今天世界与十年前截然不同，这要归功于我们能够轻松访问海量信息。我们认为理所当然的工具——社交网络、互联网搜索引擎、具有点对点方向的在线地图以及歌曲、电影、书籍和照片的在线图书馆——在几年前还无法使用。信息时代的到来归功于高速通信、数据处理以及——也许是最重要但最不被欣赏的——数字数据存储方面非凡技术的快速发展。
然而，每种类型的数据存储都有其致命弱点，这就是为什么计算机使用多种类型用于不同目的的原因。当今大多数数字数据，例如构成互联网的信息，都驻留在大量的磁性硬盘驱动器 (HDD) 以及个人计算机的 HDD 中。然而，这些驱动器及其旋转磁盘和移动读/写头既不可靠又速度慢。由于所谓的磁头碰撞而导致的数据丢失相对频繁地发生。关于速度，读取某些请求数据的第一个位可能需要长达 10 毫秒。在计算机中，10 毫秒是漫长的时间——现代处理器在那段时间内可以执行 2000 万次操作。
这就是为什么计算机使用第二种类型的存储，即固态存储器，用于其计算操作。固态存储器以极快的速度读取和写入数据，从而实现快速处理。高性能版本，例如静态和动态随机存取存储器（分别为 SRAM 和 DRAM），使用晶体管和电容器的电子状态来存储数据位。然而，当计算机断电或崩溃时，这些芯片会丢失其数据。
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少数计算机使用非易失性芯片（在断电时保留数据）作为固态驱动器来代替 HDD。现在无处不在的智能手机和其他手持设备也使用非易失性存储器，但成本和性能之间存在权衡。最便宜的非易失性存储器是一种称为闪存的存储器，除其他用途外，它是有些人挂在钥匙圈上的小型闪存驱动器的基础。然而，与其他存储芯片相比，闪存速度慢且不可靠。每次高压脉冲（名称中的“闪光”）写入存储单元时，单元都会损坏；可能仅在 10,000 次写入操作后就变得无法使用。然而，由于其低成本，闪存已成为一种主要的存储技术，特别是对于数据不会经常更改的应用。
因此，计算世界正在呼唤一种具有高数据密度、同时又廉价、快速、可靠且非易失性的存储芯片。有了这样的存储器，计算设备将变得更加简单、更小、更可靠、更快且更节能。世界各地的研究小组正在研究几种方法来满足这一需求，包括基于称为忆阻器的新型电子元件的系统 [参见数字版（此处链接）] 和其他利用自旋电子学的系统，其中电子的自旋或磁性起着关键作用 [参见“自旋电子学”，作者：David D. Awschalom、Michael E. Flatté 和 Nitin Samarth；《大众科学》，2002 年 6 月]。
答案可能在于一种新型的自旋电子芯片，称为跑道存储器 (RM)，这是我在 2002 年提出的。RM 将数据位存储为纳米线（“跑道”）上的磁化区域。这些磁化区域与 HDD 上的磁化区域一样是非易失性和可重写的，但该芯片不需要大于电子的移动部件来读取和写入位，从而提高了速度和可靠性。位本身沿着它们的跑道快速移动，经过位于导线旁边的固定位置的读/写头。
此外，这些导线可以构建为垂直柱，像硅芯片上的森林一样升起。这种设计打破了二维数据存储（例如 HDD 和目前销售的所有存储芯片）固有的限制，从而实现了非常大的数据密度。我相信三维跑道存储器将是保持信息存储技术沿着快车道加速前进，进入尚未想象的数据密集型应用的未来的正确载体。
磁盘驱动器的缺点
自 1950 年代问世以来，HDD 的基本结构一直没有改变，尽管各个组件的技术发生了巨大变化，特别是缩小了许多数量级。 HDD 将数据存储为高度抛光玻璃盘表面上的超薄磁性材料涂层中微小区域的磁化方向。磁盘在移动臂上的记录头下高速旋转（目前销售的计算机中通常为每分钟 7,200 转），该记录头读取和写入磁位。
在早期几十年，HDD 是冰箱大小的设备，每个存储位的成本非常高。磁盘技术的品质因数是其面密度：每单位磁表面可靠存储的数据位数。起初，磁盘盘片的面密度每年仅提高约 25%，但从 1980 年代后期开始，HDD 迅速转变为更紧凑和更大容量的机器。
这种演变的一个重要里程碑是开发了利用自旋电子学或我喜欢称之为自旋工程材料的读取头。我在 1988 年至 1991 年期间对由多个磁性纳米层构成的材料的基本特性的研究导致了自旋阀磁阻传感器的开发。该传感器通过其电阻的变化来检测微小的磁场，并且在其发明时，它是环境温度下此类场的最灵敏探测器。
自旋阀传感器在 HDD 读写头中的首次使用是在 1997 年 IBM 的 Deskstar 16GP “Titan” 中。在五年内，HDD 存储容量增加了 1000 倍，这是 HDD 半个世纪历史中最快的进步。今天，一个月内制造的所有 HDD 的总存储容量超过 200 EB，即 2 X 1020 字节——足以存储世界上所有现存的模拟数据，即纸张、胶片和录像带上的所有数据。
自旋阀传感器是第一个自旋电子纳米器件，了解一些自旋电子学对于理解 RM 的工作原理至关重要。自旋是电子的基本量子属性。想象一下，每个电子都是一个微小的旋转带电球，其磁场沿着自旋轴指向。环境磁场中电子的自旋轴与磁场平行或反平行排列。据说相对于局部磁场，它具有“自旋向上”或“自旋向下”。
当电子穿过磁化金属时，自旋向上电子更容易移动，从而产生自旋极化电流或自旋电流——其中大多数移动电子都携带特定的自旋。相比之下，普通电流（例如沿着铜线传播的电流）涉及自旋在所有方向上随机指向的电子。坡莫合金是一种强磁性镍铁合金，可以在电流中产生高达 90% 的自旋极化。
自旋阀传感器由纳米三明治构成，即两层磁性层之间的非磁性金属层。第一层磁性层在特定方向上自旋极化电流。第二层磁性层来回改变其磁性，以匹配来自每个经过的磁畴的磁场，这些磁畴代表磁盘上的 0 或 1。当传感器的两层磁性层平行时，自旋极化电流相对容易地流过。当各层反平行时，极化电子受到阻碍。器件电阻的变化被称为巨磁阻，这种现象是巴黎第十一大学的 Albert Fert 小组和德国于利希研究中心的 Peter Grünberg 小组于 1988 年独立发现的。巨磁阻使读写头能够检测到弱得多的磁场，这反过来又使得磁盘上的磁畴可以更小、更紧密地排列。
然而，自旋阀传感器的时代持续了不超过十年。一种更新的自旋电子技术，称为磁隧道结，已经取代了当今制造的 HDD 中的自旋阀传感器。磁隧道结利用称为隧道磁阻效应来实现比自旋阀器件更高的对小磁场的灵敏度 [参见 “磁场纳米传感器”，作者：Stuart A. Solin；《大众科学》，2004 年 7 月]。
尽管自旋电子读写头已经使 HDD 的存储容量大幅增加，并将数据存储成本降至每千兆字节约 10 美分，但 HDD 的旋转磁盘和移动读写头的基本机械特性仍然存在，导致两个主要缺陷。首先，当记录头意外撞击磁性层时，会发生磁头碰撞，从而损坏磁性层，并可能导致 HDD 中所有数据丢失。其次，以 7,200 rpm 的速度旋转玻璃盘需要大量能量，即使以这样的速度，将磁盘旋转到感兴趣的数据所需的时间也比从易失性存储器访问数据的时间长数百万倍。因此，对于许多非常普通的应用，例如记录银行账户的交易，HDD 的效率非常低——每笔交易可能只涉及少量数据，但旋转磁盘并将写入头移动到正确位置需要时间，并且必须制作备份副本以防磁头碰撞。
存储器的持久性
近年来，研究人员投入了大量时间和精力来开发可能结合 HDD 和硅芯片的优点，同时避免所有缺点的非易失性存储器类型。例如，在 1995 年，我和我在 IBM 的同事提议构建一种基于磁隧道结的自旋电子存储器。数据存储在磁隧道结的磁态中，并且可以使用器件的隧道磁阻来读取数据。这些磁性随机存取存储器或 MRAM 于 2006 年由摩托罗拉的衍生公司飞思卡尔半导体开始销售。
许多其他提出的存储设备都涉及电阻因某种原因而发生变化的组件。然而，所有这些设备都需要一个与每个电阻存储元件串联连接的晶体管，以访问每个选定的位。晶体管尺寸在很大程度上决定了存储器的成本。尽管取得了巨大的进步，但最便宜的固态存储器闪存仍然比 HDD 每个位的价格贵 20 到 100 倍。
HDD 和各种类型的固态存储器在成本和性能方面的权衡意味着构建使用多种不同技术来存储数字数据的计算机是有意义的。因此，易失性 RAM 保存程序正在使用的活动数据，而 HDD 用作不适合 RAM 的多余数据的临时存储，以及计算机关闭或崩溃时的文件和程序的长期存储。非易失性和只读存储器也用于特殊目的。
这种技术的组合使计算机和相关设备比它们需要的更复杂和笨重，并且也更加耗能。一种具有 HDD 的非易失性和低成本，以及传统固态存储器的快速读取和写入以及高可靠性的存储设备将是一项改变游戏规则的技术。我的 RM 设计可以成为这种设备。
每个跑道都由一根由磁性材料（如坡莫合金）制成的纳米线组成。跑道将位存储为沿其长度方向排列的一系列磁化畴。磁畴可以沿导线的一个方向指向以表示 0，而沿另一个方向指向以表示 1。与 HDD 一样，当电源关闭时，这些磁畴保持其状态。
然而，与 HDD 不同，磁介质永远不必移动。相反，位本身沿着它们的跑道来回移动，沿途经过纳米级的读写头。因此，每个跑道中的数百个位只需要几个晶体管，而不是像传统固态存储器设计中那样每个位都需要一个晶体管。
这种通过介质移动磁数据而不是移动介质本身的想法在某些方面是一个古老的想法。磁泡存储器在 1970 年代盛行一时，也涉及小磁畴（“磁泡”）的运动，但磁盘驱动器和固态存储器通过不断缩小尺寸和提高速度而超越了它。磁泡由复杂的磁场系统移动。 RM 使用更简单的自旋电子动力。
移动磁畴的关键是磁畴壁，它存在于两个磁化方向不同的磁畴相遇的任何地方。在 RM 纳米线中，磁畴壁存在于任何 0 旁边是 1 的地方。移动磁畴壁的常用方法是施加磁场。每个磁畴中的磁化实际上是由于磁畴中的原子具有对齐的各自磁性而产生的。在与其中一个磁畴对齐的足够强的外部场中，磁畴壁处的反平行原子倾向于翻转以与施加的场对齐——因此壁的位置会发生移动。不幸的是，此过程不会沿着纳米线移动数据位。考虑一个位于一对 1 之间的 0，施加的磁场指向 1 方向。两个磁畴壁将移动以增加 1 磁畴的大小，最终完全消除 0。
沿着跑道均匀移动磁畴壁的自旋电子技巧就像沿着纳米线发送电流一样简单。再次考虑 1-0-1 磁畴排列。流过第一个 1 磁畴的电子将通过其自身的磁性在 1 方向上对齐进行自旋极化。当每个电子穿过 1-0 磁畴壁时，其磁性将倾向于翻转到 0 方向。但电子的磁性与其自旋有关，自旋是角动量的一个量。与能量和普通动量一样，角动量是一个守恒量。为了使电子从 1 翻转到 0，必须有其他东西从 0 翻转到 1，而其他东西就是磁畴壁 0 侧的原子。当自旋极化电子流过磁畴壁时，它们会一次一个原子地沿着纳米线移动磁畴壁。
现在考虑当这些相同的电子之一到达 0-1 磁畴并穿过它时会发生什么。同样的推理表明，它从 0 翻转回 1，这会将原子从 1 翻转到 0，再次将磁畴壁沿着导线在电子流动的方向上移动少量。由于其两个磁畴壁沿着导线同步移动，因此 0 位本身在不扩展或收缩的情况下移动。到目前为止，我的小组已在实验室中证明，纳秒级的自旋极化电流脉冲确实会导致多达六个磁畴壁沿着磁性纳米线同步移动。磁畴壁可以在一纳秒内移动 150 纳米，从而实现纳秒级的访问时间，比 HDD 快数百万倍，并且与易失性存储器相当。
然而，磁畴壁很容易漂移出位置，这可能是由小的杂散电流或磁场推动，或者是因为控制脉冲的幅度和持续时间不完全正确。可以通过在跑道侧面构建小凹口来避免这种危险，凹口的间距与位的预期大小相同。磁畴壁倾向于固定在这些凹口处，因为当位于凹口处时，它们将具有最小的面积，从而具有最小的能量。微小的杂散电流不足以将磁畴壁从凹口移开，而略有缺陷的控制脉冲仍然可以将磁畴壁从一个凹口移动到下一个凹口，不多也不少。
可能会发生几种不同类型的磁畴壁。所谓的横向壁相对简单，很像您可能根据我的上述描述想象的那种壁。相比之下，涡旋壁具有复杂的、漩涡状的磁化模式，包括其中心的一个小“核”。较小的电流足以移动涡旋壁，因为移动核会拉动整个壁。如果 0 和 1 磁畴垂直于跑道而不是沿着跑道磁化，则只会发生一种相对简单的磁畴壁。原则上，这种磁化方式应该具有优势，因为跑道可以更窄，并且磁畴壁应该需要更少的电流才能移动。
通过将跑道排列成垂直柱森林，在硅晶片表面上方升起，存储器变为三维，与水平设计相比，大大提高了数据存储的密度。相比之下，HDD 和基于硅的微电子存储器（和逻辑）器件本质上都是二维的，许多分析师预测，它们向更小尺寸演进的速度将在短短十年内遇到基本物理问题。
我的小组构建了一些垂直跑道，但我们尚未在同一芯片上集成用于写入或读取磁畴壁的器件。以商业上可行的成本在硅芯片上构建稳健的垂直跑道可能是一个巨大的挑战。我的小组的大部分实验都是在水平放置在硅表面上的纳米线上进行的。这种 RM 模式的存储容量仅与闪存相当，但具有显着的优势：存储器将比闪存快得多，使用的能量更少，并且不会磨损。我们目前正在开发一个原型，该原型将利用我们沿每个跑道移动六个磁畴壁的能力。
RM 面临着来自正在开发的存储级存储器的激烈竞争，这些存储器使用比跑道存储器更传统的方法。研究小组正在竞相将他们选择的方法转变为具有商业可行性的卓越产品。请继续关注，看看哪种技术将在您附近的商店中冲过终点线。
新兴存储器
研究人员正在研究几种新兴技术，以追求存储级存储器，其设计比跑道存储器更传统——将位水平阵列放置在硅晶片上。要实现与垂直 RM 或硬盘驱动器相当的容量，将需要堆叠这些阵列。
电阻式随机存取存储器 (RRAM) 使用可以在两种或多种不同的电阻状态之间切换的材料。许多公司正在研究通过电压脉冲切换的金属氧化物纳米层。研究人员普遍认为，脉冲的电场会在绝缘氧化物中产生导电细丝。惠普实验室计划今年发布基于“忆阻器”的原型芯片，其中迁移的氧原子会改变电阻。
相变 RAM (PRAM) 的存储元件由硫属化物玻璃制成，硫属化物玻璃与可重写 CD 和 DVD 中使用的材料属于同一类。玻璃具有低电阻的晶态和高电阻的非晶态。电流脉冲通过加热硫属化物，然后使其快速或缓慢冷却来设置状态。 2006 年，BAE 系统公司推出了一款 512 KB PRAM，该 PRAM 经过辐射加固，适用于太空应用。英特尔公司和意法半导体的衍生公司 Numonyx 于 2008 年底开始商业销售其 16 MB “Alverstone” 芯片。
自旋扭矩转移 RAM (STT-RAM) 是一种新型磁性 RAM (MRAM)。 MRAM 将数据存储为每个位的磁化方向。纳米级磁场在传统 MRAM 中设置位，但 STT-RAM 使用自旋极化电流，从而实现更小、更节能的位。开发 STT-RAM 的公司包括 EverSpin、Grandis、Hynix、IBM、三星、TDK 和东芝。
注意：本文最初以标题“跑道存储器快车道中的数据”发表。