ذكريات حلبة السباق

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

ذاكرة المسار أو ذاكرة جدار النطاق ( DWM ) هي جهاز ذاكرة تجريبي غير متطاير قيد التطوير في مركز أبحاث ألمادن التابع لشركة IBM ، بقيادة الفيزيائي ستيوارت باركين . [ 1 ] وهي موضوع بحث نشط حاليًا في معهد ماكس بلانك لفيزياء البنية المجهرية ضمن مجموعة الدكتور باركين. في أوائل عام 2008، تم بنجاح عرض نسخة منها بسعة 3 بتات. [ 2 ] إذا تم تطويرها بنجاح، ستوفر ذاكرة المسار كثافة تخزين أعلى من أجهزة الذاكرة الصلبة المماثلة، مثل ذاكرة الفلاش .

وصف

تستخدم ذاكرة المسار المتقاطع تيارًا كهربائيًا متماسكًا دورانيًا لتحريك المجالات المغناطيسية على طول سلك نانوي من سبيكة البرمالوي، يبلغ قطره حوالي 200 نانومتر وسمكه 100 نانومتر. عند مرور التيار عبر السلك، تمر المجالات برؤوس قراءة/كتابة مغناطيسية موضوعة بالقرب منه، والتي تُغير المجالات لتسجيل أنماط البتات. يتكون جهاز ذاكرة المسار المتقاطع من العديد من هذه الأسلاك وعناصر القراءة/الكتابة. من حيث المبدأ التشغيلي العام، تُشبه ذاكرة المسار المتقاطع ذاكرة الفقاعات التي ظهرت في الستينيات والسبعينيات. أما ذاكرة خط التأخير ، مثل خطوط تأخير الزئبق التي ظهرت في الأربعينيات والخمسينيات، فهي شكل أقدم من تقنية مماثلة، كما هو مستخدم في حاسوبي UNIVAC و EDSAC . ومثل ذاكرة الفقاعات، تستخدم ذاكرة المسار المتقاطع تيارات كهربائية "لدفع" سلسلة من المجالات المغناطيسية عبر ركيزة وعبر عناصر القراءة/الكتابة. إن التحسينات في قدرات الكشف المغناطيسي، استنادًا إلى تطوير أجهزة الاستشعار المغناطيسية المقاومة الدورانية ، تسمح باستخدام مجالات مغناطيسية أصغر بكثير لتوفير كثافات بت أعلى بكثير.  

كان من المتوقع، أثناء الإنتاج، تصغير حجم الأسلاك إلى حوالي 50 نانومتر. تمت دراسة تصميمين لذاكرة المسار. أبسطها عبارة عن سلسلة من الأسلاك المسطحة مرتبة في شبكة مع رؤوس قراءة وكتابة قريبة منها. أما التصميم الأكثر دراسة، فيستخدم أسلاكًا على شكل حرف U مرتبة عموديًا فوق شبكة من رؤوس القراءة/الكتابة على ركيزة أساسية. يسمح هذا التصميم بأن تكون الأسلاك أطول بكثير دون زيادة مساحتها ثنائية الأبعاد، على الرغم من أن الحاجة إلى تحريك المجالات الفردية لمسافة أبعد على طول الأسلاك قبل وصولها إلى رؤوس القراءة/الكتابة تؤدي إلى إبطاء أوقات الوصول العشوائي. قدم كلا التصميمين أداءً متقاربًا في الإنتاجية. كان الشاغل الرئيسي من حيث التصميم عمليًا؛ أي ما إذا كان من الممكن إنتاج التصميم العمودي ثلاثي الأبعاد بكميات كبيرة. 

مقارنة بأجهزة الذاكرة الأخرى

أشارت التوقعات في عام 2008 إلى أن ذاكرة المسار ستوفر أداءً يتراوح بين 20 و32  نانوثانية لقراءة أو كتابة بت عشوائي. بالمقارنة، يستغرق الأمر حوالي 10 ملايين  نانوثانية لمحرك الأقراص الصلبة ، أو 20-30  نانوثانية لذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية التقليدية (DRAM) . ناقش الباحثون الرئيسيون طرقًا لتحسين أوقات الوصول باستخدام "خزان" إلى حوالي 9.5  نانوثانية. سيكون معدل النقل الإجمالي، مع أو بدون الخزان، في حدود 250-670  ميجابت/ثانية لذاكرة المسار، مقارنةً بـ 12800  ميجابت/ثانية لوحدة DDR3 DRAM واحدة، و1000  ميجابت/ثانية لمحركات الأقراص الصلبة عالية الأداء، و1000 إلى 4000 ميجابت/ثانية لأجهزة ذاكرة الفلاش. كانت تقنية SRAM  هي التقنية الوحيدة الحالية التي توفر ميزة واضحة في زمن الاستجابة مقارنةً بذاكرة المسار ، حيث يبلغ زمن الاستجابة حوالي 0.2 نانوثانية، ولكن بتكلفة أعلى. حجم ميزة أكبر "F" يبلغ حوالي 45 نانومتر (اعتبارًا من عام 2011) مع مساحة خلية تبلغ حوالي 140 F 2. [ 3 ] [ 4 ]  

تُعدّ ذاكرة المسار (Racetrack Memory) إحدى التقنيات الناشئة التي تهدف إلى استبدال الذواكر التقليدية مثل ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) وذاكرة الفلاش، وتقديم جهاز ذاكرة عالمي قابل للتطبيق في مجموعة واسعة من الاستخدامات. ومن بين التقنيات المنافسة الأخرى ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية المقاومة (MRAM)، وذاكرة تغيير الطور (PCRAM)، وذاكرة الوصول العشوائي الفيروكهربائية (FeRAM). توفر معظم هذه التقنيات كثافات تخزين مماثلة لذاكرة الفلاش، بل وأقل منها في أغلب الأحيان، وتكمن ميزتها الأساسية في عدم وجود قيود على قدرة تحمل الكتابة كما هو الحال في ذاكرة الفلاش. توفر ذاكرة Field-MRAM أداءً ممتازًا يصل إلى 3  نانوثانية زمن الوصول، ولكنها تتطلب حجم خلية كبيرًا يتراوح بين 25 و40 فدانًا مربعًا  (F²). قد تُستخدم كبديل لذاكرة SRAM، ولكن ليس كجهاز تخزين ضخم. تُقدم ذاكرة PCRAM أعلى كثافة تخزين بين هذه الأجهزة، بحجم خلية يبلغ حوالي 5.8 فدانًا  مربعًا (F²)، وهو حجم مشابه لذاكرة الفلاش، بالإضافة إلى أداء جيد نسبيًا يصل إلى 50  نانوثانية. ومع ذلك، لا يمكن لأي من هذه التقنيات منافسة ذاكرة المسار (Racetrack Memory) من حيث الإجمالي، وخاصة الكثافة. على سبيل المثال، يسمح زمن 50  نانوثانية بتشغيل حوالي خمسة بتات في جهاز ذاكرة مضمار السباق، مما ينتج عنه حجم خلية فعال يبلغ 20/5=4  ف²، وهو ما يتجاوز بسهولة حاصل ضرب الأداء في الكثافة لتقنية PCM. من ناحية أخرى، ودون التضحية بكثافة البتات،  يمكن لنفس المساحة البالغة 20 ف² أن تستوعب 2.5 خلية ذاكرة بديلة ثنائية البت بحجم 8  ف² (مثل ذاكرة الوصول العشوائي المقاومة (RRAM) أو ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية بنقل عزم الدوران المغزلي )، حيث تعمل كل منها بشكل فردي بسرعة أكبر بكثير (~10  نانوثانية).

في معظم الحالات، تخزن أجهزة الذاكرة بتًا واحدًا في أي موقع محدد، لذا تتم مقارنتها عادةً من حيث "حجم الخلية"، أي الخلية التي تخزن بتًا واحدًا. يُقاس حجم الخلية بوحدة F²، حيث "F" هي قاعدة تصميم حجم الميزة ، والتي تمثل عادةً عرض خط المعدن. تخزن كل من ذاكرة الفلاش وذاكرة المسار عدة بتات لكل خلية، ولكن لا يزال من الممكن إجراء المقارنة. على سبيل المثال، يبدو أن محركات الأقراص الصلبة قد وصلت إلى حدودها النظرية عند حوالي 650  نانومتر مربع/بت، [ 5 ] والتي تُحدد بشكل أساسي من خلال القدرة على القراءة والكتابة في مناطق محددة من السطح المغناطيسي. يبلغ حجم خلية ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) حوالي 6  F²، بينما ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM) أقل كثافة بكثير عند 120  F². تُعد ذاكرة الفلاش NAND حاليًا أكثر أنواع الذاكرة غير المتطايرة كثافةً وانتشارًا، حيث يبلغ حجم خليتها حوالي 4.5  F²، ولكنها تخزن ثلاثة بتات لكل خلية، مما يجعل حجمها الفعلي 1.5  F². تتميز ذاكرة فلاش NOR بكثافة أقل قليلاً، حيث تبلغ كثافتها الفعلية 4.75  F²، مما يسمح بتشغيل 2 بت على  خلية بحجم 9.5 F². [ 4 ] في المسار العمودي (على شكل حرف U)، يتم تخزين ما يقارب 10-20 بت لكل خلية، والتي يبلغ حجمها الفعلي 20  F² على الأقل. بالإضافة إلى ذلك، تستغرق البتات الموجودة في مواقع مختلفة على "المسار" أوقاتًا مختلفة (من 10 إلى 1000  نانوثانية تقريبًا، أو 10  نانوثانية/بت) للوصول إليها بواسطة مستشعر القراءة/الكتابة، لأن "المسار" يحرك النطاقات بمعدل ثابت يبلغ 100  متر/ثانية تقريبًا أمام مستشعر القراءة/الكتابة.

تحديات التنمية

كان أحد عيوب الأجهزة التجريبية المبكرة هو أن المجالات المغناطيسية لم تكن تتحرك إلا ببطء شديد عبر الأسلاك، مما استلزم نبضات تيار كهربائي في حدود الميكروثانية لتحريكها بنجاح. كان هذا غير متوقع، وأدى إلى أداء يُقارب أداء محركات الأقراص الصلبة ، أي أبطأ بألف مرة مما كان متوقعًا. وقد ربطت الأبحاث الحديثة هذه المشكلة بعيوب مجهرية في البنية البلورية للأسلاك، مما أدى إلى "انحشار" المجالات عند هذه العيوب. وباستخدام مجهر الأشعة السينية لتصوير الحدود بين المجالات مباشرةً، وجد الباحثون أن جدران المجالات تتحرك بنبضات قصيرة لا تتجاوز بضع نانوثوانٍ عند غياب هذه العيوب. وهذا يُعادل أداءً كليًا يبلغ حوالي 110  م/ث. [ 6 ]

يتناسب الجهد المطلوب لتحريك المجالات على طول المسار الحلزوني طرديًا مع طول السلك. يجب أن تكون كثافة التيار عالية بما يكفي لدفع جدران المجالات (كما في الهجرة الكهربائية ). تكمن إحدى صعوبات تقنية المسار الحلزوني في الحاجة إلى كثافة تيار عالية (>10⁸ أمبير /سم² ) ؛ إذ يتطلب مقطع عرضي بأبعاد 30  نانومتر × 100 نانومتر تيارًا يزيد عن 3 مللي أمبير. ونتيجةً لذلك، يصبح استهلاك الطاقة أعلى من المطلوب لأنواع الذاكرة الأخرى، مثل ذاكرة عزم نقل الدوران (STT-RAM) أو ذاكرة الفلاش.  

من التحديات الأخرى المرتبطة بذاكرة المسار السباقي الطبيعة العشوائية لحركة جدران النطاقات المغناطيسية، أي أنها تتحرك وتتوقف في مواقع عشوائية. [ 7 ] وقد بُذلت محاولات للتغلب على هذا التحدي من خلال إحداث شقوق على حواف الأسلاك النانوية. [ 8 ] كما اقترح الباحثون استخدام أسلاك نانوية متداخلة لتثبيت جدران النطاقات المغناطيسية بدقة. [ 9 ] وقد أظهرت الدراسات التجريبية [ 10 ] فعالية ذاكرة جدران النطاقات المغناطيسية المتداخلة. [ 11 ] ومؤخرًا، اقترح الباحثون مناهج غير هندسية، مثل التعديل الموضعي للخواص المغناطيسية من خلال تغيير التركيب. وتُستخدم تقنيات مثل الانتشار المُستحث بالتلدين [ 12 ] وزرع الأيونات [ 13 ] .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "أبحاث أجهزة الإلكترونيات الدورانية، مشروع ذاكرة المسار المغناطيسي" . مؤرشف من الأصل في 12 أكتوبر 2007. تم الاطلاع عليه في 15 سبتمبر 2007 .
  2. ↑ ماساميتسو هاياشي وآخرون (أبريل 2008). "مسجل إزاحة الأسلاك النانوية لجدار المجال المغناطيسي المُتحكم فيه بالتيار". مجلة ساينس . 320 (5873): 209-211 . Bibcode : 2008Sci ... 320..209H . doi : 10.1126/science.1154587 . PMID 18403706. S2CID 7872869 .   
  3. ↑ "ITRS 2011" . مؤرشف من الأصل في 31 يناير 2013. تم الاطلاع عليه في 8 نوفمبر 2012 .
  4. 1 2 باركين وآخرون (11 أبريل 2008). " ذاكرة مسار السباق لجدار المجال المغناطيسي". مجلة ساينس . 320 (5873): 190-194 . رمز Bibcode : 2008Sci...320..190P . doi : 10.1126/science.1145799 . PMID 18403702. S2CID 19285283 .   
  5. ↑ 1 تيرابت/بوصة مربعة يساوي تقريبًا 650 نانومتر مربع/بت.
  6. ^ سواروب ، أماريندرا (11 مايو 2007). ""قد تتجاوز ذاكرة "حلبة السباق" القرص الصلب" . مجلة نيو ساينتست .
  7. ↑ كومار، د.؛ جين، ت.؛ ريسي، س. آل؛ صبيع، ر.؛ ليو، و.س.؛ بيراماناياغام، س.ن. (مارس 2019). "التحكم في حركة جدار المجال لتطبيقات ذاكرة مضمار السباق". معاملات IEEE في المغناطيسية . 55 (3) 2876622. Bibcode : 2019ITM....5576622K . doi : 10.1109/TMAG.2018.2876622 . hdl : 10356/139037 . ISSN 0018-9464 . S2CID 67872687 .  
  8. ↑ هاياشي، م.؛ توماس، ل.؛ موريا، ر.؛ ريتنر، س.؛ باركين، س.س.ب. (2008). "مسجل إزاحة الأسلاك النانوية لجدار المجال المغناطيسي المتحكم فيه بالتيار". مجلة ساينس . 320 (5873): 209-211 . رمز Bibcode : 2008Sci...320..209H . doi : 10.1126/science.1154587 . ISSN 0036-8075 . PMID 18403706. S2CID 7872869 .   
  9. ↑ محمد، ح. (2020). "حركة جدار المجال المغناطيسي المُتحكَّم بها بواسطة عزم الدوران المغزلي باستخدام أسلاك مغناطيسية متداخلة". رسائل الفيزياء التطبيقية . 116 (3): 032402. arXiv : 1908.09304 . Bibcode : 2020ApPhL.116c2402M . doi : 10.1063/1.5135613 . S2CID 201695574 . 
  10. ↑ بريم بيراماناياغام (24 فبراير 2019)، ذاكرة جدار المجال المتداخل ، مؤرشف من الأصل في 21 ديسمبر 2021 ، تم استرجاعه في 13 مارس 2019
  11. ↑ البحري، م.؛ بوري، ب.؛ جين، ت. ل.؛ صبيع، ر.؛ كلاوي، م.؛ بيراماناياغام، س. ن. (8 فبراير 2019). "أجهزة الأسلاك النانوية المغناطيسية المتداخلة لتثبيت فعال لجدران النطاقات في ذاكرة المسار". مجلة Physical Review Applied . 11 (2) 024023. Bibcode : 2019PhRvP..11b4023A . doi : 10.1103/PhysRevApplied.11.024023 . hdl : 10220/48230 . S2CID 139224277 . 
  12. ↑ جين، تي إل؛ رانجبار، إم؛ هي، إس كيه؛ لو، دبليو سي؛ تشو، تي جيه؛ ليو، دبليو إس؛ ليو، إكس إكس؛ بيراماناياجام، إس إن (2017). "ضبط الخصائص المغناطيسية لتثبيت جدار المجال المغناطيسي عبر الانتشار الموضعي للمعادن" . التقارير العلمية . 7 (1): 16208. Bibcode : 2017NatSR...716208J . doi : 10.1038/s41598-017-16335- z . PMC 5701220. PMID 29176632 .  
  13. ↑ جين، تيانلي؛ كومار، دورجش؛ غان، ويليانغ؛ رانجبار، مجتبى؛ لو، فيلونغ؛ سبيع، رشيد؛ ليو، شياوكسي؛ ليو، وين سيانغ؛ بيراماناياغام، إس إن (2018). "تعديل التركيب النانوي في طبقات متعددة من الكوبالت/البلاديوم للتحكم في تثبيت جدار المجال في ذاكرة المسار". Physica Status Solidi RRL . 12 (10) 1800197. Bibcode : 2018PSSRR..1200197J . doi : 10.1002/pssr.201800197 . hdl : 10356/137507 . S2CID 52557582 .