Giới thiệu về Racetrack memory

Trong bài này, tôi sẽ giới thiệu một công nghệ lưu trữ thông tin mới ứng dụng cho thiết bị ổ cứng trong máy tính với tên gọi racetrack memory. Racetrack memory đang là một hướng nghiên cứu sôi nổi trong thế giới công nghệ nano và công nghệ spintronics. Hi vọng nó có thể đem lại cho bạn một cái nhìn rất đơn giản và bao quát về công nghệ này. Để có thể hiểu thêm về vật lý trong công nghệ này, xin hãy trở lại với bài viết của tôi về vách đômen từ.

1.       Công nghệ lưu trữ truyền thống

Máy tính giờ đã phổ biến đến độ hầu như chả còn ai không biết, và chán computer người ta nghĩ ra đủ thứ tiện dụng từ PDA, IPad… Một bộ phận lưu trữ thông tin quan trọng của máy tính là ổ cứng (HDD), nghe tên là đủ biết nó “cứng” rồi. Ổ cứng cho phép ta lưu trữ thông tin, đọc, sao chép, tẩy xóa… một cách liên tục. Vì thế chắc chắn CD, DVD hay Blueray không thể làm thay việc này cho HDD được. Hai công nghệ phổ biến hiện nay là ổ cứng từ tính (magnetic recording) và bộ nhớ dạng chất rắn (solid state drive – SSD).

Ổ cứng dạng từ tính thường được gán cho mặc định là HDD (ở đây tôi sẽ dùng từ HDD cho khái niệm này cho giống dân mạng vậy), là thiết bị lưu trữ có thể tạo ra dung lượng lớn nhất hiện nay tới cấp TeraByte (TB) nhờ mật độ lưu trữ cao tới mức vài trăm GB/inch2. Nguyên lý của HDD rất đơn giản, thông tin được lưu trữ trong các “nam châm” siêu nhỏ, là những hạt từ có kích thước khoảng vài trăm đến dưới 1 micromet. Các bit được đọc nhờ định hướng của mômen từ trong các nam châm này nhờ một đầu đọc từ điện trở. HDD đọc và ghi bằng quá trình quay ổ đĩa như kiểu băng đĩa ngày xưa. Vì kiểu quay cơ học và đảo từ này mà tốc độ đọc ghi của ổ cứng khá chậm. Bạn có thể thấy máy tính chạy rất nhanh, nhưng đó là cảm nhận của “người trần mắt thịt” chứ tốc độ truy nhập của ổ cứng chỉ cỡ từ vài trăm nano giây đến cỡ micro giây. Tức là thông tin trong HDD chỉ có thể truy xuất với tốc độ cỡ vài trăm MB/s. Với đòi hỏi xử lý lớn, bây giờ người ta ngày càng thấy HDD như một bác lực điền già, vác thì khỏe nhưng chỉ đi lại ì ạch như một bác trâu già.

Hình 1. Nguyên lý của ổ đĩa cứng (hình chụp từ wikipedia.org)

SSD là dạng xịn hơn và gần đây mới bắt đầu phổ biến rộng rãi là công nghệ lưu trữ thông tin bởi bộ nhớ bán dẫn nhờ các phần từ nhớ không tự xóa. SSD phải nói thật là có mật độ lưu trữ không cao (bạn có thể thấy phổ biến các ổ SSD từ vài chục GB đến cỡ 200 GB) nhưng lại có tốc độ truy xuất rất tuyệt vời. Thời gian truy xuất trọng SSD có thể từ vài trăm pico giây đến cỡ vài chục nan giây (tức là nhanh hơn cỡ 100 lần so với HDD). Có thể nói rằng SSD giống như một chú bé con nhà giàu, chạy nhanh như gió nhưng lại không có khả năng vác nhiều hàng.  Tất nhiên các cô gái bao giờ chả thích các anh con nhà giàu, nhanh nhẹn hơn rồi. Nhưng cũng nói thêm để các bạn gái bớt hâm mộ anh trai trẻ này là SSD sử dụng công nghệ nhớ bán dẫn, tức là xét cho cùng nguyên lý lưu trữ vẫn là lưu trữ điện tích trong các hệ thống tụ siêu nhỏ, thì độ bền thông tin của nó kém hơn nhiều so với HDD (kiểu như là ấy ấy ko dai bằng bác lực điền) vì dần dần các điện tích sẽ bị phóng. Đồng thời, nó cũng sẽ đến giới hạn tốc độ vì thời gian phóng nạp điện tích khó mà có nhảy vọt được. Hơn nữa, công nghệ bán dẫn truyền thống đã đi đến giới hạn của nó (xịn như Intel cũng chỉ tới công nghệ 30 nm là cùng).

Hình 2. Bộ nhớ SSD: thực chất cũng là một loại RAM (không tự xóa) - hình từ wikipedia.org.
Hình 2. Bộ nhớ SSD: thực chất cũng là một loại RAM (không tự xóa) - hình từ wikipedia.org.

Nói thêm chút về độ nhanh trong truy xuất thông tin, thì ta còn gặp DRAM (Dynamic Random Access Memory) có tốc độ truy nhập nhanh nhất hiện nay, phổ biến ở mức 40 nano giây. Và có nghĩa là nếu muốn có sự nhảy vọt về công nghệ lưu trữ xử lý thông tin trong các ứng dụng dân dụng thì một thế hệ bộ nhớ mới đang rất cần thiết. Và tôi sẽ giới thiệu với bạn một công nghệ mới gọi là bộ nhớ racetrack (dịch ra tiếng việt thì là “bộ nhớ trường đua” nghe nó cứ thô thô nên cứ để thẳng tiếng Anh cho tiện).

2.       Racetrack memory (RM)

Hình 3. Mô hình racetrack memory từ website của nhóm nghiên cứu IBM Almaden.

Cái tên của RM phản ánh đúng hình thức vận động của nó, giống như một sự chạy đua của các bit thông tin trong các dây nano. Cái tên Stuart Stephen Papworth Parkin và PTN IBM Almaden (San Jose, California, US) rất cần được nhắc đến để ghi nhớ tác giả của phát minh này. RM được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 2004 bởi nhóm của Parkin với nguyên tắc khác hẳn so với các bộ nhớ trước đó [1]. Thông tin trong RM được mã hóa nhờ các vách đômen từ và điều khiển để chạy như một dòng ngựa đua chạy trong các dây nano làm bằng hợp kim NiFe, có độ rộng khoảng 300 nm,  chiều dày chỉ cỡ 20 nm. Bạn cần chú ý rằng, trong thế giới nano, mọi thứ không đơn giản như ta nghĩ. Nếu như ta có 1 cục hợp kim NiFe, chỉ cần đặt từ trường, thay đổi lung tung, bạn sẽ ngay lập tức có cả đàn các vách đômen chạy lông nhông trong vật. Nhưng trong các dây nano, dị hướng từ hình dạng rất lớn sẽ khiến cho mômen từ ngay lập tức bị hướng song song theo chiều dài của dây và hầu như không thể tạo ra vách đômen trong dây nano NiFe được. Vì thế ở đầu của dây là các “nguồn bơm” vách đômen. Đã có hàng tá các công trình nghiên cứu làm sao có thể bơm các vách đômen từ các kiểu nguồn vào dây nano.

Quay lại với RM, người ta tạo ra các vách đômen, sử dụng dòng điện tử phân cực spin điều khiển các vách này chạy như những đàn ngựa trong dây (mã hóa thông tin). Nhờ các sai hỏng hình học được tạo ra một cách hữu ý trên dây, người ta có thể điều khiển vách đômen dừng ở bất kỳ vị trí nào (ghi – lưu trữ) và lại đẩy đi (xóa thông tin). Thế việc đọc thông tin diễn ra như thế nào? Bộ phận đọc thông tin có kết cấu là các sensor từ dựa trên nguyên lý hiệu ứng từ điện trở chui hầm. Từ trường từ các đômen và vách đômen chạy qua đầu đọc đặt bên trên các dây nano sẽ làm thay đổi điện trở của đầu đọc và cho ta tín hiệu thông tin [2]. Như vậy, không hề có sự dịch chuyển cơ học nào hết mà chỉ có sự chạy liên tục của thông tin (vách đômen) trong dây, vì thế có thể tạo ra tốc độ truy nhập rất cao. Bạn có thể băn khoăn hỏi lại: Xưa nay ta chỉ nghe thấy vách đômen chạy nhờ từ trường ngoài trong quá trình từ hóa, sao dòng điện tử lại có thể điều khiển được vách đômen nhỉ? Một câu hỏi rất đáng đặt ra ở khía cạnh basic của magnetism. Khi dòng điện tử chạy qua dây nano từ, nó sẽ có spin bị định hướng (polarized) theo chiều của từ độ trong đômen từ ở dây đó. Khi nó chạy ngang qua vách đômen, nó sẽ va chạm với các mômen từ quay một cách đều đặn trong vách và truyền mômen spin của nó cho các mômen từ này và làm các mômen này bị quay dần dần theo chiều của spin, hay nói cách khác làm vách đômen bị dịch chuyển tịnh tiến đi. Nguyên lý này gọi là spin torque transfer, được phát biểu lần đầu vào năm 1996 bởi nhà vật lý L. Berger [3]. Vậy là bạn đã có một chút hiểu đơn giản về cơ chế của racetrack memory rồi nhé. Theo nguyên lý này, vách đômen có thể chạy trong dây NiFe với tốc độ tới 100-200 m/s. Nghe cũng rất đơn giản phải không nhỉ? Thêm chút thông tin nữa nhé!

 

Hình 4. Spin torque transfer: nguyên lý điều khiển các vách đômen từ bằng dòng điện tử phân cực spin (courtesy of S. Maekawa Tohoku University, Sendai, Japa).

Với kiểu đọc ghi “vách đômen” này, racetrack memory offer tốc độ truy xuất xuống tới dưới 10 ns (thậm chí trong PTN có thể chứng minh tốc độ tới cỡ pico giây) tức là nhanh gấp hơn 100000 lần so với HDD truyền thống, nhanh gấp hàng trăm lần so với anh chàng trai trẻ con nhà giàu SSD.  Mật độ thông tin thì khỏi chê, thông tin trong RM được lưu trữ dưới dạng các vách đômen nên nó cho phép tạo ra mật độ tới hàng trăm TB/inch2 (tức là lớn gấp trên 100 lần so với anh chàng lực điền vác khỏe HDD). Độ bền thông tin thì khỏi chê nhé, mômen từ có thể lưu trữ cực ngon, “ấy ấy” lâu hơn anh trống choai SSD gấp hàng ngàn lần. RM chính là thế hệ linh kiện thứ hai của công nghệ spintronics dựa trên từ tính của vật liệu sắt từ kim loại. Có lẽ sản phẩm của nhóm Parkin là sản phẩm bán thương phẩm xịn nhất của racetrack memory hiện nay nhưng vẫn chưa thể trở thành thương phẩm được vì nhiều lý do.

Thứ nhất là sự khó khăn trong việc sắp đặt các phần tử đọc ghi một cách hiệu quả. Một memory hoàn chỉnh đòi hỏi cơ cấu ba chiều ít va chạm nhau của các phần tử, nhưng xem ra hiện nay các phần từ đọc/ghi thông tin lại là “bọn phá đám” làm cho vướng víu racetrack memory.

Thứ hai, sản phẩm bán thương phẩm của IBM đòi hỏi dòng điều khiển quá lớn gây tốn năng lượng và tỏa nhiều nhiệt, đồng thời làm nguy hiểm đến “tính mạng” của linh kiện. Hiện nay các nghiên cứu đang đổ dồn vào việc tạo ra linh kiện với dòng điều khiển thấp , giảm đi hàng chục lần so với bộ nhớ của IBM đồng thời giảm độ dày vách đômen hàng chục lần (tăng mật độ thông tin) nhưng lại vướng vào nhiều vấn đề khác của màng mỏng đa lớp kém bền [4,5].

Thứ ba, mật độ thông tin tỉ lệ thuận với mật độ dây nano. Muốn tăng mật độ và giảm dòng điều khiển, dây nano càng cần có chiều ngang nhỏ lại càng tốt. Công nghệ sản xuất bán dẫn công nghiệp hiện nay sử dụng quang khắc không cho phép sản xuất những dây nano như thế nữa, mà đòi hỏi công nghệ quang khắc chùm điện tử. Nhưng quang khắc chùm điện tử lại quá chậm và đắt tiền nên làm cho chi phí sản xuất tăng lên rất nhiều. IBM còn đề xuất việc tạo ra hệ thống các dây nano trong không gian ba chiều, nhưng kỹ thuật sản xuất thương phẩm của hệ thống này lại quá phức tạp.

Chính những khó khăn trên đây lại càng khiến cho nghiên cứu về racetrack memory càng trở nên sôi động hơn bao giờ hết (bạn có thể search trên http://www.google.com từ khóa này hoặc domain wall, spin torque. Nói thêm một điều rằng racetrack memory cũng đang là một hướng nghiên cứu tại phòng thí nghiệm nơi tôi đang làm việc và chúng tôi đang nghiên cứu phương pháp có thể tạo ra hàng loạt nanowire trên một tấm plastic mà không đòi hỏi quá trình quang khắc hay ăn mòn, cho phép tiết kiệm chi phí sản xuất. Và bạn cũng chú ý một điều là nghiên cứu điều khiển các vách đômen trong các cấu trúc nano không chỉ được ứng dụng vào bộ nhớ racetrack mà còn có nhiều ứng dụng khác mà ví dụ điển hình là tạo ra các cổng logic cực kỳ đơn giản mà hiệu quả [6].

Tham khảo

[1]     S. S. P. Parkin, U. S. Patent 7315470

[2]     S. S. P. Parkin, M. Hayashi, L. Thomas, “Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory”, Science 320, 190-194 (2008).

[3]     L. Berger, “Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current”, Phys. Rev. B 54, 9353–9358 (1996).

[4]     C. Burrowes et al., “Non-adiabatic spin-torques in narrow magnetic domain walls”, Nature Physics 6, 17 – 21 (2010).

[5]     D. Chiba et al., “Control of Multiple Magnetic Domain Walls by Current in a Co/Ni Nano-Wire”, Appl. Phys. Express 3, 073004 (2010).

[6]     D. A. Allwood et al., “Magnetic domain wall logic”, Science 309, 1688 – 1692 (2005).

1 Comment

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s