文｜辛江

　　制图｜李婷婷

　　在磁电子学的新领域中，研究者们开发出了更好的存储装置。更快，更省电，而且更有利于云计算。

　　2007年的诺贝尔物理学奖颁给了法国和德国的两位科学家，以表彰他们在发现巨磁电阻效应中做出的努力。Albert Fert和Peter Grünberg在1988年发现的巨磁电阻效应已经成为现代硬盘的基本原理，并且衍生出了磁电子学这样一个新学科。现在，基于磁电子学理论，日本东北大学和NEC公司的研究者们开发出新型的磁存储装置，也许会改变即将来临的云计算时代。

　　磁存储已经有了过百年的历史。早在1898年，丹麦工程师Valdemar Poulsen就发明了钢丝录音机，使用电磁铁磁化钢丝以存储声音；从1950年代开始，磁芯、磁盘、磁泡等存储器纷纷出现，直到现在，磁存储器依然是最常用的数据存储装置。这些存储设备的原理都一样：通过外加电场或磁场改变一小块铁磁性材料上的磁矩方向，以不同的磁矩方向表示0或者1。

　　铁磁性材料的内部可以分为许多小区域，每个小区域中的原子磁矩整齐排列，但是整体上彼此抵消，不显示磁性。在磁化后，这些小区域中的原子会向同样的方向排列整齐，于是显示出磁性来。这些小区域称为磁畴，可以看做一个个小磁铁。在薄膜状的铁磁体上，磁畴之间并非突然转换磁矩方向，而是在一定厚度范围内逐渐过渡，这个过渡区域就被称为磁畴壁，它是两个磁畴之间的分界，两侧磁畴的磁矩方向相反。

　　1960年代发明的磁泡存储器，是最早利用小磁畴来存储数据的存储装置。它拥有不少优势，但是读取和写入速度并不令人满意。很快，磁泡就被动态随机访问存储器所取代—后者逐渐发展成我们所熟知的“内存”。

　　直到1985年，有关磁泡存储器的存储才重新抬头：卡耐基-梅隆大学的研究者提出一种设想，认为可以使用磁畴壁存储信息，制造出极限密度可达每平方厘米1.25G字节的高密度存储装置。在6月17日于日本京都召开的超大规模集成电路研讨会上，东北大学和NEC公司合作开发的“使用磁畴壁运动元件的内容可寻址存储器”，正是基于这种思路而发明的。

　　在显微镜下看，这种存储器中的每个存储单元都像是小小的公园石凳。凳脚是两小块磁铁，拥有相反的磁矩方向；搭在上面的凳面被叫做“自由层”，是一片铁磁性薄膜，磁矩方向和薄膜表面垂直。在凳脚磁铁的影响下，自由层上存在两个不同的磁矩方向，之间由磁畴壁截然分开。在没有外部电流流过时，磁畴壁能够长期保持稳定，而在电流流过时，因为电子自旋的作用，磁畴壁将会左右移动，自由层的磁化方向也会随之改变，不同的磁化方向便可以对应存储1和0。

　　在读取时，则需要借助磁隧道结元件。磁隧道结元件会因为外界磁场方向的不同而表现出显著不同的电阻，非常适合检测存储器自由层的磁矩方向。这样，写入和读取的电流通道就可以分开，实现了三端子型存储元件：两个写入端子，一个读出端子。这种设备只在读取和写入的时候需要电能，而不像传统内存那样，在存储数据时也需要持续的电能供应。

　　计算机使用的内存不能断电，否则就会丢失数据。这是由内存的原理决定的：用于存储数据的实际上是微小的电容，而电容像是漏水的水桶，其中存储的电量会慢慢漏掉。为了保留数据，就需要周期性地为电容充电。这也是计算机待机时耗电的主要原因；而在以服务器集群为主要运算设备的云服务中，待机耗电量甚至可能占总电量的1/4。

　　“使用磁畴壁运动元件的内容可寻址存储器”可以省下这部分电能。如果以这种新型磁存储设备作为计算机的内存，那么任何时候都可以直接关机而无需进入待机，在再次开机时便能立刻恢复到关机之前的状态，就像把数据放入保险箱一样不会丢失。

　　它能节省的还不止这些：现在日本东北大学和NEC公司试制出的16K存储器，功耗只有94毫瓦，远低于今天的硬盘或者固态硬盘。

　　现在，这种存储设备的反应速度已经达到了5纳秒，大约相当于10年前的内存；而通过改进设计方法，在每个存储单元上只需要三个晶体管，而非类似存储技术所需的8个—这让每个单元只有传统存储单元的一半大小，同样尺寸的芯片可以获得更大的存储密度。

　　而它的优势还不止如此。

　　“内容可寻址存储器”是一种专门为快速查找数据而设计的存储器，它把输入的数据与内部所存储的数据进行比较，找到用户查找的内容，而非如传统存储器那样只能访问存储地址。

　　这种存储器可以看做是预置了搜索算法的硬件，它拥有的并行处理特性使得它在数据分选领域大受青睐，无论是高速数据处理、数据加密与压缩还是网址搜寻、模式识别技术，都会欢迎这种存储设备—而云计算时代所要求的安全、快速和高性能，正是建立在这些技术大量应用的基础之上。

　　这项研究是在日本学术振兴会的高级研究开发支持项目“节能自旋电子逻辑集成电路的研究开发”下开展的，计划于2013年完成全部研究，制造出待机功率为零的集成电路产品。

　　目前制造出的原型只是使用了90纳米的集成电路制造工艺和140纳米宽的磁畴元件，显然还有改进的空间。它还只是个试验品，还需要足够的时间才能成熟到足以商业化的程度—按照这种技术的开发者、被称为“铁磁半导体之父”的日本东北大学大叶英男教授的说法，大概还需要5年。

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