現(xiàn)代存儲(chǔ)技術(shù)201405

1、現(xiàn)代存儲(chǔ)技術(shù)現(xiàn)代存儲(chǔ)技術(shù)2014年電子專業(yè)中職培訓(xùn)年電子專業(yè)中職培訓(xùn)極化材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室華東師范大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院唐曉東獲取獲取內(nèi)部存儲(chǔ)器存儲(chǔ)存儲(chǔ)處理處理顯示顯示外部存儲(chǔ)器信息存儲(chǔ)是將字符、文獻(xiàn)、聲音、圖像等有用數(shù)據(jù)通過(guò)寫入裝置暫時(shí)或永久地記錄在某種存儲(chǔ)介質(zhì)中，并可利用讀出裝置將信息從存儲(chǔ)介質(zhì)中重新再現(xiàn)的技術(shù)總合。存儲(chǔ)技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步經(jīng)歷了由紙張書(shū)寫、微縮照片、機(jī)械唱盤、磁帶、磁盤的演變過(guò)程，發(fā)展到今天的存儲(chǔ)技術(shù)的新階段。以互聯(lián)網(wǎng)為代表的海量信息傳輸技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了海量信息存儲(chǔ)問(wèn)題，這是目前國(guó)際上的研究熱點(diǎn)之一。大容量、高速度、高密度、高穩(wěn)定性和可靠性的存儲(chǔ)系統(tǒng)競(jìng)相研究與推

2、出。Text文本Graphic圖像Image照片Audio音頻FMV視頻2KB（A4）8KB40KB（黑白）1MB（1min Plaza）10MB（1min，VHS）5MB（彩色）10MB（1min，HiFi）40MB（1min，廣播電視）內(nèi)部存儲(chǔ)器外部存儲(chǔ)器按存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)分類隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器（RAMRandom Access Memory）隨機(jī)讀寫，既可以讀出，又可以寫入。對(duì)存儲(chǔ)器內(nèi)部的任何一個(gè)存儲(chǔ)單元的讀出和寫入時(shí)間是一樣的，與其所空的位置無(wú)關(guān)，即存取時(shí)間是相同的，固定不變的。RAM主要用作主存，也可用作高速緩沖存儲(chǔ)器。只讀存儲(chǔ)器（ROMRead Only Memory）可以看作是RAM的一種特

3、殊方式，它只能隨機(jī)地讀出信息而不能寫入信息。信息一經(jīng)寫入存儲(chǔ)器就固定不變了，所以又稱為固定存儲(chǔ)器。順序存取存儲(chǔ)器（SAMSequensal Access Memory）存取方式與前兩種存儲(chǔ)器完全不同。信息一般是以文件或數(shù)據(jù)塊的形式按順序存放，信息在載體上沒(méi)有唯一對(duì)應(yīng)的地址。要找到所需信息，就必須知道一些關(guān)于所存信息的詳細(xì)說(shuō)明。磁帶機(jī)就是這類存儲(chǔ)器。直接存取存儲(chǔ)器（DAMDirect Access Memory）存取方式介于RAM和SAM兩者之間。存取信息時(shí)，第一步是直接指向整個(gè)存儲(chǔ)器中的某個(gè)小區(qū)域（如磁盤上的磁道），第二步是在小區(qū)域內(nèi)順序檢索或等待，直到找到目標(biāo)后進(jìn)行讀寫。這種存儲(chǔ)器的存取時(shí)間

4、與信息所在的位置也是相關(guān)的。磁盤、磁鼓就屬于這類存儲(chǔ)器。按存儲(chǔ)方式分類磁存儲(chǔ)器用磁性材料做成的存儲(chǔ)器稱為磁存儲(chǔ)器（磁心、磁泡、磁膜、磁鼓、磁帶、磁盤等）。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)都使用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器作主存，主要分為RAM和ROM。光學(xué)存儲(chǔ)器用激光束聚焦為亞微米尺寸光點(diǎn)記錄在光盤介質(zhì)上，可用激光束讀出記錄信息。其它介質(zhì)存儲(chǔ)器如光電存儲(chǔ)、電荷耦合器件存儲(chǔ)器按存儲(chǔ)介質(zhì)分類u磁存儲(chǔ)技術(shù)u半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)u光存儲(chǔ)技術(shù)u非易失性存儲(chǔ)技術(shù)u新型存儲(chǔ)技術(shù)提 綱磁帶存儲(chǔ)可以說(shuō)是最古老的現(xiàn)代存儲(chǔ)方式之一。從1952年第一臺(tái)13mm(0.5英寸)磁帶機(jī)在IBM公司問(wèn)世以來(lái)，它已經(jīng)走過(guò)了50多年的歷史，積累了大量的使用

5、經(jīng)驗(yàn)和可靠性數(shù)據(jù)。磁帶存儲(chǔ)是一種安全、可靠、易用、效率高的數(shù)據(jù)備份方法。 磁存儲(chǔ)技術(shù)磁性原理磁有兩種源頭： 電流是一群移動(dòng)的電荷。電流或移動(dòng)的電荷，會(huì)在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。 很多種粒子具有內(nèi)秉的磁矩自旋磁矩（spin magnetic moment）。這些磁矩，會(huì)在四周產(chǎn)生磁場(chǎng)。對(duì)于磁性物質(zhì)，磁極化的主要源頭是以原子核為中心的電子軌域運(yùn)動(dòng)，和電子的內(nèi)秉磁矩（電子磁偶極矩：Electron magnetic dipole moment）。與這些源頭相比，核子的核子磁矩（nuclear magnetic moment）顯得很微弱，強(qiáng)度是電子磁矩的幾千分之一。當(dāng)做一般運(yùn)算時(shí)，可以忽略核子磁矩。但是，核子磁

6、矩在某些領(lǐng)域很有用途，例如，核磁共振、核磁共振成像。物質(zhì)內(nèi)部超多數(shù)量的電子，其各自的磁矩（軌域磁矩和內(nèi)秉磁矩）會(huì)互相抵銷。這是因?yàn)閮煞N機(jī)制：遵守泡利不相容原理，匹配成對(duì)的電子都具有彼此方向相反的內(nèi)秉磁矩；電子趨向于填滿次殼層，達(dá)成凈軌域運(yùn)動(dòng)為零。對(duì)于這兩種機(jī)制，電子排列會(huì)使得每一個(gè)電子的磁矩被完全抵銷。當(dāng)然，不是每一種物質(zhì)都具有這么理想的屬性，但甚至當(dāng)電子組態(tài)仍有尚未配對(duì)的電子或尚未填滿的次殼層，物質(zhì)內(nèi)部的各個(gè)電子會(huì)貢獻(xiàn)出隨機(jī)方向的磁矩，結(jié)果是這些物質(zhì)不具有磁性。自發(fā)性效應(yīng)，或許是由于外磁場(chǎng)的施加，物質(zhì)內(nèi)的電子磁矩會(huì)整齊地排列起來(lái)。由于這動(dòng)作，很可能會(huì)造成強(qiáng)烈的凈磁矩與凈磁場(chǎng)。物質(zhì)的磁行為與其

7、結(jié)構(gòu)有關(guān)，特別是其電子組態(tài)。在高溫狀況，隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)使得電子磁矩的整齊排列更加困難?？勾判允俏镔|(zhì)抗拒外磁場(chǎng)的趨向，因此，會(huì)被磁場(chǎng)排斥。所有物質(zhì)都具有抗磁性。對(duì)于具有順磁性的物質(zhì)，順磁性通常比較顯著，遮掩了抗磁性。只有純抗磁性物質(zhì)才能明顯地被觀測(cè)到抗磁性。例如，惰性氣體元素和抗腐蝕金屬元素（金、銀、銅等等）都具有顯著的抗磁性。外磁場(chǎng)存在時(shí)，表現(xiàn)抗磁性；外磁場(chǎng)撤除，抗磁性消失。在具有抗磁性的物質(zhì)里，所有電子都已成對(duì)，內(nèi)秉電子磁矩不能集成宏觀效應(yīng)。因抗磁性產(chǎn)生磁浮的熱解碳（pyrolytic carbon）抗磁性抗磁性順磁性物質(zhì)可以被看作是由許多微小的磁棒磁棒組成的，這些磁棒可以旋轉(zhuǎn)，但是無(wú)法移動(dòng)

8、。這樣的物質(zhì)受到外部磁場(chǎng)的影響后其磁棒主要順磁力線磁力線方向排列，但是這些磁棒互相之間不影響。熱振動(dòng)不斷地使得磁棒的方向重新排列，因此磁棒指向不排列比排列的可能性高。因此磁力線的強(qiáng)度越強(qiáng)順磁性物質(zhì)內(nèi)磁棒的排列性就越強(qiáng)。無(wú)外部磁場(chǎng)外部磁場(chǎng)弱外部磁場(chǎng)強(qiáng)順磁性順磁性實(shí)際上順磁性物質(zhì)內(nèi)部并沒(méi)有小磁棒，而是微觀的磁矩。在順磁性物質(zhì)中這些磁矩互相之間不影響。然而與鐵磁性不同的是在順磁性物質(zhì)中外部磁場(chǎng)消失后物質(zhì)內(nèi)的磁場(chǎng)立刻就由于熱運(yùn)動(dòng)消失了。磁化矢量磁化矢量 M 與磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度H 成正比M = H, 0磁化率 越高，越容易被磁化。因此，磁化率是衡量順磁性的強(qiáng)度的量。由于磁化率和相對(duì)磁導(dǎo)率r之間有以下簡(jiǎn)單

9、關(guān)系r=+1， 磁導(dǎo)率往往也被看作是衡量順磁性的量。假如磁矩之間有耦合的話物質(zhì)內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生磁有序狀態(tài)磁有序狀態(tài)，在這種情況下磁化率會(huì)非常復(fù)雜，因此這樣的物質(zhì)不再是順磁性的?？偟膩?lái)說(shuō)這樣的物質(zhì)的磁性有序狀態(tài)在一個(gè)閾溫度以上會(huì)被破壞，由于物質(zhì)中依然有磁矩，因此在這個(gè)溫度以上這樣的物質(zhì)呈順磁性。材料的磁性狀態(tài)具有自發(fā)性的磁化現(xiàn)象。某些材料在外部磁場(chǎng)的作用下得而磁化后，即使外部磁場(chǎng)消失，依然能保持其磁化的狀態(tài)而具有磁性，即所謂自發(fā)性的磁化現(xiàn)象。 所有的永久磁鐵均具有鐵磁性或亞鐵磁性?；旧翔F磁性這個(gè)概念包括任何在沒(méi)有外部磁場(chǎng)時(shí)顯示磁性的物質(zhì)。通過(guò)對(duì)不同顯示磁性物質(zhì)及其磁性的更深刻認(rèn)識(shí)，更精確的定義。 一

10、個(gè)物質(zhì)的晶胞中所有的磁性離子均指向它的磁性方向時(shí)被稱為是鐵磁性的。 若其不同磁性離子所指的方向相反，其效果能夠相互抵消則被稱為反鐵磁性。 若不同磁性離子所指的方向相反，但是有強(qiáng)弱之分，其產(chǎn)生的效果不能全部抵消，則稱為亞鐵磁性。鐵磁性鐵磁性外磁場(chǎng)下，磁疇的磁矩趨于與外場(chǎng)同方向，形成強(qiáng)磁化矢量與感應(yīng)磁場(chǎng)。 隨外場(chǎng)增高，磁化強(qiáng)度也會(huì)增高，直到“飽和點(diǎn)”，凈磁矩等于飽合磁矩。這時(shí)，再增高外場(chǎng)也不會(huì)改變磁化強(qiáng)度。減弱外場(chǎng)，磁化強(qiáng)度跟著減弱。但不會(huì)與先前對(duì)于同一外磁場(chǎng)的磁化強(qiáng)度相同。磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)的關(guān)系不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。磁化強(qiáng)度比外磁場(chǎng)的曲線形成了磁滯回線。假設(shè)再到達(dá)飽和點(diǎn)后，撤除外磁場(chǎng)，則鐵磁性物質(zhì)仍

11、能保存一些磁化的狀態(tài)，凈磁矩與磁化矢量不等于零。所以，經(jīng)過(guò)磁化處理后的鐵磁性物質(zhì)具有“自發(fā)磁矩”。磁化強(qiáng)度（Y軸）與H場(chǎng)（X軸）之間的磁滯回路關(guān)系在鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部，有很多未配對(duì)電子。由于交換作用（exchange interaction），電子的自旋趨于與相鄰未配對(duì)電子的自旋呈相同方向。由于鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部又分為很多磁疇，雖然磁疇內(nèi)部所有電子的自旋會(huì)單向排列，造成“飽合磁矩”，磁疇與磁疇之間，磁矩的方向與大小都不相同。所以，未被磁化的鐵磁性物質(zhì)，其凈磁矩與磁化矢量都等于零。鐵磁性物質(zhì)具有強(qiáng)磁性，首先是因?yàn)殍F磁性物質(zhì)的原子具有永久磁矩。永久磁矩來(lái)源于電子運(yùn)動(dòng)，主要是電子自旋運(yùn)動(dòng)，而電子軌道運(yùn)動(dòng)處于

12、次要地位。從量子理論的觀點(diǎn)來(lái)看，鐵磁性物質(zhì)的磁性，是由鐵磁體中的一種原子力（所謂交換力）使許多原子的磁矩相平行而引起的。這種電子或電荷的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于一個(gè)非常小的電流環(huán)。電流環(huán)在效果上就是一個(gè)微小的磁鐵或磁偶極子。磁偶極子的磁矩取決于構(gòu)成原于的各粒子的磁矩矢量之和。質(zhì)子和中子的磁矩小于電子的磁矩，約為其干分之一。雖然每一個(gè)原于磁流環(huán)的磁矩都很小，但是一根磁棒中上億萬(wàn)個(gè)原子電流環(huán)呈現(xiàn)的總效應(yīng)就是一個(gè)很大的磁場(chǎng)。所以說(shuō)原子的磁性，基本取決于它的電子層軌道運(yùn)動(dòng)和電子自旋運(yùn)動(dòng)的磁矩。不同物質(zhì)的原子，軌道運(yùn)動(dòng)和自旋磁矩相互間的定向不同，所以它們的磁性也不一樣。鐵族元素的磁矩基本上來(lái)源于電子自旋，稀土族元素的

13、磁矩有相當(dāng)一部分來(lái)源于電子軌道運(yùn)動(dòng)。在Fe，Co，Ni及其合金中，這些對(duì)磁矩產(chǎn)生影響的電子都在原子結(jié)構(gòu)中的第三層；稀土族元素則不同，它位于第四電子層。物質(zhì)的磁性現(xiàn)象存在一個(gè)臨界溫度，在此溫度之上，鐵磁性會(huì)消失而變成順磁性，在此溫度之下鐵磁性才會(huì)保持。 對(duì)于鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)，此溫度被稱為居里溫度（雖然都稱為居里溫度，但二者是又差別的）；對(duì)于反鐵磁性物質(zhì)，此溫度被稱為奈耳溫度。亞鐵磁性的有序排列反鐵磁性的有序排列鐵磁性的有序排列Tc鐵磁及亞鐵磁材料在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用的情況下并不顯示出宏觀磁性，然而這些材料在很弱的外加磁場(chǎng)作用下卻可以顯示出強(qiáng)磁性或較強(qiáng)的磁性，有些鐵氧體甚至在小于1Oe的磁場(chǎng)中就可

14、以被磁化達(dá)到飽和。鐵磁及亞鐵磁材料的磁化，僅僅是由于外磁場(chǎng)把原來(lái)方向零亂的原子或離子磁矩排列起來(lái)的緣故，那么推算一廠，所需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度至少是106Oe數(shù)量級(jí)，而實(shí)際上比這一數(shù)值小得多的磁場(chǎng)強(qiáng)度就足夠了。這說(shuō)明鐵磁及亞鐵磁材料的磁化，不只是由于外磁場(chǎng)的作用，還有更為深刻的內(nèi)在原因。磁疇不同種類的磁疇：a）單獨(dú)磁疇。 b）兩個(gè)異向磁疇。c）多個(gè)磁疇，最小能量態(tài)。磁疇所生成的磁場(chǎng)以帶箭頭細(xì)曲線表示。磁化強(qiáng)度以帶箭頭粗直線表示磁疇的存在是能量極小化的后果。假設(shè)一個(gè)鐵磁性長(zhǎng)方體是單獨(dú)磁疇（圖a），則會(huì)有很多正磁荷與負(fù)磁荷分別形成于長(zhǎng)方塊的頂面與底面，從而擁有較強(qiáng)烈的磁能。假設(shè)鐵磁性長(zhǎng)方塊分為兩個(gè)磁疇（圖

15、b），其中一個(gè)磁疇的磁矩朝上，另一個(gè)朝下，則會(huì)有正磁荷與負(fù)磁荷分別形成于頂面的左右邊，又有負(fù)磁荷與正磁荷相反地分別形成于底面的左右邊，所以，磁能較微弱，大約為圖a的一半。假設(shè)鐵磁性長(zhǎng)方塊是由多個(gè)磁疇組成（圖c），則由于磁荷不會(huì)形成于頂面與底面，只會(huì)形成于斜虛界面，所有的磁場(chǎng)都包含于長(zhǎng)方塊內(nèi)部，磁能更微弱。這種組態(tài)稱為“閉磁疇”（closure domain），是最小能量態(tài)。鐵磁及亞鐵磁材料在沒(méi)有受到外磁場(chǎng)作用時(shí)已經(jīng)被自然地劃分成許多小的區(qū)域，稱為磁疇（10-15m3）。小區(qū)域內(nèi)，原子/離子的磁矩多是平行排列的，達(dá)到飽和磁化的程度。從磁學(xué)觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，磁矩內(nèi)部的原于或離子的“磁矩”加在一起使磁疇得到

16、累加的磁矩。最后，磁疇達(dá)到一個(gè)最佳尺寸停止增長(zhǎng)，并開(kāi)始新的一個(gè)磁疇。相鄰磁疇之間存在著磁矩方向逐步改變的過(guò)渡層。這個(gè)過(guò)渡層叫疇壁。每個(gè)磁疇的磁矩取向各自不向，無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，這些磁畸的對(duì)外作用互相抵消，顯示不出宏觀磁傳。磁疇存在的現(xiàn)象是鐵磁及亞鐵磁材料自發(fā)磁化的反映。這就是形成鐵磁及亞鐵磁材料特性的深刻的內(nèi)在原因。鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部的磁疇。磁化強(qiáng)度以帶箭頭綠色或黃色直線表示外磁場(chǎng)作用于磁疇所產(chǎn)生的效應(yīng)。外磁場(chǎng)以帶箭頭粗直線表示。磁化強(qiáng)度以帶箭頭綠色或黃色直線表示將鐵磁性物質(zhì)置入外磁場(chǎng)，則磁疇壁會(huì)開(kāi)始移動(dòng)，假若磁疇的磁矩方向與外磁場(chǎng)方向近似相同，則磁疇會(huì)擴(kuò)大；反之，則會(huì)縮小。這時(shí)，假若關(guān)閉磁場(chǎng)，則磁

17、疇可能不會(huì)回到原先的未磁化狀態(tài)。形成永久磁鐵。假設(shè)磁化足夠強(qiáng)烈，擴(kuò)大的磁疇吞并了其它磁疇，只剩下單獨(dú)一個(gè)磁疇，則此物質(zhì)已經(jīng)達(dá)到磁飽和。再增強(qiáng)外磁場(chǎng)，也無(wú)法更進(jìn)一步使物質(zhì)磁化。假設(shè)外磁場(chǎng)為零，現(xiàn)將已被磁化的鐵磁性物質(zhì)加熱至居里溫度，則物質(zhì)內(nèi)部的分子會(huì)被大幅度熱騷動(dòng)，磁疇會(huì)開(kāi)始分裂，每個(gè)磁疇變得越來(lái)越小，其磁矩也呈隨機(jī)方向，失去任何可偵測(cè)的磁性。假設(shè)現(xiàn)在將物質(zhì)冷卻，則磁疇結(jié)構(gòu)會(huì)自發(fā)地回復(fù)，就好像液體凝固成固態(tài)晶體一樣。 外加磁場(chǎng)較弱，只引起畸壁移動(dòng)功?？客獯艌?chǎng)方向的磁疇體積增大，其它磁疇體積相內(nèi)減小，宏觀上呈現(xiàn)沿外磁場(chǎng)方向的磁化。去掉外磁場(chǎng)斤，磁化恢復(fù)原狀，磁化自行消失，該過(guò)程可逆，見(jiàn)圖（b）；

18、外加磁場(chǎng)較強(qiáng)，發(fā)生疇壁運(yùn)動(dòng)，磁疇取向也變化，而且后備占主要地位，宏觀磁化與外加磁場(chǎng)成正比，見(jiàn)圖（c）；去掉外磁場(chǎng)，磁化曲線不按原路變化即使H0，也不是所有磁疇都恢復(fù)原狀，即磁感應(yīng)強(qiáng)度B0，線性部分的磁化過(guò)程呈部分可逆態(tài)； 外加磁場(chǎng)很強(qiáng)，幾乎所有磁疇的磁矩都與外磁場(chǎng)平行，磁化達(dá)到飽和狀態(tài)，見(jiàn)圖（d）；1898年，第一次發(fā)現(xiàn)磁介質(zhì)可以記錄信號(hào)；1900年，丹麥人Poulsen研制的第一臺(tái)鋼絲錄音電話機(jī)；1920年，真空放大器發(fā)明，磁記錄設(shè)備進(jìn)入實(shí)用化階段；1947年，3M公司正式建成了氧化鐵錄音帶生產(chǎn)線； 1948年，美國(guó)Ampex公司開(kāi)始出售錄音機(jī)；1955年，IBM制出了世界第一臺(tái)磁盤存儲(chǔ)器；

19、1962年，IBM開(kāi)始使用浮動(dòng)磁頭；1973年，IBM推出Winchester磁盤系統(tǒng)（8”軟磁盤、5.25”小型磁盤）；1977年，日本人巖崎俊提出了垂直磁記錄；1980年，5“軟磁盤和垂直記錄軟盤；1990年，磁性合金膜磁電阻讀出頭的發(fā)現(xiàn)（2GB/in2）；1998年，巨磁電阻磁頭商品化；磁存儲(chǔ)發(fā)展歷史優(yōu)點(diǎn)存儲(chǔ)密度高、存儲(chǔ)容量大；讀寫速度快，可以立即至放和再現(xiàn)；多次讀取；多次直接重寫；多通道記錄；讀寫信息的穩(wěn)定性高，非易失性；成本低、適于大量生產(chǎn)；缺點(diǎn)制造、保存和使用環(huán)境要求高（對(duì)振動(dòng)、溫度、電磁場(chǎng)和塵埃敏感）；伺服系統(tǒng)精密度要求高，十分復(fù)雜；可擦性既是優(yōu)點(diǎn)，也是缺陷；磁存儲(chǔ)器的特點(diǎn)磁盤存

20、儲(chǔ)器硬磁盤的存儲(chǔ)容量與磁跡密度、線密度以及俘動(dòng)高度密閉相關(guān)。目前，大容量磁盤存儲(chǔ)器的磁跡密度為24-36條/mm，線密度可達(dá)470b/mm。磁頭浮動(dòng)高度為0.2-3um時(shí)，記錄密度隨磁頭浮動(dòng)高度的減小而線性增加，變化范圍為60-70b/mm。1998年，硬磁盤容量可達(dá)11.5GB，平均搜尋時(shí)間為9.0ms。硬磁盤的記錄格式是按預(yù)先確定的磁跡號(hào)、地址塊、標(biāo)識(shí)塊、字符、數(shù)據(jù)塊和數(shù)據(jù)場(chǎng)排列的。地址塊和標(biāo)識(shí)塊用于定位指示和標(biāo)識(shí)磁跡內(nèi)的數(shù)據(jù)組織情況。地址塊位于磁跡始端，包括磁跡狀態(tài)標(biāo)識(shí)符和物理地址。標(biāo)識(shí)塊在地址塊后，由標(biāo)址場(chǎng)和數(shù)據(jù)場(chǎng)組成。數(shù)據(jù)場(chǎng)足用戶存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用的。由于硬盤容量較大，為便于使用，一般硬盤都

21、要建立分區(qū)，即將硬盤劃分為幾個(gè)部分，并給每個(gè)分區(qū)分配一個(gè)驅(qū)動(dòng)器號(hào)，這也就是通常所用的C盤、D盤、E盤等。磁盤驅(qū)動(dòng)器、磁盤控制器、磁盤片讀寫系統(tǒng)完成脈沖編碼序列轉(zhuǎn)換磁翻轉(zhuǎn)信號(hào)的寫過(guò)程，及磁信號(hào)還原成數(shù)據(jù)序列的讀過(guò)程（磁頭、盤片和讀寫電路）；磁頭定位系統(tǒng)磁頭迅速、準(zhǔn)確定位（磁頭驅(qū)動(dòng)點(diǎn)擊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制電路和檢測(cè)部件）；上軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以恒定轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)盤片（主軸電機(jī)、主軸部件和穩(wěn)速系統(tǒng)）；CPU磁盤控制器磁盤驅(qū)動(dòng)器磁盤控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)信號(hào)命令寫/讀全封閉結(jié)構(gòu)。溫盤驅(qū)動(dòng)器的磁頭和盤片是作為“個(gè)整體被密封在盤腔內(nèi)，稱為頭盤組件(Head Disk Assembly，HDA)。新磁頭。體積小、重量輕、負(fù)荷小的

22、(僅5g)。磁層表面有氖碳潤(rùn)滑層，使磁頭按接觸起停方式在低浮動(dòng)高度下(Rr，RCRe。介質(zhì)內(nèi)部的光吸收由帶間吸收為主變?yōu)橐宰杂奢d流子濃度猛增，從而使得電子電子碰撞的概率（正比于N2）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電子網(wǎng)絡(luò)碰撞的概率，自由載流子吸收的光能遠(yuǎn)比它與網(wǎng)格點(diǎn)作用損失的能量為高，形成溫度很高的電子空穴等離子體，但網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)的溫度變化不大。激光脈沖結(jié)束后，等離子體中的過(guò)熱電子在與聲子相互作用（eh碰撞）過(guò)程中將能量傳遞給網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)，或與空穴復(fù)合而釋放能量，最終使介質(zhì)回到自由能最低的晶態(tài)。對(duì)于組分符合化學(xué)計(jì)量比的介質(zhì)，在光晶化的過(guò)程中沒(méi)有長(zhǎng)程原子擴(kuò)散，只有原胞范圍內(nèi)原子位置的重新調(diào)整。 所以，光晶化機(jī)制是一種無(wú)擴(kuò)散的躍遷

23、復(fù)合機(jī)制。它利用弛豫過(guò)程和復(fù)合過(guò)程釋放的能量促成網(wǎng)格元胞內(nèi)原子位置的調(diào)整以及鍵角畸變的消失，從而完成晶化過(guò)程。光致晶化過(guò)程包括光致突發(fā)晶化和聲子參與的弛豫過(guò)程，前者需時(shí)在10-9-10-12秒量級(jí)，后者約幾十鈉秒。激光光致與熱致晶化過(guò)程的對(duì)比。熱致晶化光致晶化本質(zhì)擴(kuò)散型成核長(zhǎng)大式晶化過(guò)程非擴(kuò)散型躍遷復(fù)合式晶化過(guò)程條件符合或不符合化學(xué)計(jì)量比的組分；所用的亞穩(wěn)相符合化學(xué)計(jì)量比組分；直接固態(tài)相變，無(wú)需成核起因熱致起伏激光束激發(fā)或電子束激發(fā)耦合性質(zhì)相分離，原子擴(kuò)散；原子振動(dòng)；分子振動(dòng)無(wú)相分離，無(wú)擴(kuò)散；原子位置調(diào)整；鍵角畸變消失自持效應(yīng)不重要自持晶化，重要穿透深度整體效應(yīng)激光束：100-5000；電子束

24、：1-2um晶化時(shí)間較長(zhǎng)退火過(guò)程（0.5us-1.0ms）突發(fā)作用（1ns-1ps）+弛豫過(guò)程（10-200ns）可擦重寫磁光光盤的原理可擦重寫磁光光盤的原理磁光存儲(chǔ)的原理上與垂直磁記錄類似，即以磁化矢量沿法線方向取向的兩個(gè)磁狀態(tài)來(lái)表示二進(jìn)制中的“0”和“1“狀態(tài)，但磁光存儲(chǔ)不用磁頭而是用光學(xué)頭，依靠激光束加外部輔助磁場(chǎng)的方法來(lái)寫入信息，利用磁光效應(yīng)讀出信息。記錄介質(zhì)磁化方向重新定向所必須的磁場(chǎng)強(qiáng)度與記錄介質(zhì)的溫度有關(guān)，通常隨著溫度的升高而減小。當(dāng)溫度達(dá)到居里溫度Tc后，材料的矯頑磁力Hc降為零。此時(shí)，只需較小的鋪助磁場(chǎng)即可使介質(zhì)磁化方向換向，這就是居里點(diǎn)記錄原理。磁化強(qiáng)度和矯頑力與溫度的關(guān)系

25、磁光存儲(chǔ)的原理示意圖信息的寫入。磁光讀寫頭的脈沖激光聚焦在介質(zhì)表面，光斑處溫升而迅速退磁，通過(guò)讀寫頭施加一反偏磁場(chǎng)使微斑反向磁化，無(wú)光照相鄰磁疇，磁化方向仍保持不變。激光束照射結(jié)束后，被照點(diǎn)的溫度即恢復(fù)到家溫。信息的讀取。被記錄信息利用磁光效應(yīng)瀆出。當(dāng)直線偏振光透過(guò)透明磁性體(鐵磁體、亞鐵磁體、順磁體)，或從磁性體反射時(shí)，由于自發(fā)磁化的存在(順磁體需加外磁場(chǎng))，會(huì)產(chǎn)生新的光學(xué)各向異性，從而觀察到種種不同的光學(xué)現(xiàn)象。信息的擦除。用原來(lái)寫入信息的脈沖激光使錄入微斑退磁，此時(shí)再施加一個(gè)與Hc方向相同的偏置磁場(chǎng)，使微斑磁疇的磁化方向復(fù)位。 由于磁晴磁化方向的翻轉(zhuǎn)速率有限，故磁光光盤一般也需要“先擦、后

26、寫”兩次動(dòng)作完成信息的寫入。全息光存儲(chǔ)技術(shù)所謂的全息存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)質(zhì)上還是一種光盤存儲(chǔ)技術(shù)。所謂的全息存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)質(zhì)上還是一種光盤存儲(chǔ)技術(shù)。“全息全息”這一概念產(chǎn)生于這一概念產(chǎn)生于1947年，當(dāng)時(shí)匈牙利物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丹尼斯嘉柏(Dennis Gabor)為提高電子顯微鏡的分辨率提出了全息攝影術(shù)（holography）?！叭ⅰ币馑际菙z影時(shí)除記錄波長(zhǎng)和強(qiáng)度以外，還記錄物光的相位、物光的全部信息。所以，全息攝影能使物體產(chǎn)生極其逼真的立體感覺(jué)，立體電影就是在全息攝影技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。所謂的全息存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)質(zhì)上還是一種光盤存儲(chǔ)技術(shù)。所謂的全息存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)質(zhì)上還是一種光盤存儲(chǔ)技術(shù)?！?/p>

27、全息全息”這一概念產(chǎn)生于這一概念產(chǎn)生于1947年，當(dāng)時(shí)匈牙利物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丹尼斯嘉柏(Dennis Gabor)為提高電子顯微鏡的分辨率提出了全息攝影術(shù)（holography）?！叭ⅰ币馑际菙z影時(shí)除記錄波長(zhǎng)和強(qiáng)度以外，還記錄物光的相位、物光的全部信息。所以，全息攝影能使物體產(chǎn)生極其逼真的立體感覺(jué)，立體電影就是在全息攝影技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。所謂的全息存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)質(zhì)上還是一種光盤存儲(chǔ)技術(shù)。所謂的全息存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)質(zhì)上還是一種光盤存儲(chǔ)技術(shù)?！叭⑷ⅰ边@一概念產(chǎn)生于這一概念產(chǎn)生于1947年，當(dāng)時(shí)匈牙利物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丹尼斯嘉柏(Dennis Gabor)為提高電子顯

28、微鏡的分辨率提出了全息攝影術(shù)（holography）。“全息”意思是攝影時(shí)除記錄波長(zhǎng)和強(qiáng)度以外，還記錄物光的相位、物光的全部信息。所以，全息攝影能使物體產(chǎn)生極其逼真的立體感覺(jué)，立體電影就是在全息攝影技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。所謂的全息存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)質(zhì)上還是一種光存儲(chǔ)技術(shù)。“全息”這一概念產(chǎn)生于1947年，當(dāng)時(shí)匈牙利物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Dennis Gabor為提高電子顯微鏡的分辨率提出了全息攝影術(shù)（holography）?！叭ⅰ币馑际菙z影時(shí)除記錄波長(zhǎng)和強(qiáng)度以外，還記錄物光的相位、物光的全部信息。所以，全息攝影能使物體產(chǎn)生極其逼真的立體感覺(jué)，立體電影就是在全息攝影技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。

29、Dennis Gabor（19001979）60年代初，隨著激光器的發(fā)明，Van Heerden提出了全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的概念。在全息光存儲(chǔ)中，數(shù)據(jù)信息是以全息圖的形式被記錄在存儲(chǔ)材料中。與目前其它光存儲(chǔ)方法所不同的是，由于全息存儲(chǔ)材料上保存數(shù)據(jù)信息的全息圖所記錄的是物光和參考光的干涉圖樣，因此它不僅保存了物光的振幅信息，而且還保存了其完整的空間位相信息，這是由全息方法本身的物理特性所決定的。激光全息存儲(chǔ)技術(shù)激光全息存儲(chǔ)技術(shù)是一種利用激光全息攝影原理將圖文等信息記錄在感光介質(zhì)上的大容量信息存儲(chǔ)技術(shù)，普通全息存儲(chǔ)中存儲(chǔ)和再現(xiàn)的是事物本身的全息圖像，這是一種模擬存儲(chǔ)方式。而全息光盤存儲(chǔ)則是數(shù)字存儲(chǔ)方式。

30、信息記錄在介質(zhì)體內(nèi)，利用不同角度的光線可在同一的區(qū)域內(nèi)記錄多個(gè)信息圖像。采用不同角度的參考光可以在同一存儲(chǔ)材料的同一位置存儲(chǔ)另外一幅完全不同的全息圖，這就是全息光存儲(chǔ)的一個(gè)重要技術(shù)特征復(fù)用技術(shù)。在復(fù)用情況下，一個(gè)角度的參考光對(duì)于一幅全息圖。當(dāng)讀出數(shù)據(jù)時(shí)，用和存儲(chǔ)該數(shù)據(jù)頁(yè)所用參考光相同的光照射存儲(chǔ)材料，光束與存儲(chǔ)材料中的干涉圖樣（全息圖）發(fā)生衍射，衍射光成像于光電探測(cè)器陣列上并被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)電通道傳輸?shù)胶罄m(xù)處理環(huán)節(jié)。每一數(shù)據(jù)頁(yè)都可以使用與記錄時(shí)所用參考光相同的光準(zhǔn)確地再現(xiàn)出來(lái)。全息圖記錄與再現(xiàn)的基本原理來(lái)自物方攜帶有調(diào)制信號(hào)（欲實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的信息）的光稱為物光，另一束光稱為參考光。物光和參考光

31、是由同一激光器輸出的激光束經(jīng)分光鏡而得到的，因此滿足形成干涉所需的相干條件。當(dāng)物光和參考光相遇時(shí)就會(huì)產(chǎn)生干涉，從而在空間形成光的干涉圖樣。令物光和參考光在全息光存儲(chǔ)材料中相遇并發(fā)生干涉，干涉圖樣會(huì)使存儲(chǔ)材料的化學(xué)或物理特性發(fā)生改變，存儲(chǔ)材料在折射率或者吸收率上的相應(yīng)變化就作為干涉圖樣的復(fù)制品而存儲(chǔ)下來(lái)。存儲(chǔ)下來(lái)的干涉圖樣就是全息圖，它保存了物光的全部信息（包括振幅和位相信息）。全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在光敏光學(xué)材料上通過(guò)非光學(xué)相干圖樣來(lái)記錄信息。一束激光首先被分成兩部分，產(chǎn)生暗像素和亮像素。通過(guò)調(diào)整參考光的角度、波長(zhǎng)和介質(zhì)的位置，理論上可以在同一個(gè)空間記錄下數(shù)千比特張全息圖像。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度的極限是幾十TB

32、/立方厘米。讀取數(shù)據(jù)讀取數(shù)據(jù)通過(guò)重新產(chǎn)生相通的參考光來(lái)重建全息圖像可以將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀出。參考光聚焦在光敏材料之上，照亮了合適的干涉圖樣，光線在干涉圖樣上發(fā)生衍射，衍射圖案投影到檢測(cè)器上。檢測(cè)器可以并行的將數(shù)據(jù)讀出，一次就可以讀出超過(guò)1兆比特的信息，因此數(shù)據(jù)率非常高。記錄在全息驅(qū)動(dòng)器中的文件的訪問(wèn)時(shí)間可以做到在200毫秒以下。保存壽命保存壽命如果使用一次寫入多次讀取的方法，可以保證內(nèi)容的安全，防止存儲(chǔ)的的信息被重寫或者修改。全息存儲(chǔ)制造商認(rèn)為，這種技術(shù)可以提供安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的內(nèi)容50年也不會(huì)發(fā)生變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)前的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。反對(duì)觀點(diǎn)認(rèn)為，數(shù)據(jù)讀取技術(shù)每十年就會(huì)發(fā)生巨大的變化，因

33、此盡管有能力將數(shù)據(jù)保存50-100年，但是很有可能需要用到數(shù)據(jù)的時(shí)候卻無(wú)法找到合適的讀取設(shè)備來(lái)讀取。一般情況下，全息存儲(chǔ)是一種一次寫入多次讀出的存儲(chǔ)技術(shù)，這是由于在寫入數(shù)據(jù)的時(shí)候，存儲(chǔ)介質(zhì)發(fā)生了不可逆的變化?？芍貙懙娜⒋鎯?chǔ)技術(shù)可以通過(guò)晶體的光致折變效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)：l 從兩個(gè)光源產(chǎn)生的相干光（參考光和信號(hào)光）在介質(zhì)上產(chǎn)生干涉圖樣。l 干涉相長(zhǎng)時(shí)，干涉圖樣顯示為亮班，材料中的電子接受了光的能量，可以發(fā)生從材料價(jià)帶向?qū)У能S遷。電子躍遷后價(jià)帶含有正電，留下的位置稱為空穴。在可重寫的全息圖像材料中，要求空穴不可移動(dòng)。干涉相消時(shí)，光的能量比較低，電子不會(huì)發(fā)生躍遷。l 導(dǎo)帶中的電子可以在材料中自由移動(dòng)。電子

34、的運(yùn)動(dòng)受到兩種相反的力的作用，第一種是電子和躍遷后留下的空穴之間的庫(kù)侖力的作用，這個(gè)力使得電子難以移動(dòng)，甚至?xí)㈦娮永乜昭?。第二個(gè)力是電子擴(kuò)散作用產(chǎn)生的，它使電子移向電子密度較低的地方。如果庫(kù)侖力不夠強(qiáng)，電子就會(huì)移動(dòng)至暗條紋處。l 在電子躍遷一開(kāi)始，電子就有一定的概率與空穴重新結(jié)合，回到價(jià)帶。結(jié)合率越高，電子能夠移動(dòng)到暗條紋處的數(shù)量就越少。這個(gè)速度會(huì)影響全息圖像的強(qiáng)度。l 一部分電子移動(dòng)到暗條紋處并與其中的空洞結(jié)合以后，在暗區(qū)的電子和在亮區(qū)的空穴間就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)永久的空間電場(chǎng)。由于電光效應(yīng)，這個(gè)電場(chǎng)會(huì)影響到晶體的折射率。當(dāng)信息需要從全息圖像中讀取出來(lái)的時(shí)候，只需要參考光就可以重建全息圖像。參考

35、光以和寫入全息圖像的時(shí)候完全相同的放射照射在材料上。由于寫入的時(shí)候折射率發(fā)生了變化，光線會(huì)分裂為兩部分，其中之一將會(huì)重建存儲(chǔ)了信息的信號(hào)光。一些檢測(cè)器，比如電荷耦合組件（CCD）照相機(jī)可以用來(lái)將信息轉(zhuǎn)化為更容易使用的形式。理論上一個(gè)邊長(zhǎng)為寫入光波波長(zhǎng)的立方體可以存儲(chǔ)1比特的信息。例如，氦氖激光器所發(fā)出的紅色激光波長(zhǎng)為632.8納米，每立方毫米就可以存儲(chǔ)4Gb的數(shù)據(jù)。實(shí)際上，數(shù)據(jù)密度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論密度，主要是由于以下幾個(gè)原因：l 需要使用糾錯(cuò)編碼l 需要考慮光學(xué)系統(tǒng)的缺陷和約束l 高密度的記錄的成本也會(huì)更高，需要考慮到成本和性能的折衷l 設(shè)計(jì)技術(shù)的約束（目前磁記錄的硬盤已經(jīng)面臨著這個(gè)問(wèn)題了，磁疇

36、結(jié)構(gòu)使得硬盤制造無(wú)法達(dá)到理論上的極限）現(xiàn)在的存儲(chǔ)技術(shù)每次都只能讀寫一個(gè)比特的信息，而全息存儲(chǔ)技術(shù)可以使用一束光并行的讀寫數(shù)據(jù)。超高密度超高密度 記錄點(diǎn)記錄點(diǎn) 100nm 容量容量 100GBCD 記錄點(diǎn)記錄點(diǎn)830nm 容量容量 650MBDVD 記錄點(diǎn)記錄點(diǎn)400nm 容量容量 4.7-9.4GBBD 記錄點(diǎn)記錄點(diǎn)130-160nm 容量容量 22-27GB光存儲(chǔ)發(fā)展的光存儲(chǔ)發(fā)展的歷史歷史u磁存儲(chǔ)技術(shù)u半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)u光存儲(chǔ)技術(shù)u非易失性存儲(chǔ)技術(shù)u新型存儲(chǔ)技術(shù)提 綱 易失與非易失的差別就在于易失性存儲(chǔ)器在外加電場(chǎng)消失后，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)便隨之消失，而非易失性存儲(chǔ)器在同樣情況下，仍然能夠?qū)?shù)據(jù)完整地

37、保存下來(lái)。經(jīng)過(guò)相當(dāng)一段時(shí)間的發(fā)展，易失性存儲(chǔ)器技術(shù)（SRAM和DRAM）已較為成熟，也是目前的主流存儲(chǔ)技術(shù)。而非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)包括過(guò)去的掩膜ROM、EPROM、EEPROM、近來(lái)迅速崛起的快閃（Flash）存儲(chǔ)器。相變隨機(jī)存儲(chǔ)器（OUM，Ovonics Unified Memory）磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM，Magnetoresistance Random Access Memory）鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器（FeRAM，F(xiàn)erroelectric Random Access Memory）低成本、低功耗、高速度、高壽命和非易失性 以相變型半導(dǎo)體材料作為存儲(chǔ)介質(zhì)的相變型隨機(jī)存儲(chǔ)器（PC-RAM，Pha

38、se Change Random Access Memory）是基于Ovshinsky在20世紀(jì)60年代末提出的奧弗辛斯基電子效應(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。由于在該研究中所采用的相變半導(dǎo)體材料多為硫系化合物，所以也稱為硫系化合物隨機(jī)存儲(chǔ)器（C-RAM，Chalcogenide Random Access Memory）。1968年Ovshinsky在物理評(píng)論快報(bào)上發(fā)表了第一篇關(guān)于相轉(zhuǎn)變的論文，創(chuàng)立了非晶體半導(dǎo)體學(xué)，一年以后，他首次描述了基于相變理論的光存儲(chǔ)器。考慮到相變型隨機(jī)存儲(chǔ)器是基于奧弗辛斯基效應(yīng)，因此又被命名為奧弗辛斯基電效應(yīng)統(tǒng)一存儲(chǔ)器（OUM，Ovonics Unified Memory）。

39、相變隨機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)時(shí)間重要發(fā)展事件1968年ECD的S.R. Ovshinsky首先發(fā)現(xiàn)硫系化合物的快速可逆相轉(zhuǎn)變，具有開(kāi)關(guān)（Switching）/存儲(chǔ)（Memory）的用途。1999年ECD成立Ovonyx公司并獲得英特爾與ST Microelectronics的投資，研發(fā)進(jìn)程加快。2001年7月英特爾以O(shè)UM（0.13m工藝）及FeRAM技術(shù)開(kāi)發(fā)下一代存儲(chǔ)器，合作商包括Ovonyx及Thin Film Electronics ASA。2001年11月英特爾與Ovonyx和非易失性存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)公司Azalea Microelectronics合作，以0.18m的CMOS（Complementar

40、y Metal-Oxide-Semiconductor）工藝開(kāi)發(fā)4Mbit的OUM存儲(chǔ)器。2001年12月日本媒體投票選出了2001年半導(dǎo)體、LCD產(chǎn)業(yè)10大新聞，OUM和MRAM等新型非易失性存儲(chǔ)器相繼問(wèn)世的消息列第五位。2002年3月英特爾在IDF論壇上表示將自行開(kāi)發(fā)下一代FLASH晶片，因?yàn)楝F(xiàn)有的FLASH工藝發(fā)展到45nm技術(shù)時(shí)面臨極限的挑戰(zhàn)，除非能在現(xiàn)有的晶片單元結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)根本的改變，而相對(duì)于FeRAM和MRAM等技術(shù)，OUM技術(shù)的前景更具有希望。2002年11月英特爾投資英國(guó)光盤公司Plasmon，以O(shè)UM技術(shù)應(yīng)用于更高密度、低成本、非易失性存儲(chǔ)器研究。2003年三星在VLSI論壇

41、上宣布OUM存儲(chǔ)器器件單元的RESET電流已降低到0.34mA。2004年三星開(kāi)發(fā)出64Mbit的OUM存儲(chǔ)器。0100200300400500600100101102103104105106107108Sheet resistance /(Ohm/sq.)Temperature /(oC)0.00.10.20.30.40.50.60.00.30.60.91.21.5(0.28mA, 0.48V)Begin with amorphous stateBegin with crystalline stateCurrent /(mA)Voltage /(V)OUM的關(guān)鍵材料是硫系化合物合金材料，其特

42、點(diǎn)是當(dāng)對(duì)它施加一個(gè)電脈沖或采用一束激光加熱時(shí)，可以使材料在非晶態(tài)與多晶態(tài)之間發(fā)生可逆相變。伴隨著材料結(jié)構(gòu)中相的轉(zhuǎn)變，材料的光學(xué)和電學(xué)等性能也隨之而發(fā)生變化，在處于非晶態(tài)時(shí)相變材料呈現(xiàn)出高電阻（低反射率），處于多晶態(tài)時(shí)呈現(xiàn)出低電阻（高反射率），其間電阻的變化幅度可達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣依靠在相變材料兩個(gè)態(tài)之間的切換實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)。相變隨機(jī)存儲(chǔ)的原理施加寫、擦電壓脈沖后，OUM存儲(chǔ)器硫系化合物層的溫度隨時(shí)間的變化示意圖，其中，Ta為環(huán)境溫度；Tx為結(jié)晶溫度；Tm為熔化溫度；t1為非晶化脈沖快冷寬度；t2為晶化脈沖寬度t1t2寫入過(guò)程：施加一個(gè)短而強(qiáng)的電壓脈沖，電能轉(zhuǎn)變成熱能，使硫系化合物溫度升高到熔化

43、溫度以上，經(jīng)快速冷卻（冷卻時(shí)間為t1，約為幾個(gè)納秒），破壞多晶的長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多晶態(tài)向非晶態(tài)的轉(zhuǎn)化；擦除過(guò)程：施加一個(gè)長(zhǎng)且強(qiáng)度中等的電壓脈沖，硫系化合物的溫度升高到結(jié)晶溫度以上、熔化溫度以下，并保持一定的時(shí)間（t2，一般小于50ns），實(shí)現(xiàn)由非晶態(tài)轉(zhuǎn)化為多晶態(tài)；讀取過(guò)程：所加脈沖電壓的強(qiáng)度很弱，溫度只能升高到結(jié)晶溫度以下，并不引起材料發(fā)生相變，讀取電阻值。讀寫原理：目前OUM研發(fā)工作的焦點(diǎn)都集中在如何盡快實(shí)現(xiàn)OUM的商業(yè)化上，因此相應(yīng)的研究熱點(diǎn)也就圍繞OUM器件的物理機(jī)制研究，包括器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)機(jī)理研究等； 減小器件的操作電流； 高密度器件陣列的制造工藝； 器件單元的納米尺度化； 高密

44、度器件芯片的工藝問(wèn)題； 器件的失效問(wèn)題；OUM技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1、減小電極與相變材料的接觸面積。隨電極與相變材料接觸面積的減小，操作電流也逐漸減小。2、其次是提高相變材料的電阻，在操作電壓相同的情況下，如果提高晶態(tài)相變材料的電阻，將使操作電流減小。3、還有就是在電極與相變材料之間或相變材料內(nèi)部添加熱阻層，提高發(fā)熱效率，也能起到減小操作電流的作用，作為熱阻層的材料主要有TiN 等。4、還可以通過(guò)進(jìn)一步完善器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，探索新型結(jié)構(gòu)等手段來(lái)降低操作電流。101102103104105106107012345IRESET /(mA)Contact area /(nm2)操作電流問(wèn)題器件的失效問(wèn)題器件經(jīng)

45、過(guò)多次寫/擦循環(huán)后，如果其非晶態(tài)與晶態(tài)的電阻太過(guò)接近而無(wú)法分辨開(kāi)，就會(huì)造成器件失效，其原因可能有以下幾個(gè)方面：相變材料與電極材料之間的連接處發(fā)生開(kāi)路；相變材料的晶粒長(zhǎng)大致使不能實(shí)現(xiàn)完全擦除過(guò)程；相變材料本身性能和結(jié)構(gòu)變化；器件單元電阻的分散性太大；器件單元之間的干擾。研究相變材料的組分穩(wěn)定性、器件單元中多層膜的應(yīng)力問(wèn)題、電極材料與相變材料之間的匹配問(wèn)題以及二者之間界面的粗糙度等問(wèn)題。器件失效問(wèn)題磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)技術(shù) 磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）的基本原理就是利用磁性薄膜材料的電阻隨薄膜磁化方向不同而發(fā)生變化來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。采用該種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要直到被外界的磁場(chǎng)影響之后才會(huì)改變，存儲(chǔ)特性具有永

46、久性。GMR效應(yīng)和TMR結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)成就了實(shí)用化MRAM存儲(chǔ)器的誕生。 MRAM存儲(chǔ)技術(shù)除了非易失性特性之外，還具有能耗低及讀寫速度快的特性，在寫入或讀取的速度（目前可以達(dá)到10ns）上可以和靜態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存（SRAM）媲美。而記錄單元體積小、集成度高的特性可與動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存（DRAM）相抗衡。其制造工藝與現(xiàn)有的CMOS制程的整合性能也較好。更為矚目的是，MRAM存儲(chǔ)技術(shù)的存儲(chǔ)密度和速度還有很大的提升潛力。ITRS（International Technology Roadmap for Semiconductors）已將其列為最新的下一代內(nèi)存1972年，MRAM的基本概念提出；1992年，H

47、oneywell展示了樣片。采用各向異性磁阻材料，在常溫下，相應(yīng)的磁阻變化率只有2%左右；1988年，GMR效應(yīng)以及隨后的MTJ結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)；2002年，Sony發(fā)表了采用CoFeB（2-4nm）為自由層的MTJ結(jié)構(gòu)MRAM儲(chǔ)存數(shù)組（0.35um線程），隧道磁電阻達(dá)55；2002年，Motorola展示了第一款兆位（1Mbit）MRAM通用內(nèi)存芯片；2003年，Toshiba與NEC公開(kāi)了聯(lián)合開(kāi)發(fā)的1Kbit和1Mbit兩種MRAM試制產(chǎn)品。首次導(dǎo)入了覆蓋有磁性體的字符線和位線結(jié)構(gòu)，以微小電流有效地提供寫入所需的磁場(chǎng)；2004年，Motorola與Digital DNA發(fā)表了的全球第一塊單晶體管

48、和單MTJ結(jié)（0.18um）4Mbit的MRAM存儲(chǔ)芯片，此舉奠定了MRAM產(chǎn)業(yè)的一個(gè)里程碑；2004年，美國(guó)NVE公司和日本ANELVA公司發(fā)布的MTJ結(jié)構(gòu)中，同時(shí)采用了CoFeB作為固定層和自由層材料，進(jìn)一步改善了固定層、自由層和其間氧化鋁絕緣層的界面性能，提高了界面的親和性，大幅提高了MRAM組件讀寫的可靠性，室溫下隧道磁阻率高達(dá)70；磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展歷史MTJ的基本構(gòu)造：上下兩層導(dǎo)電金屬層呈X、Y軸向垂直排列，上面的導(dǎo)電金屬層稱為位線（BL），下面的金屬層稱為字符線（WL），中間夾著由反鐵磁層、固定層、絕緣層和自由層組成的MTJ。當(dāng)位線通過(guò)一個(gè)電脈沖時(shí)，固定層磁化方向由于被反鐵磁層

49、釘扎而不會(huì)發(fā)生改變，自由層的磁化方向因?yàn)槭艿轿痪€電流所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)的影響而發(fā)生偏移。若此時(shí)在字符線再施加一個(gè)脈沖電流，使得自由層的磁化方向受感應(yīng)的磁場(chǎng)作用，隨著電流的增大，其矯頑場(chǎng)逐漸地被抵銷掉，最后自由層的磁化方向會(huì)完全翻轉(zhuǎn)過(guò)去。如此一來(lái)，兩鐵磁性層（固定層和自由層）的磁化方向成為順向排列（磁電阻低）或反向排列（磁電阻較高）。MTJ的基本構(gòu)造圖自由層絕緣層固定層反鐵磁層字符線磁性覆蓋層位 線磁性覆蓋層磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)的原理寫入機(jī)制：若要對(duì)某個(gè)記憶位單元（第I行第J列）寫入數(shù)據(jù)，先將電流通過(guò)第I行的字符線（外加電流要比臨界值低一點(diǎn)），此時(shí)再施加一個(gè)很小的電流到第J列的位線，就會(huì)該單元的自由層磁化

50、方向翻轉(zhuǎn)。以He-Hh（易軸-難軸）平面星狀圖（Asteroid）為依據(jù)，星狀區(qū)域內(nèi)的面積為非翻轉(zhuǎn)區(qū)，其外面的區(qū)域?yàn)榉D(zhuǎn)區(qū)，當(dāng)X或Y其中任意一軸的電流加到略低于臨界值時(shí)，另一軸只要施加一個(gè)微小電流值就可使自由層磁化方向完成翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)區(qū)非翻轉(zhuǎn)區(qū)HhHe讀取機(jī)制：當(dāng)電流通過(guò)單位記憶元時(shí)，根據(jù)磁阻的狀態(tài)不同則所產(chǎn)生的讀出電壓（Vout）亦不同。當(dāng)兩鐵磁性層的磁化方向?yàn)轫樝蚺帕袝r(shí)，因磁阻低故Vout較低；而兩鐵翻轉(zhuǎn)區(qū)非翻轉(zhuǎn)區(qū)Hh/He磁性層的磁化方向?yàn)榉聪蚺帕袝r(shí)，磁阻較高所以Vout較高。根據(jù)Vout的高低狀態(tài)的不同便能判斷單位記憶位單元所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為“1”或“0”。早在上世紀(jì)80年代中期，Grunb

51、erg在Fe/Cr/Fe三明治結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)兩Fe層之間存在反鐵磁耦合作用。根據(jù)這一結(jié)果，1988年Baibich等人設(shè)計(jì)的Fe/Cr多層膜成功地使磁電阻效應(yīng)得到放大。隨后的大量研究表明，GMR效應(yīng)廣泛存在于： 過(guò)渡金屬磁性多層膜； 納米尺度的磁性顆粒膜； 自旋閥結(jié)構(gòu)； 磁隧道結(jié)； 氧化物薄膜；巨磁阻（GMR）材料MRAM的技術(shù)主要的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在尋求以下幾方面問(wèn)題的解決方案中：（1）高磁電阻率的磁性材料和結(jié)構(gòu)；（2）降低記錄位尺寸；（3）改善讀寫的架構(gòu)及方法。MRAM技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)磁性材料層的結(jié)構(gòu)MRAM組件大多向MTJ多層膜結(jié)構(gòu)發(fā)展。MTJ多層膜以金屬鐵磁層/絕緣層/金屬鐵磁層為主要結(jié)構(gòu)。

52、其中，金屬鐵磁層部分可采用Fe，Co，Ni，B等比例適當(dāng)?shù)慕饘俸辖鸾M成，絕緣層采用得最多的是Al2O3，厚度在幾個(gè)納米以下。MTJ結(jié)構(gòu)仍存在一些問(wèn)題：1、電流的非線性效應(yīng)，磁電阻率與偏壓的大小有關(guān)，改變偏壓可能減小磁電阻率值。2、MTJ多層薄膜的電阻太大（1K），導(dǎo)致電流減小。為了要降低電阻值，最直接的辦法則是減小絕緣層的厚度。3、絕緣層厚度降至7nm時(shí)，有嚴(yán)重的短路現(xiàn)象發(fā)生，因此電阻降低則受到限制。探索新的磁性材料和開(kāi)發(fā)新的結(jié)構(gòu)仍然是開(kāi)展MRAM技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)的主要內(nèi)容之一。降低位尺寸縮小每單一記憶單元橫向尺度及單元間距是提高容量密度的唯一方式。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分，將考慮通過(guò)改進(jìn)包括橫向形狀及多

53、層膜層狀結(jié)構(gòu)，以達(dá)到降低讀/寫電流及提高記憶單元穩(wěn)定性的要求；在制程部分，技術(shù)的突破在使用電子束微影技術(shù)并配合新的回蝕刻技術(shù)制作納米尺度的記憶位單元及讀寫連接導(dǎo)線，以及與制程上相關(guān)的核心技術(shù)開(kāi)發(fā)等。采用垂直異向性的材料作為記憶位單元可大幅改善面積的利用，大幅提升記憶密度。XPC（Cross Point Cell）架構(gòu)。記憶位單元不串接一個(gè)MOSFET，直接與字符線和位線相連，其尺寸大幅減少。 讀寫構(gòu)架及方法MRAM是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜及新穎的自旋電子集成組件，要達(dá)到超高容量密度及良好的整體表現(xiàn)，需要解決很多問(wèn)題：采用垂直異向性磁性材料，解決渦流效應(yīng)（vortex）的問(wèn)題。提高M(jìn)TJ磁阻值（改變氧化層

54、或TMR整體結(jié)構(gòu)）降低漏電流。串?dāng)_（cross talk）有待新的讀寫技術(shù)來(lái)解決。采用較高磁異向性材料有助于熱穩(wěn)定性的提高。 漏電：漏電現(xiàn)象隨著記憶位單元數(shù)組的增大而越發(fā)顯著，從而增加了功耗。需要通過(guò)提高M(jìn)TJ磁阻值（改變氧化層或TMR整體結(jié)構(gòu)）來(lái)降低漏電流，或者改變讀寫電路架構(gòu)以提高數(shù)據(jù)讀寫的準(zhǔn)確度。 串?dāng)_：記憶位單元間的間距縮短到一定程度時(shí)，相鄰的單元在執(zhí)行寫入動(dòng)作的情形下相當(dāng)容易產(chǎn)生串?dāng)_（cross talk）。如何隔離或降低相鄰記憶位單元間的串?dāng)_效應(yīng)有待新的讀寫技術(shù)來(lái)解決。 熱穩(wěn)定性：記憶位單元尺寸不斷縮小下，磁矩方向易受到熱擾動(dòng)的影響而出現(xiàn)不規(guī)則轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致無(wú)法產(chǎn)生穩(wěn)定扇區(qū)，此稱為超順

55、磁現(xiàn)象（super-paramagnetic phenomena）。采用較高磁異向性材料有助于熱穩(wěn)定性的提高。鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后的不多時(shí)間里，國(guó)外不少研究實(shí)驗(yàn)室認(rèn)為鐵電體的電學(xué)上雙穩(wěn)態(tài)特性（即極化與電場(chǎng)關(guān)系的滯后特性，類似于磁性材料的磁化率與磁場(chǎng)的關(guān)系的滯后特性），可以用作計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器，而且與磁芯存儲(chǔ)器比較鐵電存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)速度和功耗方面，具有突出的優(yōu)點(diǎn)。u早期薄膜制備工藝的限制，鐵電存儲(chǔ)單元的厚度最薄只能達(dá)到100um左右，這就意味著需要有100V以上的工作電壓才能完成器件的正常讀/寫操作；u鐵電體的閾值電壓與許多參數(shù)有關(guān)，因而設(shè)計(jì)器件遇到困難；u鐵電體通常所具有的“疲勞”現(xiàn)象會(huì)

56、導(dǎo)致器件失效；u存儲(chǔ)單元之間的“干擾脈沖”，這類似于上述的串?dāng)_現(xiàn)象，即在進(jìn)行一個(gè)單元尋址時(shí)，鄰近單元受干擾而突然發(fā)生開(kāi)關(guān)現(xiàn)象。FeRAM這一概念早在20世紀(jì)60年代初就已經(jīng)被提出了，但當(dāng)時(shí)鐵電薄膜制備和器件設(shè)計(jì)等方面的技術(shù)尚不完備，主要面臨的問(wèn)題有：鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)的歷史1988年，美國(guó)Ramtron公司率先推出第一批鐵電薄膜存儲(chǔ)器FeRAM產(chǎn)品，存儲(chǔ)容量為164kbit。該器件采用1.5um的制程，通過(guò)PZT薄膜與CMOS器件集成而制造的。1995年，該公司將制備工藝從1.5um線程發(fā)展到亞微米制程，開(kāi)發(fā)出從64kb到32Mb系列FeRAM產(chǎn)品，并使器件的工作電壓降到3V，讀寫次數(shù)提高到1012

57、，讀寫時(shí)間達(dá)到100ns。1998年，日本NEC已研制成容量為1Mbit的鐵電存儲(chǔ)器。2002年，Hynix半導(dǎo)體公司也推出了采用0.25um制程的業(yè)界首個(gè)商用百萬(wàn)位（4Mb和8Mb）鐵電存儲(chǔ)器，其工作電壓為3.0V，數(shù)據(jù)存取速度為70ns，能進(jìn)行1011次讀/寫操作。世界上其它許多大公司，如美國(guó)的Haris，Symetrix，Motorola、AT&T，日本的NEC、松下、日立、Oeympus，荷蘭的Philips，德國(guó)的ITT、西門子及韓國(guó)的現(xiàn)代、三星等公司看準(zhǔn)這一發(fā)展勢(shì)頭，都紛紛投入大量的人力和物力參與鐵電薄膜存儲(chǔ)器的研究和開(kāi)發(fā)。最新的64Mb嵌入式FeRAM樣片，采用先進(jìn)的0.

58、13um制程，工作電壓為1.37V，數(shù)據(jù)存取速度為30ns，存儲(chǔ)單元尺寸只有0.54um2。 FeRAM的工作原理是利用鐵電晶體固有的一種偏振極化特性鐵電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的。當(dāng)在ABO3鐵電晶體上施加一定的電場(chǎng)時(shí)，氧八面體中心的B4+離子相對(duì)于其它離子沿中心軸正、負(fù)方向偏移而產(chǎn)生極化，極化強(qiáng)度隨外加電場(chǎng)的不斷增強(qiáng)而最終達(dá)到飽和。當(dāng)電場(chǎng)移除后，中心原子會(huì)保持在原來(lái)的位置。鐵電晶體的中間位置是一個(gè)高能階，中心原子在沒(méi)有獲得足夠大的外部能量時(shí)不能越過(guò)該能階到達(dá)另一穩(wěn)定位置。在沒(méi)有外加電場(chǎng)的情況下，鐵電晶體能保持在原有的狀態(tài)，其極化強(qiáng)度保留在低于飽和極化狀態(tài)的剩余極化值。鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)原理A2B4

59、+O2這種離子極化過(guò)程使鐵電體在宏觀上表現(xiàn)為極化強(qiáng)度與外電場(chǎng)間產(chǎn)生非線性響應(yīng)。從其電滯回曲線可以得知：施加大于矯頑場(chǎng)Vc（Ec）的電壓（場(chǎng)）于鐵電體上時(shí)，材料正向極化達(dá)到飽和極化值Pr，去掉外加電壓（場(chǎng)）后，極化值降為Ps（剩余極化）；施加反向電場(chǎng)超過(guò)矯頑場(chǎng)Vc（Ec）時(shí)發(fā)生極化反轉(zhuǎn)，飽和極化值為Pr ，去掉附加電壓（場(chǎng)），極化值降為Ps 。+Vc-Vc極化量+Ps-Pr電壓+Pr-Ps這樣在一定的外加電壓（場(chǎng)）作用后，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，鐵電體存在兩個(gè)正負(fù)剩余極化值和，它們對(duì)應(yīng)兩種相應(yīng)的穩(wěn)定的狀態(tài)，通過(guò)完成這兩種狀態(tài)間的相互轉(zhuǎn)化就可以實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)。FeRAM的存儲(chǔ)單元主要由電容和場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，在

60、兩個(gè)電極板中間沉淀了一層晶態(tài)的鐵電晶體薄膜。FeRAM存儲(chǔ)單元基本結(jié)構(gòu)主要分成2T2C，1T1C和1T2C三種類型。每個(gè)存儲(chǔ)單元包括數(shù)據(jù)位和各自的參考位。1T1C結(jié)構(gòu)的FeRAM所有數(shù)據(jù)位使用同一個(gè)參考位，而不是對(duì)于每一數(shù)據(jù)位獨(dú)立使用各自的參考位。1T1C架構(gòu)的FeRAM產(chǎn)品成本更低，容量更大。對(duì)FeRAM存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀操作時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)單元狀態(tài)的改變，與此同時(shí)，參考位的狀態(tài)則不會(huì)發(fā)生改變，這就需要采用附加電路自動(dòng)恢復(fù)其內(nèi)容。所以FeRAM的每個(gè)讀操作后面還伴隨一個(gè)“預(yù)充”（precharge）過(guò)程來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行恢復(fù)，這在一定程度上也影響了FeRAM的運(yùn)行速度。鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器架構(gòu)從FeRAM的制備工