Новейшие наноразмерные технологии записи на магнитные диски. Магниторезистивная память

Основные положения лекции 11

При размерах участков "битов" меньше 30 нм для обеспечения стабильности записи пришлось переходить на магнитные материалы с большей коэрцитивной силой и со значительно большей остаточной магнитной индукцией. Такими материалами оказались сплавы типа и , которые имеют и значительно более высокую анизотропию. Это позволило перейти к технологии "перпендикулярной записи" информации, когда запоминающие элементы намагничиваются в направлении, перпендикулярном к плоскости диска. Переход на такую технологию позволил значительно уменьшить ширину магнитных дорожек и длину участков "битов" и достичь более высокой плотности записи информации – до 50-100 Гбит/см². И хотя формирование магнитного покрытия дисков и изготовление считывающе-записывающих головок стали в несколько раз более сложными и более дорогими, выигрыш от увеличения плотности записи перекрыл дополнительные затраты, так что удельная стоимость одного мегабита информации заметно уменьшилась.

Когда размеры участка "бита" приблизились к 10 нм, для обеспечения стабильности записанных бит информации пришлось переходить на магнитные материалы с еще большими коэрцитивной силой и остаточной магнитной индукцией. Для записи потребовались уже настолько сильные магнитные поля, которые трудно получить с помощью миниатюрной индуктивной записывающей головки. Выходом стала запись информации при повышенной температуре вблизи температуры Кюри. Для локального нагрева участка ферромагнетика используют лазерный диод.

Следующее усовершенствование связано с тем, что магнитожесткий слой на поверхности диска формируют в виде регулярного массива из отдельных ферромагнитных наностолбиков, каждый из которых представляет собой один самостоятельный магнитный домен. Для сосредоточения энергии локального нагрева на площади размером порядка 10 нм используют концентратор на основе поверхностных плазмонов.

Одним из перспективнейших вариантов энергонезависимой оперативной памяти с произвольным доступом стала магниторезистивная память. Наиболее совершенной элементарной ячейкой такой памяти является многослойная структура, состоящая из нижнего электрода, нижнего магнитожесткого слоя, промежуточного слоя, верхнего магнитожесткого слоя, намагниченного в направлении, противоположном нижнему, из нижнего резонансного, туннельного и верхнего резонансного слоев толщиной порядка 1 нм, из нижнего и верхнего запоминающих слоев, разделенных промежуточным слоем, а также из верхнего электрода. Благодаря использованию дополнительных резонансных слоев значительно повышается чувствительность магниторезистивного элемента. Для обеспечения надежности адресного считывания и записи информации в состав элементарных ячеек памяти вводят МДП транзистор. Оказалось, что достаточно использовать один МДП транзистор на 8-16 ячеек памяти, что обеспечивает большую плотность записи – до 25 Мбит на площади 5 х 7 мм².

По сравнению с другими видами оперативной памяти магниторезистивные ОЗУ имеют то преимущество, что являются энергонезависимыми и потребляют меньшую мощность. Сравнительно с популярной сейчас флеш-памятью магниторезистивные ОЗУ имеют такие преимущества, как значительно меньшие затраты энергии на перезапись, неограниченное число циклов перезаписи и намного более длительный срок хранения данных – теоретически не ограниченный.

Набор для практики

Вопросы для самоконтроля

1. Какие изменения стали необходимы, когда длина участков "битов" на магнитных дисках стала меньше 30 нм? Объясните, почему.
2. Какие ферромагнитные материалы оказались наиболее пригодными для создания покрытия магнитных дисков при длине участков "битов" меньше 30 нм?
3. Что такое технология "перпендикулярной записи" информации? Какую плотность записи информации на магнитный диск она обеспечила?
4. Для чего записывающую головку при такой технологии делают с существенно разной шириной магнитных полюсов? Опишите наноархитектуру магнитного покрытия.
5. Какие изменения стали необходимы, когда длина участков "битов" на магнитных дисках приблизилась к 10 нм?
6. На чем основана технология записи информации на магнитный диск с локальным нагревом участка записи?
7. С какой целью магнитожесткий слой на поверхности диска стали формировать не сплошным, а в виде регулярного массива из отдельных ферромагнитных наностолбиков?
8. Для чего нужен и на каком принципе функционирует концентратор энергии на основе поверхностных плазмонов?
9. Как устроено магниторезистивное ОЗУ? Изобразите принципиальную структуру его элементарной ячейки и объясните принцип ее работы.
10. Какие обстоятельства усложняют работу МРОЗУ с простейшей матричной организацией? Объясните это на соответствующих схемах.
11. С какой целью в ячейку памяти МРОЗУ вводят МДП транзистор? Изобразите структуру элементарной ячейки усовершенствованного МРОЗУ и объясните назначение каждого из элементов.
12. Благодаря чему оказывается достаточным использовать один МДП транзистор на 8-16 ячеек памяти?
13. Почему "магнитный звон" не позволяет повысить быстродействие МРОЗУ? Как удалось преодолеть это ограничение?
14. С какой целью с обеих сторон туннельного диэлектрического слоя в структуре МРОЗУ вводят дополнительные "резонансные" слои?
15. Какие преимущества магниторезистивные ОЗУ имеют перед флеш-памятью? Какой плотности записи информации достигли сейчас в МРОЗУ?