存儲百倍提升! IBM納米技術1比特12原子

存儲百倍提升! IBM納米技術1比特12原子

葉子 發表於 2012-01-16 09:30:42

 

　　提到存儲，比特(bit)是最小的單位，然而一比特需要多少個原子呢?最近IBM的研究人員用納米技術詮釋了這一概念，存儲一比特信息僅需12個原子。該項技術能大大提升了存儲的密度，相比於現在的硬碟，同單位面積能夠存儲的信息量有百倍以上的提升。集成電路的電晶體隨著摩爾定律越來越密集，在電晶體大小越來越達到的物理極限的形勢下，迫使人們尋求新的技術，才能將性能進一步提升。一比特僅需12各原子，存儲性能達到如今硬碟的百倍以上，在資訊時代下大數據的趨勢中無疑將發揮重要的作用。

　　

 

　　一比特僅需12原子

　　比特是計算機信息單元的基本單位，一比特有兩個值：0和1。IBM採用鐵原子磁矩的方向組合來存儲計算機語言中的0和1，也許大家會說了，為什麼不直接用鐵原子的磁矩方向代表0和1呢?這樣只需一個原子就可存儲1比特的信息，何須12個原子?

　　

 

　　一比特僅需12原子

　　這裡的問題是，相鄰的鐵原子磁矩會互相干擾，相信大家都玩過磁鐵，兩塊磁鐵相互靠近時，會有相互作用，或是排斥或是吸引。微觀世界中的原子磁矩也是如此。因此才需要找到穩定的鐵原子磁矩的方向組合來存儲計算機語言中的0和1。

　　

 

　　一比特僅需12原子

　　比特這一計算機信息最小單位，需要多少個原子呢?有些資料顯示，如今的硬碟雖然已經能達到單個TB級的容量，但是存儲1比特的信息也要百萬個原子。

　　

 

　　12個鐵原子微觀示意圖

　　IBM通過使用掃描隧道顯微鏡(STM)將12個反磁性關聯原子組合在一起，存儲一個比特的數據，並在低溫下維持了幾個小時之久，證明代表0或1的原子磁矩穩定組合的原子數可以遠比之前想像少得多。存儲密度能夠達到當今機械硬碟或是固態硬碟的百倍以上。>>

　　IBM加州阿爾馬登研究院原子存儲首席研究員Andreas Heinrich說到：「晶片產業會繼續追求半導體技術的進步，但隨著原件的縮小，終究會到達不可迴避的終點：原子。我們反其道而行之，直接從單個原子這一最小單元入手，利用一個一個的原子去搭建計算設備。」

　　

 

　　原子磁矩存儲示意圖

　　IBM的研究人員利用原子磁矩存儲技術，通過不同的磁矩組合代表0和1，存儲了「THINK」五個字母的ASCII碼。

　　

 

　　原子磁矩存儲THINK

　　有點眼熟吧，IBM有過類似的手法，也許大家對下面這張IBM的圖會比較熟悉，當時IBM首次實現操控原子，擺出了IBM字母。現在IBM實現原子級別上的存儲技術，存儲的信息是THINK這一單詞，由當初的公司名稱IBM，換成了IBM的百年來的公司文化理念THINK。

　　

 

　　IBM

　　從數據存儲的最小單元比特著手，尋求到一比特僅需要12個原子，IBM發現磁性存儲的密度至少可以達到機械硬碟、固態硬碟的100倍。

　　

 

　　存儲性能百倍提升

　　利用納米技術還可以操縱單個原子，形成所謂的反鐵磁性(antiferromagnetism)，能讓人們在同樣的空間內塞下100多倍的信息。也就是說，利用原子磁矩存儲技術，現如今的1TB硬碟，能夠提升到100T的容量。>>

　　在集成電路的電晶體數目的規律上，業界有一個著名的摩爾定律。摩爾定律指出，當價格不變時，集成電路上可容納的電晶體數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。該定律是由英特爾創始人之一摩爾提出，這些年來一直與晶片的發展相符。

　　

 

　　矽晶元

　　然而隨著集成電路上的電晶體密度越來越大，其在密度上得增加就越來越困難。摩爾定律勢必將電晶體的大小帶到了一個物理上的極限。

　　

 

　　intel納米技術發展

　　作為集成電路的代表CPU晶片，其製程由早先的130nm、到65nm、45nm、22nm以及之後的14nm，矽電晶體的尺寸越來越接近物理的極限。

　　為了進一步提升CPU、內存等晶片的性能，科學家們想到了結構和技術上的方法。在晶片結構上，3D晶片成為眾多企業追逐的領域。而在技術上，碳納米管、PCM相變存儲以及現如今的原子磁矩存儲技術，也為晶片性能的提升展示一個美好的前景。

　　

 

　　晶片「摩天大樓」

　　2011年10月中旬，相關媒體報導，IBM與3M公司推出摩天大樓的處理器晶片，通過一種特殊的矽膠粘合劑將晶片組合在一起，成為晶片「摩天大樓」。IBM和3M宣稱，這種摩天大樓的微處理器能比普通的處理器性能提升1000倍。

　　

 

　　Hybrid Memory Cube(HMC)

　　不僅是CPU追求3D，內存也是一樣，IBM和美光公司Hybrid Memory Cube(HMC)項目就是很好的例子。兩家公司表示新型3D晶片的內存所需能源和空間較少，並且每秒能傳輸128G左右的數據，這一速度比目前的內存晶片快十倍左右。這種3D晶片的內存產品預計於2012年下半年出貨。>>

　　新型的存儲技術也是各廠商提高晶片性能所追逐的領域，在HMC項目上同樣與美光公司有合作的三星，在新型PCM相變存儲領域的研究也試圖和IBM一較高下，PCM作為下一代存儲的熱門領域，有望取代目前普遍應用的快閃記憶體。去年7月份IBM展示的90nm製程工藝的PCM晶片，比快閃記憶體快約100倍。而近日三星宣布將在明年發布的8G相變存儲晶片，製程工藝則更進一步達到20nm。

　　

 

　　PCM原理

　　據了解，三星公司將在今年年2月舉行的2012年國際固態電路會議(ISSCC)上發布20nm的PCM相變存儲晶片元件，相比於去年2月發布的PCM晶片，製程工藝從58nm提升到了20nm，而且大小從1G增大到8G。

　　

 

　　ISSCC 2012

　　作為晶片設計界的「奧運會」，ISSCC大會往往匯集了晶片設計的最前沿科技，2012年的ISSCC將在2月19日至23日在舊金山舉行，本次大會收錄的202篇論文中，亞洲地區佔了73篇(36%)，美洲佔了68篇(34%)，這也是ISSCC大會舉辦59屆以來，來自亞洲的論文數量首次超過美洲。本次ISSCC 2012的會議主題是「Silicon Systems for Sustainability(以可持續性為目標的矽系統)」。CPU內存等晶片都屬於這一範疇。

　　ISSCC 2012主題是「以可持續性為目標的矽系統」，現在的集成電路大多是基於矽電晶體，矽電晶體在尺寸上達到極限時，尋找另外一種材料突破矽晶極限也頗為重要。前些日子英特爾宣布14nm的矽晶體晶片已經在實驗中開始測試，而IBM研製的新型電晶體比10nm還要小，採用的是碳納米材料。

　　

 

　　碳納米材料結構

　　在IEEE的一個電子設備會議上，IBM的科學家向世界展示了全球第一個小於10nm的電晶體，與目前一般的矽電晶體不同的是，其採用的是碳納米材料。相比之下英特爾14nm的矽電晶體在尺寸上就相形見絀了。

　　存儲上，IBM則是推行原子水平的磁矩存儲技術，相比於目前的存儲技術，IBM的原子磁矩存儲技術有上百倍的提升。

　　

 

　　電晶體尺寸達到物理極限是個必然，就像世界能源從當初的煤、再到後來的石油、以及現在的天然氣，有人分析稱每一個能源在達到極限時，必然會有另外一種替代品。同樣，隨著人類的探索與科技的不斷進步，新技術勢必取代如今的集成電路中的技術。

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