凭什么一统存储界？

RaceTrack（赛道）存储是IBM实验室研究的一项新型存储技术，该技术结合了硬盘和闪存的诸多优点，不仅存储容量大而且存储的速度也非常快。与此同时，存储的成本也比固态硬盘要低，甚至功耗控制上也更为优秀。如此全能的技术是如何炼成的？能在近期商用化吗？

众所周知，现今的大容量存储设备主要分为两类。一类是磁性硬盘（传统HDD），容量大、成本低，但受机械部件所限而速度缓慢。另一类是固态硬盘（SSD），速度较快但是成本高昂。IBM RaceTrack（中文直译为“赛道”）技术意在融合上述两种技术的优点，将磁性存储固态化，以期获得两类设备的优势互补。IBM已经证明，该项技术不但容量密度百倍于现有技术，访问速度也快得多。它能抛弃传统硬盘的机械部件实现固态化，但成本又比SSD低了一大截。一项技术为什么能融合那么多优点？本文将从该技术原理底层说起，为你揭秘“赛道”将如何改变我们的存储世界。

摒弃拖累速度的机械结构

赛道技术其实和当前常见磁记录硬盘（常用的机械硬盘，简称HDD）技术颇有关联，都是磁性存储。但赛道技术不存在需要机械运转的内部组件（例如磁头臂组合和马达等），可以固态化。当然此固态化和当前流行的SSD固态硬盘又有所不同，毕竟SSD的存储介质是闪存，而赛道的存储介质依旧是磁性物质。

前面说了，赛道技术和HDD颇有关联，所以想了解赛道技术可以通过对比HDD来获得更直观的感受。一个典型的HDD结构如右下图所示。磁盘上的每一个圆周为一个记录数据的“磁道”。在控制规则的作用下，磁头臂将磁头先移动到待读写磁道的上方，然后磁盘的主电机带动盘面旋转，使得磁道经过磁头，实现对磁道上的数据进行读写。简单点说传统HDD就是让磁头在旋转的盘片上去找数据，因此不论是移动磁头还是转动盘片都离不开机械结构。而机械结构在稳定性和性能上难以进一步拔高，例如在多年以前就达到每分钟7200转的马达，现在的主流HDD产品也还依旧维持在7200r/min的规格。而与此同时，PC其他配件的技术和性能却是日新月异，终逐步导致HDD成为了当前PC系统的一大性能瓶颈。

而赛道存储技术和传统HDD大的不同则是不再需要磁头去找数据，而是数据来找磁头。具体如何实现的呢？你可以理解为我们从HDD磁盘上取出一条正处于磁头下方的磁道环，然后将这个磁道环切断并拉直，它就成为了一条直线型的磁道，这也就是“道”的基本结构（如右图左上角）。那么是不是以后的磁头需要直线运作来读取数据呢？显然再引入机械结构依旧会出现当前HDD遇到的瓶颈，所以赛道技术的磁头是固定的，需要数据来找磁头。那么在这条磁道上的数据如何在磁道没有机械运动的前提下移动起来，这就是赛道技术的关键。

关键在如何让数据动起来

根据上述介绍，要摒弃机械运动，就得让记录数据的磁性单元自己动起来，而不是附着在盘片上等待电机将它送往磁头下方。由此，IBM提出了基于“电流控制的磁畴壁纳米线上移位”技术，并以此成就了整个赛道技术的发展。“电流控制的磁畴壁纳米线上移位”的大致内容是：给定一条能记录磁性信息的纳米线，往这条纳米线上加入一定的控制电流，纳米线上用来记录磁性信息的“磁畴壁”将会在纳米线上进行受控运动。也就是说，能人为控制某个数据（磁记录单元）按规定移动到某磁头下方被读取。

在IBM给出的模型中，“赛道”就是类似一条被拉直的磁道的铁磁性纳米线，这条线可以容纳用来表示数据位的磁性信息：“磁畴壁”。在这条纳米线的附近放置着读写磁头。通过往纳米线上加入正向或反向的电流，使储存了信息的数据位在纳米线上来回移动，去找到读写磁头进行读写操作，且不改变其他磁性单元的极性。

相信不少读者都还记得“磁带”，赛道的数据寻找机理和它有些类似。通过“快进”或者“快退”到目标区域，然后“播放”或者“录制”来进行读写。只不过磁带是用电机移动数据带，而“赛道”是用电流来移动数据单元。这使得赛道技术能够完全脱离机械装置，因而实现芯片化和固态化。

需要强调的一点是，在这样一种数据位（磁性记录单元）的移动过程中，并没有出现物体的运动（即没有大量原子参与受控运动），只是“磁畴壁”这种用来表示数据的“符号”，沿着赛道移动。打个比方就好像纳米赛道线是“公路”，磁畴壁是“汽车”，车流移动了，公路始终是固定的。而磁带，或者传统的H DD，甚至光储存，则属于“传送带”式工作。而且在“0”和“1”的表示上，赛道和H DD也并不完全相同，相对极性更稳定。

赛道VS硬盘 速度、噪音和抗震性完胜

赛道继承了HDD结构简单、储存密度巨大等优点。与此同时，抛弃了机械结构，依靠电流驱动让其寻道速度和内存、SSD等存储器处于同一量级上。相比HDD在速度上的提升是一星半点，特别是小数据随机读写，可以比当前的HDD技术高出10000倍甚至更多。在IBM的实验中，赛道上的数据位移动速度低达到60m/s，高接近300m/s，平均也有150m/s左右。而一块7200r/min转速的3.5英寸硬盘，其边缘磁道的数据位移动速度也只有约33.5m/s。此外，由于HDD摆脱不了机械部件，所以抗震性差也是一大硬伤。固态化的赛道抗震性远远优于HDD，且不会产生电机噪音。

赛道VS闪存 存储密度、性能、功耗和使用寿命的完胜

如果你以为赛道技术威胁的仅仅是硬盘，那么你错了！如图8所示，一个8bitNAND Flash单元（NOR Flash也类似）需要使用10个MOSFET结构的晶体管。而赛道可以用更少的元器件实现更大的储存量，它只需要一条磁线，一套读写磁头即可替代若干个这样的10 MOSFET结构，密度具体多大则跟制造磁线的工艺挂钩，理论上超过了向来以高存储密度著称的HDD，那么对比SSD就更大了。

表2给出了赛道技术与其他存储技术的一些实验数据对比。可以看出，在当前技术条件下，赛道已经能够做到性能向内存看齐的程度。特别是随机读写时间上，它的表现比SSD还快出10倍。随机小数据读写是我们曾认为SSD优于HDD的大优势，而现在竟被赛道轻松击败。

实际上，我们看好赛道技术的原因还不仅仅因为性能，还有关键的耐用性。SSD技术一直没法完全取代HDD，其中两个重要原因：1.容价比太低，2.写入寿命有限。针对后者，各家厂商还开发了大量优化算法，预留硬件冗余空间来弥补。而赛道技术则没有这个顾虑，不论是读还是写，其理论寿命都趋于无穷，就好比我们的内存，通常用到淘汰它都不会出现什么问题。这一点上不论是SSD还是HDD都无法与之相比。

综合来看，赛道技术挑战的也许不仅仅是硬盘，还很可能在技术成熟后将内存等存储拉下马。集合了高速存储器和大容量存储器的优点，成本得到良好控制后，赛道技术就将具备一统存储器产业的基础。

赛道存储前景简析——可能一统储存器产业

可以猜想，IBM能够制造单线长度短，但堆叠数量多的赛道阵列，组成容量稍小、价格稍高但速度很快的储存器来替代内存。制造单线长度更长但数量少的赛道组成容量更大、价格更便宜的存储器来替代硬盘。倘若能牺牲少许容量和性能来制造堆叠少、体积小、成本低的mini赛道，还能进一步替代现有的移动存储器……可以说，赛道技术凭借其非常均衡的综合优势，能在存储行业内见缝插针，很有可能在未来一统存储器产业，为我们带来一场计算机使用方式的革命。由于赛道存储的数据具有非易失性（断电可保存10年或更久），所以我们以后是不是能直接把操作系统装进内存里？下班前把“内存”拔下来，回家插回家里的电脑，实现个人数据、系统和使用习惯的无缝切换。或者说我们能把PC上的“内存”拔下来，插到平板电脑或者智能手机上，实现无缝切换。这些算是根据当前不少用户需求而得出的猜想，而现在唯一能肯定的是，用上赛道存储我们就再也不用担心设备由意外断电引起的数据丢失问题了，不论对企业还是个人用户来说，这都是非常具有吸引力的特色

展望：赛道能很快来到我们身边吗？

对比当前的各类存储技术，赛道技术几乎是全能好手，堪称完美。这么优秀的技术，我们恨不能让它马上就进驻我们的系统。但实际上，赛道距离真正成熟还有一段路要走。当前主要有两个问题拦在赛道面前：

首先，给赛道加入控制电流时，赛道上会产生大量热（参考导体焦耳热定律）。这会极大地影响赛道的稳定，而且对大规模集成化也非常不利。

其次，用以移动数据位的控制电流规则暂时还未完全掌握。图5中体现得很明显，加入了等脉宽的控制电流，数据位并没有进行十分规则地移动。此外，由于对控制电流的要求较高，所以赛道设备对供电电源的波纹也更敏感。若这两个问题也得以解决，那么赛道离我们的距离就真的近在咫尺了。届时存储业必然迎来新的革新，甚至改变我们的设备形态和当前的分级存储概念，MCer让我们拭目以待吧。

Tips：赛道技术时间线

2004年：IBM Almaden研究中心的研究人员Stuart Parkin博士提出了RaceTrack赛道技术的原型—他所领导的开发团队已确定在电流影响下，对存储位进行移动操作时，不会覆盖先前存储的信息。

2008年：由于电磁学技术难题上取得了突破性进展，Parkin博士及他的同事在《Science》杂志上发表了《Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory(磁畴壁赛道存储)》一文，该文透彻地描绘了RaceTrack存储器的模型、工作原理和可行性。

2011年：IBM首次公开展示出了RaceTrack存储器芯片的工程样品，这意味着该技术很可能会在不久内投入实用。

未来：MC看好赛道技术的综合优势，它能比现在的技术更快、更便宜，很有可能成为下一代主流存储技术。

Parkin博士

赛道技术时间线

“电流控制的磁畴壁纳米线上移位”技术图解，数据能受控移动，而且移动过程中不会改变路径上其他数据的状态。

赛道技术时间线

赛道技术时间线

 
图1：水平赛道结构示意图

2：赛道上存在两个不同的磁畴时，加入控制电流，它们成功地同时进行了位移。

图3：垂直赛道结构示意图：通过将数据记录在一条U型纳米线上，垂直赛道结构能提供高的储存密度。两幅图分别显示
了数据位自左向右经过读写磁头前后的变化

图4：IBM展示的赛道技术样品芯片的X光照片。该芯片包含了256条赛道，每条赛道直径为15～20nm。相比存储界之前也
提到过的一些未来方向，如3D相位储存等略显“科幻”的技术，赛道技术也显得更加亲民与实在。

图5：垂直赛道结构的立体堆叠，组成了基本的赛道阵列。

图6：数据位到达磁头时，磁头对数据位进行读写操作。

图7：磁显微镜下的实验：图片上端是该实验的原理图，赛道的一端加入电流，另一端为0V电位。上8幅图显示在8V（26mA）和14ns的电流脉冲下，用来表示数据的磁畴实现了单向运动。下7幅图显示在-8V的相同条件下，磁畴进行了反方向运动

Tips：赛道惊人的密度潜力

在IBM展示的工程样品中，赛道的直径能做到15～40nm之间，约为人头发直径的1/2000（头发直径约为0.07mm）。使用当前的半导体工艺能够轻松制造出32nm以下直径的赛道磁线，即使传统的水平封装方式，其存储密度也已经能够媲美常见的NAND FLASH（SSD），甚至略高一些。此外，和H DD磁盘的水平结构不同，固态化的赛道可以改变放置角度，甚至垂直水平面树立起来。而树立起来的赛道可以很容易地实现立体堆叠（如图5），从而在有限的体积内极大地提高存储密度，增大单位容量。相比水平赛道，垂直赛道的密度能成倍增长，可以达到SSD的100倍甚至更多。而且“每单元比特数”/“单元占用面积”的绝对优势，让赛道技术能更多地从工艺升级中获益。也就是说工艺越先进，赛道技术相比SSD和HDD的密度优势就越大。

表1：赛道技术和其他存储技术存储密度对比

表2：赛道技术和其他存储技术性能对比

表3：赛道技术和其他存储技术功耗及可靠性对比