近觀賽道內(nèi)存

在將近15年的時間里，科學家們一直探索在磁疇壁（magnetic domain wall）內(nèi)存儲信息的可能性，磁疇壁是磁性材料內(nèi)不同磁域（或"疇"）之間的界面。目前，控制磁疇壁十分復雜且花費不菲，并且需要耗費大量的能量來產(chǎn)生實現(xiàn)這一切所需的電場。在這篇記述了里程碑成果，題為"電流控制的磁疇壁納米線移位寄存器（Current-Controlled Magnetic Domain-Wall Nanowire Shift Register）"的論文中，Parkin博士及其團隊描述了如何克服這一久已存在的難題，利用自旋極化電流與磁疇壁中磁化作用之間的交互作用；在磁疇壁中產(chǎn)生一種自旋轉(zhuǎn)移矩（spin transfer torque），從而令其移動。使用自旋動量轉(zhuǎn)移大大簡化了內(nèi)存設(shè)備，因為電流可以直接通過疇壁傳輸電流而無需任何額外的電場發(fā)生器（field generator）。

在這篇描述了賽道基本原理，題為"磁疇壁賽道內(nèi)存"（Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory）的綜述論文中，Parkin博士及其同事描述了如何利用磁疇在磁性材料柱（"賽道"）上來存儲信息，這些賽道垂直或水平排列在硅圓表面。磁疇壁隨后在柱體的內(nèi)部形成，描繪出沿賽道反方向（如：上或下）被磁化的區(qū)域。每個疇都擁有一個"頭"（正或北極）和一個"尾"（負或南極）。賽道上連續(xù)的磁疇壁在"頭對頭"和"尾對尾"之間交替配置。磁疇壁之間的間距（即位長）由沿賽道配置的釘扎點（pinning site）進行控制。

科學家在論文中描述了使用水平鎳鐵導磁合金（permalloy）納米線來實現(xiàn)磁疇壁的連續(xù)創(chuàng)建、移動和偵測，為此他們使用了納秒時長可控的自旋極化電流脈沖。磁疇壁的寫入和轉(zhuǎn)移周期只有數(shù)十納秒。這些結(jié)果展現(xiàn)了磁移位寄存器的基本理念，利用自旋動量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象來移動一系列緊密相連的磁疇壁，在移動磁疇壁中存儲信息已擁有數(shù)十年的歷史，而此次的創(chuàng)新無疑是對該技術(shù)的全新利用。

研究人員希望最終演化成三維賽道，構(gòu)建出新穎的三維賽道內(nèi)存設(shè)備，這種設(shè)備轉(zhuǎn)型自傳統(tǒng)的硅元素微電子設(shè)備和硬盤驅(qū)動器中常見的二維晶體管及磁數(shù)據(jù)位陣列。實現(xiàn)三維構(gòu)建的賽道內(nèi)存將不遵從于摩爾定律，并將為開發(fā)成本更低、速度更快的設(shè)備提供新的可能性。

快行道上的賽道內(nèi)存

Parkin博士在賽道內(nèi)存領(lǐng)域取得的突破基于他先前在內(nèi)存技術(shù)方面所取得的成就，包括自旋閥、磁隧道結(jié)（MTJ，Magnetic Tunnel Junction）以及在磁性RAM（MRAM）領(lǐng)域取得的突破。

賽道內(nèi)存體現(xiàn)了金屬自旋電子學領(lǐng)域的最新進展。讀取數(shù)據(jù)的自旋閥頭可將過去十年中所使用的硬盤驅(qū)動器的存儲容量提高一千倍；MTJ因擁有更高的電場強度而正在逐漸取代自旋閥。另外，MTJ還是現(xiàn)代MRAM的基礎(chǔ)，這項技術(shù)使用一個電極的磁矩來存儲一個數(shù)據(jù)位。而MRAM使用一個單獨的MTJ元件來存儲和讀取一個數(shù)據(jù)位，硬盤驅(qū)動器使用一個自旋閥或MTJ傳感元件來讀取一個現(xiàn)代驅(qū)動器中約100GB的數(shù)據(jù)，而賽道內(nèi)存則是使用一個傳感設(shè)備來讀取10到100個數(shù)據(jù)位。

深入理解自旋極化電流與磁矩之間的交互作用十分必要。Parkin博士表示："舉例來說，這可能會降低控制或移動疇壁所需的電流密度。這將會進一步減少賽道內(nèi)存所需的電力，并支持能耗更低的設(shè)備。我們希望通過探索多種材料和結(jié)構(gòu)，為電流驅(qū)動磁疇壁動力學提供全新洞察，并制造出我們從前難以想象的基于磁疇壁的內(nèi)存甚至邏輯設(shè)備。這不僅會改變我們考慮存儲的方法，而且會改變我們對于信息處理的方法。我們正在步入一個更加以數(shù)據(jù)而非計算為中心的世界。"

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