存儲百倍提升! IBM納米技術(shù)1比特12原子 - 全文

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　　提到存儲，比特(bit)是最小的單位，然而一比特需要多少個原子呢?最近IBM的研究人員用納米技術(shù)詮釋了這一概念，存儲一比特信息僅需12個原子。該項技術(shù)能大大提升了存儲的密度，相比于現(xiàn)在的硬盤，同單位面積能夠存儲的信息量有百倍以上的提升。集成電路的晶體管隨著摩爾定律越來越密集，在晶體管大小越來越達(dá)到的物理極限的形勢下，迫使人們尋求新的技術(shù)，才能將性能進(jìn)一步提升。一比特僅需12各原子，存儲性能達(dá)到如今硬盤的百倍以上，在信息時代下大數(shù)據(jù)的趨勢中無疑將發(fā)揮重要的作用。

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　　一比特僅需12原子

　　比特是計算機(jī)信息單元的基本單位，一比特有兩個值：0和1。IBM采用鐵原子磁矩的方向組合來存儲計算機(jī)語言中的0和1，也許大家會說了，為什么不直接用鐵原子的磁矩方向代表0和1呢?這樣只需一個原子就可存儲1比特的信息，何須12個原子?

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　　一比特僅需12原子

　　這里的問題是，相鄰的鐵原子磁矩會互相干擾，相信大家都玩過磁鐵，兩塊磁鐵相互靠近時，會有相互作用，或是排斥或是吸引。微觀世界中的原子磁矩也是如此。因此才需要找到穩(wěn)定的鐵原子磁矩的方向組合來存儲計算機(jī)語言中的0和1。

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　　一比特僅需12原子

　　比特這一計算機(jī)信息最小單位，需要多少個原子呢?有些資料顯示，如今的硬盤雖然已經(jīng)能達(dá)到單個TB級的容量，但是存儲1比特的信息也要百萬個原子。

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　　12個鐵原子微觀示意圖

　　IBM通過使用掃描隧道顯微鏡(STM)將12個反磁性關(guān)聯(lián)原子組合在一起，存儲一個比特的數(shù)據(jù)，并在低溫下維持了幾個小時之久，證明代表0或1的原子磁矩穩(wěn)定組合的原子數(shù)可以遠(yuǎn)比之前想象少得多。存儲密度能夠達(dá)到當(dāng)今機(jī)械硬盤或是固態(tài)硬盤的百倍以上。>>

　　IBM加州阿爾馬登研究院原子存儲首席研究員Andreas Heinrich說到：“芯片產(chǎn)業(yè)會繼續(xù)追求半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，但隨著原件的縮小，終究會到達(dá)不可回避的終點(diǎn)：原子。我們反其道而行之，直接從單個原子這一最小單元入手，利用一個一個的原子去搭建計算設(shè)備?！?/p>

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　　原子磁矩存儲示意圖

　　IBM的研究人員利用原子磁矩存儲技術(shù)，通過不同的磁矩組合代表0和1，存儲了“THINK”五個字母的ASCII碼。

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　　原子磁矩存儲THINK

　　有點(diǎn)眼熟吧，IBM有過類似的手法，也許大家對下面這張IBM的圖會比較熟悉，當(dāng)時IBM首次實現(xiàn)操控原子，擺出了IBM字母。現(xiàn)在IBM實現(xiàn)原子級別上的存儲技術(shù)，存儲的信息是THINK這一單詞，由當(dāng)初的公司名稱IBM，換成了IBM的百年來的公司文化理念THINK。

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　　IBM

　　從數(shù)據(jù)存儲的最小單元比特著手，尋求到一比特僅需要12個原子，IBM發(fā)現(xiàn)磁性存儲的密度至少可以達(dá)到機(jī)械硬盤、固態(tài)硬盤的100倍。

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　　存儲性能百倍提升

　　利用納米技術(shù)還可以操縱單個原子，形成所謂的反鐵磁性(antiferromagnetism)，能讓人們在同樣的空間內(nèi)塞下100多倍的信息。也就是說，利用原子磁矩存儲技術(shù)，現(xiàn)如今的1TB硬盤，能夠提升到100T的容量。>>

　　在集成電路的晶體管數(shù)目的規(guī)律上，業(yè)界有一個著名的摩爾定律。摩爾定律指出，當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。該定律是由英特爾創(chuàng)始人之一摩爾提出，這些年來一直與芯片的發(fā)展相符。

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　　硅晶元

　　然而隨著集成電路上的晶體管密度越來越大，其在密度上得增加就越來越困難。摩爾定律勢必將晶體管的大小帶到了一個物理上的極限。

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　　intel納米技術(shù)發(fā)展

　　作為集成電路的代表CPU芯片，其制程由早先的130nm、到65nm、45nm、22nm以及之后的14nm，硅晶體管的尺寸越來越接近物理的極限。

　　為了進(jìn)一步提升CPU、內(nèi)存等芯片的性能，科學(xué)家們想到了結(jié)構(gòu)和技術(shù)上的方法。在芯片結(jié)構(gòu)上，3D芯片成為眾多企業(yè)追逐的領(lǐng)域。而在技術(shù)上，碳納米管、PCM相變存儲以及現(xiàn)如今的原子磁矩存儲技術(shù)，也為芯片性能的提升展示一個美好的前景。

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　　芯片“摩天大樓”

　　2011年10月中旬，相關(guān)媒體報導(dǎo)，IBM與3M公司推出摩天大樓的處理器芯片，通過一種特殊的硅膠粘合劑將芯片組合在一起，成為芯片“摩天大樓”。IBM和3M宣稱，這種摩天大樓的微處理器能比普通的處理器性能提升1000倍。

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　　Hybrid Memory Cube(HMC)

　　不僅是CPU追求3D，內(nèi)存也是一樣，IBM和美光公司Hybrid Memory Cube(HMC)項目就是很好的例子。兩家公司表示新型3D芯片的內(nèi)存所需能源和空間較少，并且每秒能傳輸128G左右的數(shù)據(jù)，這一速度比目前的內(nèi)存芯片快十倍左右。這種3D芯片的內(nèi)存產(chǎn)品預(yù)計于2012年下半年出貨。>>

　　新型的存儲技術(shù)也是各廠商提高芯片性能所追逐的領(lǐng)域，在HMC項目上同樣與美光公司有合作的三星，在新型PCM相變存儲領(lǐng)域的研究也試圖和IBM一較高下，PCM作為下一代存儲的熱門領(lǐng)域，有望取代目前普遍應(yīng)用的閃存。去年7月份IBM展示的90nm制程工藝的PCM芯片，比閃存快約100倍。而近日三星宣布將在明年發(fā)布的8G相變存儲芯片，制程工藝則更進(jìn)一步達(dá)到20nm。

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　　PCM原理

　　據(jù)了解，三星公司將在今年年2月舉行的2012年國際固態(tài)電路會議(ISSCC)上發(fā)布20nm的PCM相變存儲芯片元件，相比于去年2月發(fā)布的PCM芯片，制程工藝從58nm提升到了20nm，而且大小從1G增大到8G。

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　　ISSCC 2012

　　作為芯片設(shè)計界的“奧運(yùn)會”，ISSCC大會往往匯集了芯片設(shè)計的最前沿科技，2012年的ISSCC將在2月19日至23日在舊金山舉行，本次大會收錄的202篇論文中，亞洲地區(qū)占了73篇(36%)，美洲占了68篇(34%)，這也是ISSCC大會舉辦59屆以來，來自亞洲的論文數(shù)量首次超過美洲。本次ISSCC 2012的會議主題是“Silicon Systems for Sustainability(以可持續(xù)性為目標(biāo)的硅系統(tǒng))”。CPU內(nèi)存等芯片都屬于這一范疇。

　　ISSCC 2012主題是“以可持續(xù)性為目標(biāo)的硅系統(tǒng)”，現(xiàn)在的集成電路大多是基于硅晶體管，硅晶體管在尺寸上達(dá)到極限時，尋找另外一種材料突破硅晶極限也頗為重要。前些日子英特爾宣布14nm的硅晶體芯片已經(jīng)在實驗中開始測試，而IBM研制的新型晶體管比10nm還要小，采用的是碳納米材料。

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　　碳納米材料結(jié)構(gòu)

　　在IEEE的一個電子設(shè)備會議上，IBM的科學(xué)家向世界展示了全球第一個小于10nm的晶體管，與目前一般的硅晶體管不同的是，其采用的是碳納米材料。相比之下英特爾14nm的硅晶體管在尺寸上就相形見絀了。

　　存儲上，IBM則是推行原子水平的磁矩存儲技術(shù)，相比于目前的存儲技術(shù)，IBM的原子磁矩存儲技術(shù)有上百倍的提升。

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　　晶體管尺寸達(dá)到物理極限是個必然，就像世界能源從當(dāng)初的煤、再到后來的石油、以及現(xiàn)在的天然氣，有人分析稱每一個能源在達(dá)到極限時，必然會有另外一種替代品。同樣，隨著人類的探索與科技的不斷進(jìn)步，新技術(shù)勢必取代如今的集成電路中的技術(shù)。