199907_magnetyczny_urok.pdf

WIADOMOåCI I OPINIE

NAUKA

I LUDZIE

SYLWETKA

George D. Lundberg

CYBERåWIAT

10 W SKRîCIE

13 W LICZBACH

TECHNIKA

BIZNES

POD LUP

Magnetyczny urok

Wieloletnie wsp¸zawodnictwo w konstruowaniu

szybszych i trwa¸ych pami«ci zaowocowa¸o

wreszcie prototypami

watorskiej propozycji pami«ci komputerowej, z ktr

przed dwoma laty zwrci¸ si« do niego skromny wy-

nalazca z Pecos w Nowym Meksyku. Pomys¸odawca Richard

M. Lienau i jego æwieýo uruchomiona firma Pageant Tech-

nologies obiecywali rzeczy niezwyk¸e. Nowe chipy mia¸y

w razie potrzeby przechowywa dane nawet przez wiele lat

po od¸czeniu zasilania. Powinny teý pracowa 5Ð10 razy

szybciej niý tzw. dynamiczne pami«ci RAM (czyli DRAM Ð

dynamiczne pami«ci o dost«pie swobodnym) stosowane obec-

nie w komputerach. Produkcja tych nowych pami«ci nie by-

¸aby teý bardziej kosztowna, gdyý wystarczy¸yby tylko drob-

ne modyfikacje istniejcych linii technologicznych. Takim

tajnym rozwizaniem umoýliwiajcym to wszystko mia¸a

by, zdaniem Lienaua, macierz maluteÄkich magnesw.

ãPostawi¸em twarde warunki. Nie ufa¸em imÓ Ð wspomi-

na Sadwick, elektronik z University of Utah. Trzeba pami«ta,

ýe w wielu laboratoriach od po¸owy lat osiemdziesitych pr-

bowano zastpi kondensatory, ktre w pami«ci DRAM prze-

chowuj informacje, mikrometrowymi skrawkami ferroma-

gnetykw, takich jak stopy ýelaza, niklu i kobaltu.

Kondensatory trac ¸adunek Ð a zatem i dane Ð jeýeli ich za-

wartoæ nie jest odæwieýana co kilka milisekund. Natomiast

warstwy magnetyczne nie wykazuj takiej amnezji i dlatego

pokrywa si« nimi powierzchnie dyskw twardych. Pomiar

niewielkich pl magnetycznych, gdy warstwa, jak w przy-

padku dysku, przesuwa si« pod g¸owic, to osobny problem.

Umieszczenie czujnika przy kaýdym z milionw maleÄkich

magnesw jest zadaniem o wiele trudniejszym.

W ostatnich latach najwi«ksi producenci, w tym IBM i Mo-

torola, podj«li wsplne badania w tym zakresie (w lutym br.

rwnieý Hewlett-Packard zg¸osi¸ taki zamiar). Ale jedyn fir-

m, ktra uruchomi¸a komercyjn produkcj« magnetycznych

ZWYKüA p¸przewodnikowa pami« RAM traci

zapisane dane po wy¸czeniu zasilania.

Richard M. Lienau wierzy jednak, ýe dzi«ki uk¸adom

magnetycznym uda si« rozwiza ten problem.

pami«ci RAM, jest Honeywell. W 1997 roku najlepsze wy-

twarzane tam uk¸ady tego typu by¸y 10-krotnie wolniejsze

i mia¸y 256 razy mniejsz g«stoæ upakowania oraz zdecydo-

wanie wyýsz cen« niý pami«ci DRAM. Nikt inny nie dys-

ponowa¸ nawet prototypem.

Po uwaýnym przestudiowaniu pomys¸u Lienaua Sadwick

doszed¸ do wniosku, ýe nowa propozycja ma sens i przyst-

pi¸ do przygotowania egzemplarzy doæwiadczalnych. Mo-

ment by¸ w¸aæciwy: firma Pageant to dziæ Ð rzec moýna Ð czar-

ny koÄ w nabierajcym tempa wyæcigu, ktrego celem jest

udoskonalenie pami«ci magnetycznych, tak aby mog¸y kon-

6å WIAT N AUKI Lipiec 1999

L aurence P. Sadwick doæ sceptycznie odnis¸ si« do no-

kurowa z uk¸adami DRAM, a nawet je zastpi. W ostatnich

kilku miesicach co najmniej pi« rywalizujcych grup skon-

struowa¸o dzia¸ajce prototypy jednobitowych magnetycz-

nych komrek pami«ci.

Wszyscy chc osign te same trzy cele. Po pierwsze,

zmniejszy rozmiary komrek do mikrometra, aby odpo-

wiada¸y moýliwoæciom istniejcych linii produkcyjnych i by-

¸y rwnie tanie jak uk¸ady DRAM. Po drugie, nowe uk¸ady

powinny zuýywa jak najmniej energii, poniewaý najwi«k-

sze zapotrzebowanie na trwa¸e pami«ci zg¸aszaj producen-

ci urzdzeÄ zasilanych z baterii, takich jak telefony komr-

kowe oraz karty chipowe. I

wreszcie trzecim celem jest

szybkoæ: produkowane obe-

cnie uk¸ady DRAM mog

zapisywa i odczytywa da-

ne w czasie 60 ns. Magne-

tyczne pami«ci RAM musz

dzia¸a szybciej.

W najbliýszej perspekty-

wie ãzadowoli¸oby nas zdo-

bycie chociaý niewielkiego

przycz¸ka rynku Ð twierdzi

Mark B. Johnson, fizyk z Na-

val Research Laboratory. Ð

Moýe to nastpi w cigu

dwch lat Ð dodaje Ð jeæli pa-

mi«ci magnetyczne okaý

si« lepsze od uk¸adu Flash

RAM i EEPROM, dwch

podstawowych rodzajw

p¸przewodnikowych pa-

mi«ci trwa¸ych. Ich pozycja

nie jest mocna, poniewaý s

bardzo wolne, zapis danych

trwa dziesitki mikrose-

kund, a kasowanie nawet se-

kund«.Ó Oba wymienione

typy wymagaj sporo ener-

gii, a ich trwa¸oæ nie prze-

kracza miliona operacji za-

pisu. ãJeæli nam si« to uda,

zajmiemy rynek o wartoæci

5 mld dolarw rocznieÓ Ð

przyznaje.

Pami«ci magnetyczne b«-

d teý rywalizowa z uk¸a-

dami ferroelektrycznymi,

w ktrych 0 i 1 s zapisy-

wane w postaci przemiesz-

czeÄ atomw w krysztale.

Firma Ramtron z Colorado

Springs wyprodukowa¸a niedawno uk¸ady o pojemnoæci

64 kb, ktre s rwnie szybkie jak pami« DRAM i przecho-

wuj dane przez wiele lat. Jednakýe nie zdo¸ano przekona

klientw do tych produktw: sprzedaý w 1998 roku spad¸a

i firma notuje cig¸e straty.

Zespo¸y pracujce nad magnetycznymi pami«ciami RAM

podzieli¸y si« na trzy grupy odmiennie traktujce problem.

Najbardziej dojrza¸a i najstaranniej zbadana ze stosowanych

przez nie metod wykorzystuje zjawisko fizyczne odkryte za-

ledwie 10 lat temu, czyli gigantyczny magnetoopr (giant

magnetoresistance Ð GMR). Polega ono na tym, ýe pole ma-

gnetyczne moýe spowodowa zmian« oporu elektrycznego

cienkiej warstwy metalu nawet o 6%. Wed¸ug Jamesa Daugh-

tona, prezesa Nonvolatile Electronics w Eden Prairie w Min-

nesocie firma Honeywell wykorzysta¸a ten efekt do budowy

eksperymentalnych chipw pami«ci o pojemnoæci przekra-

czajcej milion bitw.

Niestety, podzespo¸y oparte na GMR wymagaj tak du-

ýych nat«ýeÄ prdu, ýe tranzystory ulegn spaleniu, gdy ich

rozmiary Ð zgodnie z wymaganiami rynku Ð zbliýaj si« do

zakresu submikrometrowego. Jednakýe grupa kierowana

przez Saieda Tehrani z centrum badawczego Motoroli w Tem-

pe w Arizonie wierzy, ýe zdo¸a obejæ ten problem dzi«ki

elementowi, ktry z przyczyn historycznych nazywa si« za-

worem spinowym. Rozwizanie to z grubsza podwaja wiel-

koæ efektu GMR, zmniej-

szajc zapotrzebowanie na

energi«. W listopadzie Teh-

rani poinformowa¸, ýe jego

zespo¸owi uda¸o si« zbudo-

wa macierz o rozmiarach

8 x 8 bitw z tranzystorowym

obwodem sterujcym, co po-

zwala na niezaleýne zapisy-

wanie i odczytywanie kaýdej

komrki.

Badacze z IBM, a takýe z

Motoroli skoncentrowali si«

na innym rozwizaniu Ð

przyrzdach wykorzystu-

jcych zjawisko tunelowa-

nia elektronw przez cienk

warstw« izolatora. S¸aby prd

tunelowy moýe zmienia si«

nawet o 30% zaleýnie od te-

go, czy pola pochodzce od

dwch magnesw umiesz-

czonych po obu stronach izo-

latora maj zwrot zgodny,

czy przeciwny. W marcu br.

zesp¸ inýynierw z IBM pod

kierunkiem Williama J. Galla-

ghera i Stuarta S. P. Parkina

poinformowa¸ o skonstru-

owaniu 14-bitowych macie-

rzy na takich w¸aænie z¸-

czach tunelowych. Stwierdzi-

liæmy, ýe pojedynczemu bi-

towi odpowiada obszar o

szerokoæci zaledwie 200 nm,

a czas prze¸czania wynosi

5 ns Ð informuje Gallagher.

Z¸cza tunelowe mog jed-

nak sprawi wiele k¸opotw

w produkcji masowej. S one

niezmiernie wraýliwe na gru-

boæ najcieÄszej warstwy wykonanej z aluminium, ktra wy-

nosi 0.7 nm, co odpowiada czterem warstwom atomowym.

Wszelkie dziurki w tej warstwie zwieraj i w rezultacie dys-

kwalifikuj komrk« pami«ci. Co wi«cej, zarwno w przy-

padku zaworw spinowych, jak i z¸cz tunelowych tempe-

ratura przekraczajca 300¡C powoduje defekty. Linie

produkcyjne uk¸adw scalonych pracuj zwykle w tempera-

turze o 100 stopni wyýszej.

Te niepewnoæci mog utorowa drog« trzeciemu rozwi-

zaniu, za ktrym stoj najmniejsze pienidze, cho ma ono

najd¸uýsz histori«. 120 lat temu Edwin Hall odkry¸, ýe ma-

gnes powoduje odchylenie prdu p¸yncego w cienkiej war-

stwie. W¸aænie to zjawisko wykorzystuje si« w pami«ciach

magnetycznych proponowanych przez Lienaua oraz w po-

ODCZYT

ZAPIS

IZOLATOR

POLE

MAGNETYCZNE

PRD

ZüCZE TUNELOWE. Pole magnetyczne jest ãuwi«zioneÓ w dol-

nej warstwie (purpurowa strza¸ka) . Dane przechowywane w gr-

nej warstwie (fioletowa strza¸ka) s odczytywane przez impuls

prdowy (zielona strza¸ka) , ktrego cz«æ pokonuje struktur«,

wykorzystujc efekt tunelowania. Elektrony tuneluj ¸atwiej, je-

ýeli obydwa pola maj ten sam kierunek i zwrot. W trakcie za-

pisu dwa impulsy prdowe mog zmieni zwrot wektora pola

w grnej warstwie, zmieniajc zawartoæ komrki.

IMPULS

UJEMNY

IMPULS

DODATNI

PRD

POLE

MAGNETYCZNE

ZAWîR SPINOWY. Dolna warstwa magazynuje dane: 1, gdy po-

le magnetyczne skierowane jest w lewo, i 0 Ð w prawo. Stan ko-

mrki moýna odczyta za pomoc dwch impulsw prdu, naj-

pierw dodatniego, a nast«pnie ujemnego. Impulsy wytwarzaj

pole w cienkiej grnej warstwie (fioletowa strza¸ka) zwrcone

najpierw w lewo, a potem w prawo, ale s zbyt s¸abe, by zmie-

ni stan w grubej warstwie. Rezystancja mierzona za pomoc pr-

du prbkujcego (nie zaznaczonego na rysunku) zmieni war-

toæ z duýej na ma¸, gdy komrka zawiera 1, i z ma¸ej na duý,

jeæli zawiera 0. Podczas zapisu prdy o duýym nat«ýeniu p¸yn-

ce w obydwu przewodnikach zmieni zwrot obu wektorw pola

magnetycznego.

å WIAT N AUKI Lipiec 1999 7

Dwa rodzaje pami«ci magnetycznych

dobnym rozwizaniu Johnsona zwanym hallowsk pami«-

ci hybrydow.

Teoretycznie obydwa rozwizania prowadz do uk¸adw,

ktre powinny by ¸atwiejsze do wyprodukowania od opar-

tych na zaworach spinowych lub z¸czach tunelowych. Dobrze

znosz wysok temperatur« i jak podkreæla Johnson, wy-

magaj dwukrotnie mniej procesw trawienia niý uk¸ady

DRAM. Co wi«cej, ãw przeciwieÄstwie do pozosta¸ych ro-

dzajw pami«ci [magnetycznej] moýna je osadza na pod-

¸oýu ze szk¸a (a by moýe nawet plastiku) Ð a nie na mono-

kryszta¸ach krzemuÓ Ð wyjaænia¸ Sadwick reporterowi Scien-

tific American , demonstrujc p¸ytk« szklan o wymiarach

1 x 1 mm pokryt drucikami ze z¸ota tworzcymi macierz

czujnikw hallowskich. Ta wszechstronnoæ powinna sprawi,

ýe pami«ci b«d tanie, nawet jeýeli nie uda si« zmniejszy po-

jedynczych komrek do zakresu submikrometrowego, do

czego dý konkurenci. Skoro mamy pojedyncze dzia¸ajce

komrki Ð mwi Sadwick Ð ãnie widz« przeszkd w opraco-

waniu komercyjnych oæmiobitowych prototypw jeszcze

w tym rokuÓ.

Tymczasem Johnson przekaza¸ swj projekt firmie Honey-

well, ktra zbudowa¸a egzemplarze doæwiadczalne mikro-

metrowych rozmiarw na pod¸oýu z arsenku galu. ãPotrafi

juý zapisywa bity w cigu 8 nsÓ Ð twierdzi Johnson. I doda-

je, ýe pami«ci nast«pnej generacji b«d mniejsze, szybsze i wy-

konane na pod¸oýu z krzemu, ktry jest standardowym ma-

teria¸em w produkcji uk¸adw scalonych.

W. Wayt Gibbs

Institute of Physics, Polish Academy of Sciences (Warsaw Ð Poland), announces

The Eighth International Competition

FIRST STEP TO NOBEL PRIZE IN PHYSICS

This is an International Competition in Physics Research Projects for Secondary/High School Students. The competition targets seconda-

ry/high school students who are interested in physics and are willing to perform their own research works in physics. At times, their results

are very interesting and valuable. The Institute of Physics in the Polish Academy of Sciences will organise the eighth competition in the

1999/2000 academic year, and invited the participation of students based on the rules below.

General Rules:

1. All the secondary/high school students regardless of the country, type of the school etc. are eligible for the competition. The only con-

ditions are that the school cannot be considered as a university college and the age of the participant should not exceed 20 years

on March 31, 2000.

2. There are no restrictions concerning the subject matter of the papers, their level, methods applied etc. All these are left to the partici-

pantsÕ choice. The papers, however, have to have a research character and deal with physics topics or topics directly related to physics.

3. Every participant can submit one or more papers but each paper should have only one author . The total volume (i.e. text + figures

+ captions + tables + references) of each paper should not exceed 25 normal typed pages (about 50,000 characters).

4. The papers will be refereed by the Organising Committee and the best will be awarded. The number of awarded papers is not limited.

All the awards will be considered equivalent. The Authors of the awarded papers will be invited to the Institute of Physics (or to insti-

tutions co-operating with the Institute of Physics) for one monthÕs research stay (the stays are scheduled for November 2000). The neces-

sary stay expenses (without expenses for travel) will be paid by the organisers. Unfortunately, the travel expenses to and from Poland can-

not be paid by the organisers and the winners will have to find some sponsors.

5. In addition to the regular awards the Organising Committee may establish a number of honourable mentions . The participants who

won the honourable mention receive diplomas, but they are not invited to the research stay.

6. The participants send their papers in two copies in English only by March 31, 2000 to:

Mrs. Maria Ewa Gorzkowska, M. A., Secretary of the FIRST STEP

Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, al. Lotnikw 32/46, (PL) 02-668 Warszawa

7. Each paper should contain the name, birth date and home address of the Author and the name and address of his/her school.

8. IMPORTANT: The papers which do not conform the above mentioned formal conditions will not be evaluated. In particular

that refers to the following papers:

submitted without copy or without data about the author,

l in which physics does not play a basic role,

which do not have a research character (descriptive papers, essays, papers without any own results received

by the Authors etc. are rejected in the first pass of evaluation).

We hope that our competition will provide the pupils with an opportunity to compare their own achievements with these of their colleagu-

es from other countries. Also we hope that the stay of young scientists in our Institute will result in friendly relationship between them,

what seems especially valuable for the future.

On behalf of the Organising Committee:

(-) Dr. Yohanes Surya (-) Dr. Waldemar Gorzkowski

(Jakarta, Indonesia) (Warsaw, Poland)

Vice-President of the Organising Committe President of the Organising Committee

Additional information on the competition and on the proceedings of the past competitions can be obtained from Dr. Waldemar Gorzkowski Ð phone:

(48)22-8435212; fax: (48)22-8430926; e-mail: gorzk@ifpan.edu.pl or from Dr. Yohanes Surya Ð e-mail: yohaness@centrin.net.id

8å WIAT N AUKI Lipiec 1999

written in language different than English or written by hand,

l received after the deadline (the participants should sent the papers out to the organisers early enough),

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: