28/11/2014 - Fortschritte in Datenspeichersystemen, effizienter und schnellere Magnetspeicher

Menéame

Forscher der Universität Salamanca haben einen Artikel in der renommierten wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht Scientific Reports die einen Schritt nach vorn für ein Neue Art von Magnetspeichern , Racetrack, die zwar noch in Versuchsphase sind, aber in Zukunft schnellere Computer herstellen könnten, die eine größere Kapazität zur Speicherung von Informationen und Kosten haben als die heutigen.

Der Beitrag der Abteilung für angewandte Physik der akademischen Salmantin-Institution wurde die Einführung von Neuerungen in seinem Design und seine Effizienz durch Computer-Simulationen getestet.

Die GruppeSimulation von Nanostrukturmagnetische ((SINAMAG) ist darauf ausgerichtet, das Verhalten von Geräten zu untersuchen, die aus einem magnetischen Material einer Nano- oder Mikrogröße bestehen. Dazu gehören Magnetspeicher, aber auch magnetische Sensoren, die in der Biotechnologie verwendet werden, um DNA zu sequenzieren oder Proteine und Geräte zu erkennen, die Funksignale erzeugen. Im Allgemeinen gibt es im Bereich der Nanotechnologie unzählige Anwendungen, von denen viele magnetische Materialien verwenden. Die Arbeit dieses Forschungsteams besteht darin, das Verhalten dieser Geräte zu simulieren, und es hat sich als Zeiger in diesem Bereich erwiesen, weil es einen der leistungsstärksten Simulationscodes auf dem Markt entwickelt hat, wie sie erklären, DiCYT Ihre Mitglieder.

Zu diesem Zweck verwenden sie die Grafikkarten, die auf wissenschaftliche Berechnungen spezialisiert sind, GPU, die ganz anders arbeiten als die klassischen CPUs eines normalen Computers. Forscher erklären, dass eine CPU wie ein erfahrener Koch ist: Sie macht eine komplexe Arbeit sehr gut, aber sie dauert sehr lange. Im Gegenteil, eine GPU ist wie Hunderte von Kindern, die in der Küche helfen: Man kann ihnen viele einfache Aufgaben übertragen, und die Produktion wird sehr groß sein; das einzige Problem ist, sie zu organisieren, d.h. zu programmieren.

Diese Aufgabe wird als "Parallelisierung" bezeichnet, und der lähmende Simulationscode "kann bis zu 100 Mal schneller sein als der sequentielle Code," so dass, wenn eine Simulation bis zu 100 Tage dauern könnte, diese Arbeit heute innerhalb von 24 Stunden abgeschlossen wird. Diese Software wurde gemeinsam mit den Computern entwickelt, dem Unternehmen GoParallel S.L., Spin-off der Forschungsgruppe mit Sitz im Wissenschaftspark der Universität Salamanca, die den Code international vermarktet.

Kürzlich hat sich diese Gruppe der Universität Salamanca auf die Untersuchung der Möglichkeiten einer neuen Art von Magnetspeicher namens Racetrack Memory konzentriert, die keine mechanischen Teile hat und auf der Verschiebung von Magnetdomänen basiert. Die Festplatten funktionieren, indem sie sich auf eine Reihe von Umdrehungen drehen, und da sie mechanische Teile haben, werden sie nach einigen Jahren beschädigt und funktionieren nicht mehr richtig. Die Idee dieser neuen Art von Magnetspeichern ist jedoch, die mechanischen Teile zu verzichten. Der Code von Ein- und Nullen, die Computersprache verwenden, würde in magnetische Strukturen geschrieben, die durch elektrischen Strom verschoben werden.

"Wir schlagen vor, dass die magnetischen Strukturen, wohin die Informationen gehen, skyrmions sind, die wie "magnetische Bluffen" sind, die sich durch das Einbringen von elektrischem Strom in das Gerät bewegen. So könnten die Ein- und Nullen bei sehr großen Geschwindigkeiten bewegt werden, und angesichts der Größe eines Skyrmion von etwa 10 Nanometern wäre die Kapazität dieser neuen Speicher enorm.

Vier Szenarien für das Design von Racetrack-Speichern basierend auf skyrmions

(Quelle Bild: Scientific Reports)

Lösung für Probleme mit Racetrack-Speichern

Die Neuheit der in Scientific Reports veröffentlichten Arbeit besteht darin, wie sich diese skyrmions verhalten würden: ihre Schnelligkeit, ihre Informationsspeicherkapazität oder wie die Ströme eingeführt würden. "Aus theoretischer Sicht kommen die skyrmions, um die meisten Probleme zu lösen, die die Racetrack-Gedächtnisse hätten," so Eduardo Martínez.

Bislang verwenden die experimentellen Modelle von Racetrack-Speichern, die gebaut wurden, Objekte, die als "Domain-Paare" bezeichnet werden, anstatt skyrmions. In diesen Modellen wird der Strom durch das magnetische Material geleitet, das erhitzt wird, und einige Wände haben eine Größe von 100 Nanometern, 10 mal mehr, so dass mehr Energie verloren gehen würde und die Speicherkapazität von Informationen 10 mal niedriger wäre. Darüber hinaus sind diese Wand-basierten Speicher "sehr empfindlich auf Herstellungsfehler, so dass Sie zwei Geräte bauen können, die theoretisch gleich sind, aber am Ende nicht gleich benehmen" , die Experten .

Aus Sicht der Physik haben die neuen Entwicklungen erhebliche Auswirkungen auf die Herstellung der Geräte. Bislang war man der Ansicht, daß die Drehrichtung der Magnetisierung einer Domäne zu der benachbarten Domäne keine Bevorzugung darstellte, aber es wurde festgestellt, daß auch die Magneteigenschaften von den nichtmagnetischen Materialien abhängen, auf die der Strom fließt. Abhängig von den Merkmalen der Nanostrotatur gibt es eine Präferenz, dass die Drehungen der Magnetisierung im Uhrzeigersinn oder umgekehrt sind. Diese Eigenschaft wird Chiralität genannt und ist in anderen Aspekten der Natur vorhanden, auch in DNA-Molekülen. Wenn man diesen Faktor kennt, "verstehst du, wie man mit diesen Strukturen umgeht, und das bedeutet, dass man mit dem Gerät umgehen kann," sagt Luis Torres.

Simulationen vor der Herstellung

"Im Artikel untersuchen wir die Eigenschaften von Skyrmion mit dem Ziel, so effiziente wie möglich Magnetrecorder zu entwerfen," so Eduardo Martínez.

"Wir machen Simulationen, damit andere die Komponenten herstellen können," sagt Luis Torres. Die vorherige Simulation ermöglicht die Analyse, welche Materialien, Abmessungen und Geometrien die richtigen sind, so dass Sie ihre Leistung überprüfen können und Zeit und Geld sparen.

Zum Beispiel: "Je nach Material, auf dem Sie den Skyrmion-Streifen bauen, können Sie seine Geschwindigkeit optimieren und den Strom reduzieren, mit dem Sie sehr hohe Geschwindigkeiten erzielen können." Darüber hinaus wird der Skyrmion je nach dem nichtmagnetischen Material, auf dem er hergestellt wird, auch unterschiedliche Strukturen aufweisen. Der Artikel, den Sie gerade veröffentlicht haben, "studiert die möglichen Szenarien, um zu sehen, was am besten geeignet ist für die Gestaltung eines skyrmionsbasierten Magnetspeichers."

Die Festplatten werden kommen

Wenn diese Technologie vorankommt, könnten in Zukunft schnellere Festplatten gewonnen werden, die eine enorme Informationsdichte aufweisen können und, wenn es keine mechanischen Teile gibt, praktisch undurchführbar wären. Das Problem ist, dass für die allgemeine Verwendung "das Paradigma der Magnetaufnahme geändert werden muss."

Es gibt jedoch sehr aktuelle Beispiele, die darauf schließen lassen, daß alles möglich ist in einem Bereich der Technologie, der sich rasch entwickelt. Dies ist der Fall bei zufälligen STT-MRAM magnetischen Speichern: "Wir haben sie von Anfang an studiert und vor vier oder fünf Jahren schien es, als würden sie nicht auf den Markt kommen, weil sie teurer sind, aber sie sind jetzt in fast allen Prozessoren von Intel oder Toshiba, weil sie schneller sind und weniger verbrauchen," sagt Luis Torres.

Bibliographische Referenz

A strategy for the design of skyrmion racetrack memories. R. Tomasello, E. Martinez, R. Zivieri, L. Torres, M. Carpentieri & G. Finocchio. Scientific Reports 4, Article number: 6784. doi: 10.1038/srep06784

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José Pichel Andrés/DICYT

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