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过去几十年中，CPU的速度一直遵循着摩尔定律，呈几何级数的增长趋势；与之相比，存储系统已成为PC机的性能瓶颈。2008年4月，蓝色巨人IBM的研究人员提出了“赛道”存储器(RacetrackMemory)——一种兼具闪存的高性能、可靠性以及传统硬盘的低成本、高容量特性的计算机存储技术。在未来的十年中，“赛道”是否会彻底变革传统存储技术？ 本文将向读者介绍这个尚处于实验室中，但极具潜力的前沿技术，并讨论其发展前景。
什么是“赛道”存储器
事实上，IBM赛道存储器从一年前就已开始吸引媒体的关注。本刊今年3月上期的《硬盘、内存、闪存，路在何方？存储技术进化无止境》一文中，也提及了赛道存储器。这种兼具闪存的高性能、可靠性以及传统硬盘的低成本、高容量特性的新技术，与传统存储技术相比究竟有什么不同呢？
同其他新技术一样，赛道存储器的也是基于先前基础科学的研究成果。让我们首先回顾一下传统的硬盘存储技术。从1956年IBM推出第一块商用硬盘驱动器至今，硬盘一直延续着温彻斯特机械体系。硬盘将信息存储在高速旋转的盘面上，盘面本身由非磁性材料制造，上面覆有磁涂层。微观地看，盘片上的磁涂层是由数量众多、体积极为细小的磁颗粒(magnetic grains)组成，若干个磁颗粒组成一个磁位元，通过磁位元被磁场磁化的方向不同，来存储二进制的0或者1。通过磁头改变或检测盘面上磁颗粒磁场的方向，就可以实现数据的写入和读取(图1)。最早的磁头采用锰铁磁体制成，通过电磁感应读写数据，其工作原理很像磁带的磁头。随着信息技术发展对存储容量的要求不断提高，磁盘的存储密度难以满足实际需求，发展几乎陷于停滞。
磁畴壁在“赛道”的内部形成，描绘出沿赛道反方向被磁化的区域。每个磁域都拥有一个“头”和一个“尾”。赛道上连续的磁畴壁在“头对头”和“尾对尾”之间交替配置。赛道存储器中的“位元”就是两个磁畴壁之间的间隙，通过电流改变沿纳米线的磁场特性，建立一系列的磁畴壁和相互间隙，实现信息的编码。磁畴壁的写入和转移周期只有数十纳秒。磁畴壁是沿着纳米轨道(也就是“赛道”)移动，写数据时，电流通过输入线路创建一个磁场，如果这个bit的值与前一个不同，那么它们之间就存在一个磁畴壁(图4)。数据的读取则通过检测与赛道相连接的磁性隧道结的磁阻来实现（图3-c)。这就是赛道存储器的基本工作原理。
“赛道”的惊人优势
虽然还处于研究的早期阶段，但赛道存储器的优点将使其成为极具吸引力的硬盘和闪存替代品。
传统硬盘目前仍是主流的储存手段，不过有着耗电量高、抗震性较差和运转噪声较大等问题。与传统的温彻斯特硬盘相比，赛道存储器没有运动部件，也就不存在可能产生磨损的器件，也更加坚固。IBM表示，赛道存储器的容量将可达到目前传统硬盘的100倍，若是20GB的iPod改用此技术，容量就可激增为2000GB(即2TB)，将可储存多达50万首乐曲或3500部电影(图5)。而且，具有更低的成本和功耗，几乎不会损坏。
闪存具有存储速度快的优点，但因为使用晶体管存储结构，存在电荷泄露和存储单元的磨损，性能会随着时间的推移逐渐退化，存储位会逐渐消耗尽。使用寿命是闪存的先天性缺陷，因为NAND闪存每个存储块最多能擦写100万次，而NOR的可擦写次数不到10万次。赛道存储器则是利用电子的“自旋”来存储数据，可以无数次地重写而不会耗损。也不像闪存，它可以没有损耗地进行无限次的重写。
赛道存储技术无论从速度还是存储容量，都具有极大的优势——它可使电子设备在同样的空间内存储远多于今天的数据，同时拥有闪电般的启动速度、低得多的成本以及前所未有的稳定性和耐久性。
正如一位纽约大学物理学家评价的那样，赛道存储器将磁性硬盘的廉价、高密度存储与闪存的高速性能等优点完美地统一起来，同时又避免了它们各自的速度和成本缺陷。
更重要的是，如果赛道技术得以产业化，那么芯片技术将从今天的二维结构进入三维时代，也会突破二维摩尔定律。摩尔曾经预测，硅片上晶体管的数量，每18个月将翻倍；而一旦过渡到三维存储的话，或许根本用不到18个月，晶体管的数量就可以翻番。
正如研究人员预测，赛道技术一旦成功的话，不仅将颠覆我们存储数据的方式，也将会颠覆我们处理数据的方式。
逐步加速的“赛道”
技术永远比市场跑得快。赛道存储器技术距离市场更是有着很长的路要走，现实中的赛道存储器技术仍处于概念阶段，还有许多技术难题需要突破。与此同时，有些研究者也发出了不同的声音，他们怀疑赛道存储器能否发展成为具有商业前景的技术。
在两个月前，IBM研究院院士Stuart Parkin博士及其同事向我们演示了“赛道”存储器的基础原理。迄今为止，这项技术还没有走出IBM的实验室。研究人员实现了一个3位的移位寄存器(存储器的基础元件)，从而验证了赛道存储器基本概念的可行性。IBM研究人员表示，目前还在寻找最合适的磁介质、制造工艺，以及探索电流如何更有效地移动磁结构，估计商业用途的赛道存储器替代传统硬盘仍然需要十年的时间。
相关科学领域的发展，已极大缩短了从物理原理发现到技术产业化的时间间隔。前面提到的巨磁阻效应，从被发现到被广泛应用，只用了六年时间。从1997年真正的商用巨磁阻磁头问世到如今，每年超过10亿个使用这种技术的硬盘和MP3涌入市场，这一技术也给IBM带来了上百亿美元的收入。
学家小组的研发下，兼具闪存的高性能、可靠性以及硬盘的低成本、高容量特性的计算机内存已经指日可待。我们有理由相信蓝色巨人能带来计算机存储的又一次革命。Parkin博士先前的工作已经取得了骄人的成绩，他在GMR领域的研究成果改变了整个硬盘驱动器产业，用在了当今市场上的每一块硬盘中。回顾历史，IBM研究人员发明过诸多颠覆业界规则的技术，包括内存芯片、硬盘驱动器和关系数据库等。IBM对于开拓前沿研究成果而产生的全新市场十分熟悉，这也是赛道存储技术发展的重要基础。
近期的消息是，IBM于4月29日正式宣布将于世界上最大的闪存制造商飞索半导体(Spansion)交换专利使用权，合作推进赛道存储器的研发。Spansion在中国的设计中心拥有1300多名员工，在苏州有一个制造厂，并且有三个销售和市场部门。虽然有很长的路要走，但赛道存储器正由崎岖的探索之路转向快车道了。
写在最后
回顾存储技术的历史，我们可以发现，在习以为常的消费产品中间，都闪烁着科技的光芒。正如今天的MP3播放器替代了曾经流行的Sony Walkman，我们有理由相信，赛道存储器将使传统硬盘退出历史舞台。
在未来几年中，大容量硬盘仍是普通消费者的首选，至于目前热门的固态硬盘，虽然有体积小速度快等优势，但笔者对其未来并不看好，因为其价格几乎很难在短时间内下降到可让普通消费者所能接受的范围内。
如论如何，我们应欣慰的看到将闪存的高性能和高可靠性同硬盘的低成本高容量相结合的计算机存储设备比预想的离我们更近了。
什么是“赛道”存储器
事实上，IBM赛道存储器从一年前就已开始吸引媒体的关注。本刊今年3月上期的《硬盘、内存、闪存，路在何方？存储技术进化无止境》一文中，也提及了赛道存储器。这种兼具闪存的高性能、可靠性以及传统硬盘的低成本、高容量特性的新技术，与传统存储技术相比究竟有什么不同呢？
同其他新技术一样，赛道存储器的也是基于先前基础科学的研究成果。让我们首先回顾一下传统的硬盘存储技术。从1956年IBM推出第一块商用硬盘驱动器至今，硬盘一直延续着温彻斯特机械体系。硬盘将信息存储在高速旋转的盘面上，盘面本身由非磁性材料制造，上面覆有磁涂层。微观地看，盘片上的磁涂层是由数量众多、体积极为细小的磁颗粒(magnetic grains)组成，若干个磁颗粒组成一个磁位元，通过磁位元被磁场磁化的方向不同，来存储二进制的0或者1。通过磁头改变或检测盘面上磁颗粒磁场的方向，就可以实现数据的写入和读取(图1)。最早的磁头采用锰铁磁体制成，通过电磁感应读写数据，其工作原理很像磁带的磁头。随着信息技术发展对存储容量的要求不断提高，磁盘的存储密度难以满足实际需求，发展几乎陷于停滞。
磁畴壁在“赛道”的内部形成，描绘出沿赛道反方向被磁化的区域。每个磁域都拥有一个“头”和一个“尾”。赛道上连续的磁畴壁在“头对头”和“尾对尾”之间交替配置。赛道存储器中的“位元”就是两个磁畴壁之间的间隙，通过电流改变沿纳米线的磁场特性，建立一系列的磁畴壁和相互间隙，实现信息的编码。磁畴壁的写入和转移周期只有数十纳秒。磁畴壁是沿着纳米轨道(也就是“赛道”)移动，写数据时，电流通过输入线路创建一个磁场，如果这个bit的值与前一个不同，那么它们之间就存在一个磁畴壁(图4)。数据的读取则通过检测与赛道相连接的磁性隧道结的磁阻来实现（图3-c)。这就是赛道存储器的基本工作原理。
“赛道”的惊人优势
虽然还处于研究的早期阶段，但赛道存储器的优点将使其成为极具吸引力的硬盘和闪存替代品。
传统硬盘目前仍是主流的储存手段，不过有着耗电量高、抗震性较差和运转噪声较大等问题。与传统的温彻斯特硬盘相比，赛道存储器没有运动部件，也就不存在可能产生磨损的器件，也更加坚固。IBM表示，赛道存储器的容量将可达到目前传统硬盘的100倍，若是20GB的iPod改用此技术，容量就可激增为2000GB(即2TB)，将可储存多达50万首乐曲或3500部电影(图5)。而且，具有更低的成本和功耗，几乎不会损坏。
闪存具有存储速度快的优点，但因为使用晶体管存储结构，存在电荷泄露和存储单元的磨损，性能会随着时间的推移逐渐退化，存储位会逐渐消耗尽。使用寿命是闪存的先天性缺陷，因为NAND闪存每个存储块最多能擦写100万次，而NOR的可擦写次数不到10万次。赛道存储器则是利用电子的“自旋”来存储数据，可以无数次地重写而不会耗损。也不像闪存，它可以没有损耗地进行无限次的重写。
赛道存储技术无论从速度还是存储容量，都具有极大的优势——它可使电子设备在同样的空间内存储远多于今天的数据，同时拥有闪电般的启动速度、低得多的成本以及前所未有的稳定性和耐久性。
正如一位纽约大学物理学家评价的那样，赛道存储器将磁性硬盘的廉价、高密度存储与闪存的高速性能等优点完美地统一起来，同时又避免了它们各自的速度和成本缺陷。
更重要的是，如果赛道技术得以产业化，那么芯片技术将从今天的二维结构进入三维时代，也会突破二维摩尔定律。摩尔曾经预测，硅片上晶体管的数量，每18个月将翻倍；而一旦过渡到三维存储的话，或许根本用不到18个月，晶体管的数量就可以翻番。
正如研究人员预测，赛道技术一旦成功的话，不仅将颠覆我们存储数据的方式，也将会颠覆我们处理数据的方式。
逐步加速的“赛道”
技术永远比市场跑得快。赛道存储器技术距离市场更是有着很长的路要走，现实中的赛道存储器技术仍处于概念阶段，还有许多技术难题需要突破。与此同时，有些研究者也发出了不同的声音，他们怀疑赛道存储器能否发展成为具有商业前景的技术。
在两个月前，IBM研究院院士Stuart Parkin博士及其同事向我们演示了“赛道”存储器的基础原理。迄今为止，这项技术还没有走出IBM的实验室。研究人员实现了一个3位的移位寄存器(存储器的基础元件)，从而验证了赛道存储器基本概念的可行性。IBM研究人员表示，目前还在寻找最合适的磁介质、制造工艺，以及探索电流如何更有效地移动磁结构，估计商业用途的赛道存储器替代传统硬盘仍然需要十年的时间。
相关科学领域的发展，已极大缩短了从物理原理发现到技术产业化的时间间隔。前面提到的巨磁阻效应，从被发现到被广泛应用，只用了六年时间。从1997年真正的商用巨磁阻磁头问世到如今，每年超过10亿个使用这种技术的硬盘和MP3涌入市场，这一技术也给IBM带来了上百亿美元的收入。
学家小组的研发下，兼具闪存的高性能、可靠性以及硬盘的低成本、高容量特性的计算机内存已经指日可待。我们有理由相信蓝色巨人能带来计算机存储的又一次革命。Parkin博士先前的工作已经取得了骄人的成绩，他在GMR领域的研究成果改变了整个硬盘驱动器产业，用在了当今市场上的每一块硬盘中。回顾历史，IBM研究人员发明过诸多颠覆业界规则的技术，包括内存芯片、硬盘驱动器和关系数据库等。IBM对于开拓前沿研究成果而产生的全新市场十分熟悉，这也是赛道存储技术发展的重要基础。
近期的消息是，IBM于4月29日正式宣布将于世界上最大的闪存制造商飞索半导体(Spansion)交换专利使用权，合作推进赛道存储器的研发。Spansion在中国的设计中心拥有1300多名员工，在苏州有一个制造厂，并且有三个销售和市场部门。虽然有很长的路要走，但赛道存储器正由崎岖的探索之路转向快车道了。
写在最后
回顾存储技术的历史，我们可以发现，在习以为常的消费产品中间，都闪烁着科技的光芒。正如今天的MP3播放器替代了曾经流行的Sony Walkman，我们有理由相信，赛道存储器将使传统硬盘退出历史舞台。
在未来几年中，大容量硬盘仍是普通消费者的首选，至于目前热门的固态硬盘，虽然有体积小速度快等优势，但笔者对其未来并不看好，因为其价格几乎很难在短时间内下降到可让普通消费者所能接受的范围内。
如论如何，我们应欣慰的看到将闪存的高性能和高可靠性同硬盘的低成本高容量相结合的计算机存储设备比预想的离我们更近了。