Nauka

Przełomowy polski pomysł na pamięć

Polscy naukowcy opracowali rewolucyjną technologię zapisu i odczytu danych. Nowe pamięci mają szanse być tysiąc razy szybsze niż stosowane obecnie.

Autor: Marcin Bójko

Pamięć magnetyczna w komputerach wykorzystywana jest od bardzo dawna. Przez wiele lat co do zasady działania nie zmieniła się – głowica zapisująco-odczytująca przesuwała się nad nośnikiem zmieniając polaryzację domen magnetycznych, co pozwalało kodować zera i jedynki tak potrzebne komputerom do pracy. Z czasem zmieniały się tylko detale – rodzaje nośnika magnetycznego, sposób prowadzenia głowic, poprawiano prędkość zapisu, metody odczytu i gęstość upakowania danych. Ale zasada zawsze była taka sama – zapis potrzebował mechanicznej asysty, a gdzieś po drodze dochodziło do zamiany energii elektrycznej na magnetyczną.

Pierwszy przełom stanowią pamięci magnetorezystywne, czasem zwane MRAM, które nie potrzebują elementów mechanicznych, a prędkością konkurują nie z twardymi dyskami czy pamięciami Flash, a z modułami DDR. W istocie na rynku można już kupić moduły pamięci MRAM z interfejsem DDR, pasujące do dostępnych na rynku kontrolerów. Ogromną zaletą MRAM jest to, że są nieulotne. Wadą, że do zapisu danych wykorzystują prąd, a ten ma paskudną właściwość: nie da się tanio uzyskiwać dużych prędkości zapisu. Obecne nanosekundy to w zasadzie wszystko na co stać moduły pamięci. Dziś to jeszcze starcza, ale trudno mówić o technologiach jutra.

Dodatkową wadą pamięci MRAM jest ich wysoka cena – to frycowe, jakie płaci się za nowinkę technologiczną. Nic dziwnego, tak jest ze wszystkimi technologiami informatycznymi. MRAM jest droższy od pamięci DDR, a co za tym idzie wielokrotnie droższy od dysków twardych.

Największą bolączką zarówno dysków twardych, jak i pamięci MRAM jest to, że zbliżają się do granic możliwości wyznaczonych przez fizykę, a w obu przypadkach problemem jest ciepło wydzielane podczas operacji zapisu danych. W przypadku dysków lada moment pojawią się urządzenia wykorzystujące technologię HAMR polegającą na podgrzewaniu talerza dysku tuż przed zapisem, a w przypadku pamięci MRAM ciepło wydziela się, ponieważ do zapisu potrzebne jest silne pole elektryczne. To wymusza konieczność puszczenia dużego prądu, a duży prąd to dużo ciepła.

Wizualizacja toru optycznego w układzie eksperymentalnym na Wydziale Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku.
Wizualizacja toru optycznego w układzie eksperymentalnym na Wydziale Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku.

 

Genialna idea zrodzona w Białymstoku

W środę 18 stycznia w tygodniku „Nature” ukazał się artykuł sygnowany przez zespół uczonych, w którym znajdziemy dwóch naukowców z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku – Andrzeja Stupakiewicza i Krzysztofa Szerenosa (są liderami tego projektu). Już sam ten fakt zasługuje na uwagę, bo nie często nasi naukowcy przebijają się na łamy „Nature”. Dodatkowo warto przyjrzeć się bliżej ich osiągnięciom opisywanym w pracy „Ultraszybki zimny zapis fotomagnetyczny w przeźroczystym medium”. To, co udało im się pokazać, to kompletnie nowatorska metoda zapisu danych na nośniku magnetycznym. Nowatorska, bowiem nie wykorzystuje pola magnetycznego, a światło, które ma sporo zalet z punktu widzenia elektroniki, a jedną z nich jest możliwość generowania bardzo krótkich impulsów. O ile w przypadku prądu elektrycznego trudno go przełączać w czasie krótszym niż nanosekundy, o tyle światło bez większego problemu można włączać i wyłączać w milion razy krótszych odstępach czasu – femtosekundach.

Mgr Krzysztof Szerenos i dr hab. Andrzej Stupakiewicz, pracownicy Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku (Zakład Fizyki Magnetyków). (fot. Uniwersytet w Białymstoku)
Mgr Krzysztof Szerenos i dr hab. Andrzej Stupakiewicz, pracownicy Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku (Zakład Fizyki Magnetyków).

Naukowcy z Białegostoku skupili się na magnetyczno-optycznych właściwościach minerału popularnie zwanego granatem. Kierunek polaryzacji światła przechodzącego przez warstwę kryształu zależy od kierunku domen magnetycznych. Naukowcy spreparowali więc najpierw kawałek granatu, umieszczając go w bardzo silnym polu magnetycznym, przez co uporządkowali kierunki domen. W strukturze kryształu umieścili jony kobaltu, które pochłaniają światło podczerwone. Za pomocą odpowiednio dobranego lasera pobudzali jony kobaltu, które wymuszały zmianę orientacji w domenach magnetycznych, a tym samym zmieniały kierunek polaryzacji światła i w ten sposób uzyskali trwały zapis.

Najważniejsze były dwa czynniki – bardzo niska energia potrzebna do zmiany orientacji pola magnetycznego i czas potrzebny na dokonanie zmiany. Energia wynosi sześć dżuli na centymetr sześcienny. To tyle, ile potrzeba do podniesienia temperatury 1 cm sześciennego wody o około 1,5 stopnia Celsjusza – słowem tyle co nic. Zapis nie wymaga specjalnego chłodzenia – takie ilości ciepła bez trudu uciekają. Co ważniejsze, zapis odbywał się w normalnej temperaturze pokojowej. Drugi bardzo ważny czynnik to czas potrzebny na zapisanie danych wynoszący ledwie 20 pikosekund, czyli jakieś 2 – 3 tysiące razy mniej niż potrzeba do zapisania danych w komórce pamięci RAM, nie mówiąc już o pamięciach flash, czy dyskach twardych. Słowem: ewentualne pamięci zbudowane na bazie opisanego zjawiska mają szanse być tysiąc razy szybsze niż obecnie stosowane rozwiązanie, jest więc o co walczyć.

Zdjęcie warstwy granatu.
Warstwa granatu.

 

Już za pięć lat?

Andrzej Stupakiewicz deklaruje, że w ciągu pięciu lat będzie w stanie zbudować prototyp pamięci, choć na razie jest bardzo oszczędny w szczegółach ze względu na procedurę patentową. Pomysł jest nowatorski, bo dotychczas nikomu nie przyszło do głowy wykorzystywać własności fotomagnetyczne materiałów przeźroczystych. W Holandii opisano podobne zjawisko w metalach, ale one pochłaniały zbyt dużo światła lasera i nagrzewały się znacznie bardziej. Poza tym metale pozwalają jedynie na zapis płaski, a w przeźroczystych materiałach można ułożyć wiele warstw z danymi, bowiem kryształy granatu bardzo dobrze przepuszczają światło.

W metodzie opisanej przez białostockich fizyków ważny jest również fakt, że zapis i odczyt odbywa się wyłącznie za pomocą światła, co bardzo upraszcza konstrukcję pamięci.

Z pewnością nowe technologie przechowywania danych są i będą nam potrzebne jeszcze przez wiele lat. Czy rewolucja w tej dziedzinie rozpocznie się w Białymstoku?

 

Ilustracja główna: Demonstracja zimnego ultraszybkiego zapisu fotomagnetycznego w przezroczystej warstwie dielektrycznego granatu YIG:Co przy wykorzystaniu pojedynczego ultraszybkiego impulsu laserowego. Zmiana polaryzacji impulsu pozwala zapisać jasne i ciemne obszary odpowiadające przełączeniu magnetyzacji między ‘0’ lub ‘1’.

Źródło ilustracji: Wydział Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku.

Share This Article

Related Topics

Innowacje techniczne Nauka

Read This Next

Read Full Story