор». Но все же потенциальная дешевизна средств хранения (а ДНК в избытке содержится в любой биомассе) может когда-нибудь сыграть свою роль. Ведь ни один из современных носителей не хранит информацию дольше нескольких веков.

И, кто знает, погибни завтра наша цивилизация, быть может, именно эпоху Хаммурапи инопланетные археологи сочтут пиком научно-технического прогресса в истории Земли.

Молекулярная память


Область применения: любая

Состояние: лабораторный эксперимент

Как несложно догадаться из названия, в качестве ячейки памяти предполагается использовать одну или несколько молекул. Ноль или единицу в такую память можно написать, ориентировав молекулы в определенном направлении с помощью магнитного поля. Снижение размера ячейки памяти до молекулярных масштабов несет существенные сложности, в частности, отдельные молекулы слишком неустойчивы из-за теплового движения и всю схему приходится сильно охлаждать.

Совсем недавно ученые из MIT осуществили прорыв в этом вопросе, использовав искусственно сконструированные молекулы на основе графена. Впервые в серии подобных экспериментов технология работает при температуре около 0°C. Со свойственным им пренебрежением к бытовым условностям физики называют эту температуру комнатной. Скорее всего, это направление разработок упрется в те же барьеры, что и магниторезистивная память, в конце концов улучшив характеристики последней.

Есть, однако, и другая возможность – использовать не магнитные свойства молекулы, а фотохимические. Некоторые протеины могут изменять свои свойства при воздействии света, в частности – лазерных лучей. Уже разработан механизм хранения и считывания данных, основанный на этом принципе. Время фотохимической трансформации одного белка – порядка 500 фемтосекунд, так что потенциально скорость работы подобной молекулярно-оптической памяти в несколько раз выше, чем у DRAM. Возможно, ученые задумаются о применении этой технологии в оптических компьютерах, раз уж те и так используют лазеры.

Спинтронная память


Область применения: любая

Состояние: лабораторный эксперимент

Нет, это вовсе не запоминание информации посредством спинного мозга, чем грешат некоторые студенты перед сессией. Речь идет о сохранении данных при помощи спинов. Спин – это квантовая характеристика, присущая большинству элементарных частиц и обуславливающая их магнитный момент. Спин нейтрона, протона или электрона может быть равен ½ или -½. Получается полная аналогия с битом машинных данных. Для создания памяти – самой миниатюрной из теоретически возможных – остается сущая чепуха. Надо научиться выставлять спин отдельных частиц, считывать его и вдобавок сделать так, чтобы он не менялся сам по себе из-за теплового движения и прочих эффектов.

Кое-какой прогресс в этой области имеется. При помощи эффекта гигантского магнетосопротивления можно создавать ток с определенной ориентацией спина, а также отфильтровывать электроны со спином, отличным от заданного. Впоследствии успешно прошедшие такой фильтр электроны можно посчитать при помощи, например, электронного насоса на квантовых точках. Эксперименты с контролем спина отдельных частиц пока проходят при весьма экстремальных условиях. Нужна температура около абсолютного нуля и магнитное поле такой силы, что обладатели железных зубов в нем смогут летать, как птицы (сотрудники квантовых лабораторий к таковым обладателям обычно не относятся).

Разумным компромиссом между стремлением к предельной миниатюризации и усложнением оборудования может быть работа с кластерами атомов как более устойчивой единицей. Спиновая ячейка памяти на 12-ти атомах от IBM относится именно к таким полумерам. Тем не менее какого-то реального продукта здесь ждать еще долго – но тем шире поле для мечтателей.

Флешки на квантовых точках


Область применения: портативные устройства хранения

Состояние: лабораторный эксперимент

Флеш-память на квантовых точках, о которых Slon уже писал раньше, призвана решить две основные проблемы флешек – низкую стабильность данных и продолжительное время записи. Ячейка памяти обыкновенной флешки представляет собой «клетку» из диоксида кремния (фактически это горный хрусталь, так что аллюзия выходит довольно романтичной), внутри которой томится взаперти электронный заряд. Из-за квантовых эффектов заряд способен просачиваться через тонкую стенку своей хрустальной темницы, причем как внутрь, так и наружу. В начале прошлого века такие же фокусы проделывал американский иллюзионист Гарри Гудини. В отличие от последнего, стимулом для электронов служат не слава и деньги, а небольшое вспомогательное напряжение.

Со временем тонкая стенка клетки разрушается, из-за чего заряд начинает бесконтрольно утекать и флешка приходит в негодность. Здесь и пришла ученым в голову идея заменить «клетку» «ямой». А внутрь ямы посадить не проводник, а квантовые точки. У ямы нет стенок, которые могли бы разрушиться, поэтому ее долговечность существенно выше. Второе отличие ямы от клетки в том, что в яму легко попасть (но выбраться из них одинаково сложно). Получаются ячейки памяти, в которые легко записать 1 и сложно записать 0. Это экзотическое свойство может приводить к тому, что ваша флешка на квантовых точках будет очень быстро записывать данные и относительно долго удалять. Или, наоборот, долго записывать и быстро удалять. Это как выберут инженеры. В любом случае эта технология позволяет существенно обойти традиционную flash-память в скорости записи и долговечности.

Некоторые даже считают, что возможности тонкой настройки (можно делать память с быстрой перезаписью и малым временем жизни, можно – наоборот) позволят соперничать с DRAM – оперативкой ПК. Однако сегодня скорость доступа на запись у flash против DRAM составляет десятки микросекунд против десятков наносекунд. Так что для подобного оптимизма вряд ли есть основания.

Голографические диски


Область применения: архивное хранение данных

Состояние: прототип продукта

Технология голографической записи стала известна с 1970-х годов и сразу же запала в душу режиссерам фильмов жанра Sci-Fi. В реальной жизни мы встречаем ее куда реже. Запись голограммы производится за счет комбинации двух лазерных лучей, один из которых несет информацию, а другой является вспомогательным, в научной терминологии – опорным. Накладываясь друг на друга, световые волны лазеров создают сложную пространственную картину внутри запоминающего слоя, который обладает фотографической памятью – как карточка Polaroid, только объемная. Для восстановления данных достаточно направить луч опорного лазера на фотографический слой.

Следуя мудрому предписанию Козьмы Пруткова, бросьте на поверхность пруда два камушка и сфотографируйте получившуюся волновую картину. Так вот, при голографической записи происходит то же самое, только не на поверхности воды, а в пространстве. Объемность изображения позволяет записывать на голографические носители в десятки и сотни раз больше информации, чем на лазерные и Blu-ray диски, у которых плоскость записи одна или две. Технических сложностей у такой технологии тоже больше. Основная – подбор надежного полимера для фотографического слоя, почти все они либо распадаются с течением времени, либо вступают в химические реакции.

Несмотря на то, что поиск устойчивого полимера кажется ученым решаемой задачей, компания InPhase Technologies, уже представившая публике прототип записывающего устройства, обанкротилась, так и не выпустив коммерческий продукт.

Магниторезистивная память


Область применения: любая

Состояние: узконишевой продукт

На этот тип памяти, в котором хранение информации определяется намагниченностью отдельных элементов, крупнейшие производители микросхем возлагают большие надежды (и вкладывают в него большие деньги). Предположительно магнитная память, иначе MRAM, обгонит все используемые сегодня типы памяти. Она будет быстрее и стабильнее, чем flash, не потребует постоянного напряжения, как DRAM, и превзойдет SRAM в емкости.

Принцип действия похож на работу жесткого диска – направление намагниченности отдельной ячейки памяти меняет ее сопротивление. Это сопротивление несложно измерить, пропустив через ячейку ток, чтобы таким образом прочесть записанные данные. Но в отличие от жесткого диска, доступ к ячейкам MRAM производится не с помощью головки, а прямой подачей тока, что уменьшает время доступа примерно в миллион раз. Да-да, никакой ошибки нет, именно в миллион! В век квантовой электроники моторы жестких дисков – решение столько же элегантное и удобное, как посылка писем «Почтой России».

Хотя продажи чипов памяти MRAM уже ведутся, их скромные характеристики (максимум емкости коммерческого чипа – 64 Мб) не позволяют говорить о масштабном выходе на рынок. Скорее пока это довольно экзотическое устройство с ограниченным спектром применения. Но учитывая интерес таких компаний, как Toshiba и Samsung, прогресс обещает быть быстрым.