现代存储技术201405

1、现代存储技术现代存储技术2014年电子专业中职培训年电子专业中职培训极化材料与器件教育部重点实验室华东师范大学 信息科学技术学院唐晓东获取获取内部存储器存储存储处理处理显示显示外部存储器信息存储是将字符、文献、声音、图像等有用数据通过写入装置暂时或永久地记录在某种存储介质中，并可利用读出装置将信息从存储介质中重新再现的技术总合。存储技术随着科学技术的进步经历了由纸张书写、微缩照片、机械唱盘、磁带、磁盘的演变过程，发展到今天的存储技术的新阶段。以互联网为代表的海量信息传输技术的发展带来了海量信息存储问题，这是目前国际上的研究热点之一。大容量、高速度、高密度、高稳定性和可靠性的存储系统竞相研究与推

2、出。Text文本Graphic图像Image照片Audio音频FMV视频2KB（A4）8KB40KB（黑白）1MB（1min Plaza）10MB（1min，VHS）5MB（彩色）10MB（1min，HiFi）40MB（1min，广播电视）内部存储器外部存储器按存储结构分类随机访问存储器（RAMRandom Access Memory）随机读写，既可以读出，又可以写入。对存储器内部的任何一个存储单元的读出和写入时间是一样的，与其所空的位置无关，即存取时间是相同的，固定不变的。RAM主要用作主存，也可用作高速缓冲存储器。只读存储器（ROMRead Only Memory）可以看作是RAM的一种特

3、殊方式，它只能随机地读出信息而不能写入信息。信息一经写入存储器就固定不变了，所以又称为固定存储器。顺序存取存储器（SAMSequensal Access Memory）存取方式与前两种存储器完全不同。信息一般是以文件或数据块的形式按顺序存放，信息在载体上没有唯一对应的地址。要找到所需信息，就必须知道一些关于所存信息的详细说明。磁带机就是这类存储器。直接存取存储器（DAMDirect Access Memory）存取方式介于RAM和SAM两者之间。存取信息时，第一步是直接指向整个存储器中的某个小区域（如磁盘上的磁道），第二步是在小区域内顺序检索或等待，直到找到目标后进行读写。这种存储器的存取时间

4、与信息所在的位置也是相关的。磁盘、磁鼓就属于这类存储器。按存储方式分类磁存储器用磁性材料做成的存储器称为磁存储器（磁心、磁泡、磁膜、磁鼓、磁带、磁盘等）。半导体存储器绝大多数计算机都使用半导体存储器作主存，主要分为RAM和ROM。光学存储器用激光束聚焦为亚微米尺寸光点记录在光盘介质上，可用激光束读出记录信息。其它介质存储器如光电存储、电荷耦合器件存储器按存储介质分类u磁存储技术u半导体存储技术u光存储技术u非易失性存储技术u新型存储技术提 纲磁带存储可以说是最古老的现代存储方式之一。从1952年第一台13mm(0.5英寸)磁带机在IBM公司问世以来，它已经走过了50多年的历史，积累了大量的使用

5、经验和可靠性数据。磁带存储是一种安全、可靠、易用、效率高的数据备份方法。 磁存储技术磁性原理磁有两种源头： 电流是一群移动的电荷。电流或移动的电荷，会在周围产生磁场。 很多种粒子具有内秉的磁矩自旋磁矩（spin magnetic moment）。这些磁矩，会在四周产生磁场。对于磁性物质，磁极化的主要源头是以原子核为中心的电子轨域运动，和电子的内秉磁矩（电子磁偶极矩：Electron magnetic dipole moment）。与这些源头相比，核子的核子磁矩（nuclear magnetic moment）显得很微弱，强度是电子磁矩的几千分之一。当做一般运算时，可以忽略核子磁矩。但是，核子磁

6、矩在某些领域很有用途，例如，核磁共振、核磁共振成像。物质内部超多数量的电子，其各自的磁矩（轨域磁矩和内秉磁矩）会互相抵销。这是因为两种机制：遵守泡利不相容原理，匹配成对的电子都具有彼此方向相反的内秉磁矩；电子趋向于填满次壳层，达成净轨域运动为零。对于这两种机制，电子排列会使得每一个电子的磁矩被完全抵销。当然，不是每一种物质都具有这么理想的属性，但甚至当电子组态仍有尚未配对的电子或尚未填满的次壳层，物质内部的各个电子会贡献出随机方向的磁矩，结果是这些物质不具有磁性。自发性效应，或许是由于外磁场的施加，物质内的电子磁矩会整齐地排列起来。由于这动作，很可能会造成强烈的净磁矩与净磁场。物质的磁行为与其

7、结构有关，特别是其电子组态。在高温状况，随机的热运动会使得电子磁矩的整齐排列更加困难。抗磁性是物质抗拒外磁场的趋向，因此，会被磁场排斥。所有物质都具有抗磁性。对于具有顺磁性的物质，顺磁性通常比较显著，遮掩了抗磁性。只有纯抗磁性物质才能明显地被观测到抗磁性。例如，惰性气体元素和抗腐蚀金属元素（金、银、铜等等）都具有显著的抗磁性。外磁场存在时，表现抗磁性；外磁场撤除，抗磁性消失。在具有抗磁性的物质里，所有电子都已成对，内秉电子磁矩不能集成宏观效应。因抗磁性产生磁浮的热解碳（pyrolytic carbon）抗磁性抗磁性顺磁性物质可以被看作是由许多微小的磁棒磁棒组成的，这些磁棒可以旋转，但是无法移动

8、。这样的物质受到外部磁场的影响后其磁棒主要顺磁力线磁力线方向排列，但是这些磁棒互相之间不影响。热振动不断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。因此磁力线的强度越强顺磁性物质内磁棒的排列性就越强。无外部磁场外部磁场弱外部磁场强顺磁性顺磁性实际上顺磁性物质内部并没有小磁棒，而是微观的磁矩。在顺磁性物质中这些磁矩互相之间不影响。然而与铁磁性不同的是在顺磁性物质中外部磁场消失后物质内的磁场立刻就由于热运动消失了。磁化矢量磁化矢量 M 与磁场强度磁场强度H 成正比M = H, 0磁化率 越高，越容易被磁化。因此，磁化率是衡量顺磁性的强度的量。由于磁化率和相对磁导率r之间有以下简单

9、关系r=+1， 磁导率往往也被看作是衡量顺磁性的量。假如磁矩之间有耦合的话物质内就会产生磁有序状态磁有序状态，在这种情况下磁化率会非常复杂，因此这样的物质不再是顺磁性的。总的来说这样的物质的磁性有序状态在一个阈温度以上会被破坏，由于物质中依然有磁矩，因此在这个温度以上这样的物质呈顺磁性。材料的磁性状态具有自发性的磁化现象。某些材料在外部磁场的作用下得而磁化后，即使外部磁场消失，依然能保持其磁化的状态而具有磁性，即所谓自发性的磁化现象。 所有的永久磁铁均具有铁磁性或亚铁磁性。基本上铁磁性这个概念包括任何在没有外部磁场时显示磁性的物质。通过对不同显示磁性物质及其磁性的更深刻认识，更精确的定义。 一

10、个物质的晶胞中所有的磁性离子均指向它的磁性方向时被称为是铁磁性的。 若其不同磁性离子所指的方向相反，其效果能够相互抵消则被称为反铁磁性。 若不同磁性离子所指的方向相反，但是有强弱之分，其产生的效果不能全部抵消，则称为亚铁磁性。铁磁性铁磁性外磁场下，磁畴的磁矩趋于与外场同方向，形成强磁化矢量与感应磁场。 随外场增高，磁化强度也会增高，直到“饱和点”，净磁矩等于饱合磁矩。这时，再增高外场也不会改变磁化强度。减弱外场，磁化强度跟着减弱。但不会与先前对于同一外磁场的磁化强度相同。磁化强度与外磁场的关系不是一一对应关系。磁化强度比外磁场的曲线形成了磁滞回线。假设再到达饱和点后，撤除外磁场，则铁磁性物质仍

11、能保存一些磁化的状态，净磁矩与磁化矢量不等于零。所以，经过磁化处理后的铁磁性物质具有“自发磁矩”。磁化强度（Y轴）与H场（X轴）之间的磁滞回路关系在铁磁性物质内部，有很多未配对电子。由于交换作用（exchange interaction），电子的自旋趋于与相邻未配对电子的自旋呈相同方向。由于铁磁性物质内部又分为很多磁畴，虽然磁畴内部所有电子的自旋会单向排列，造成“饱合磁矩”，磁畴与磁畴之间，磁矩的方向与大小都不相同。所以，未被磁化的铁磁性物质，其净磁矩与磁化矢量都等于零。铁磁性物质具有强磁性，首先是因为铁磁性物质的原子具有永久磁矩。永久磁矩来源于电子运动，主要是电子自旋运动，而电子轨道运动处于

12、次要地位。从量子理论的观点来看，铁磁性物质的磁性，是由铁磁体中的一种原子力（所谓交换力）使许多原子的磁矩相平行而引起的。这种电子或电荷的运动相当于一个非常小的电流环。电流环在效果上就是一个微小的磁铁或磁偶极子。磁偶极子的磁矩取决于构成原于的各粒子的磁矩矢量之和。质子和中子的磁矩小于电子的磁矩，约为其干分之一。虽然每一个原于磁流环的磁矩都很小，但是一根磁棒中上亿万个原子电流环呈现的总效应就是一个很大的磁场。所以说原子的磁性，基本取决于它的电子层轨道运动和电子自旋运动的磁矩。不同物质的原子，轨道运动和自旋磁矩相互间的定向不同，所以它们的磁性也不一样。铁族元素的磁矩基本上来源于电子自旋，稀土族元素的

13、磁矩有相当一部分来源于电子轨道运动。在Fe，Co，Ni及其合金中，这些对磁矩产生影响的电子都在原子结构中的第三层；稀土族元素则不同，它位于第四电子层。物质的磁性现象存在一个临界温度，在此温度之上，铁磁性会消失而变成顺磁性，在此温度之下铁磁性才会保持。 对于铁磁性和亚铁磁性物质，此温度被称为居里温度（虽然都称为居里温度，但二者是又差别的）；对于反铁磁性物质，此温度被称为奈耳温度。亚铁磁性的有序排列反铁磁性的有序排列铁磁性的有序排列Tc铁磁及亚铁磁材料在没有外磁场作用的情况下并不显示出宏观磁性，然而这些材料在很弱的外加磁场作用下却可以显示出强磁性或较强的磁性，有些铁氧体甚至在小于1Oe的磁场中就可

14、以被磁化达到饱和。铁磁及亚铁磁材料的磁化，仅仅是由于外磁场把原来方向零乱的原子或离子磁矩排列起来的缘故，那么推算一厂，所需要的磁场强度至少是106Oe数量级，而实际上比这一数值小得多的磁场强度就足够了。这说明铁磁及亚铁磁材料的磁化，不只是由于外磁场的作用，还有更为深刻的内在原因。磁畴不同种类的磁畴：a）单独磁畴。 b）两个异向磁畴。c）多个磁畴，最小能量态。磁畴所生成的磁场以带箭头细曲线表示。磁化强度以带箭头粗直线表示磁畴的存在是能量极小化的后果。假设一个铁磁性长方体是单独磁畴（图a），则会有很多正磁荷与负磁荷分别形成于长方块的顶面与底面，从而拥有较强烈的磁能。假设铁磁性长方块分为两个磁畴（图

15、b），其中一个磁畴的磁矩朝上，另一个朝下，则会有正磁荷与负磁荷分别形成于顶面的左右边，又有负磁荷与正磁荷相反地分别形成于底面的左右边，所以，磁能较微弱，大约为图a的一半。假设铁磁性长方块是由多个磁畴组成（图c），则由于磁荷不会形成于顶面与底面，只会形成于斜虚界面，所有的磁场都包含于长方块内部，磁能更微弱。这种组态称为“闭磁畴”（closure domain），是最小能量态。铁磁及亚铁磁材料在没有受到外磁场作用时已经被自然地划分成许多小的区域，称为磁畴（10-15m3）。小区域内，原子/离子的磁矩多是平行排列的，达到饱和磁化的程度。从磁学观点来说，磁矩内部的原于或离子的“磁矩”加在一起使磁畴得到

16、累加的磁矩。最后，磁畴达到一个最佳尺寸停止增长，并开始新的一个磁畴。相邻磁畴之间存在着磁矩方向逐步改变的过渡层。这个过渡层叫畴壁。每个磁畴的磁矩取向各自不向，无外磁场作用时，这些磁畸的对外作用互相抵消，显示不出宏观磁传。磁畴存在的现象是铁磁及亚铁磁材料自发磁化的反映。这就是形成铁磁及亚铁磁材料特性的深刻的内在原因。铁磁性物质内部的磁畴。磁化强度以带箭头绿色或黄色直线表示外磁场作用于磁畴所产生的效应。外磁场以带箭头粗直线表示。磁化强度以带箭头绿色或黄色直线表示将铁磁性物质置入外磁场，则磁畴壁会开始移动，假若磁畴的磁矩方向与外磁场方向近似相同，则磁畴会扩大；反之，则会缩小。这时，假若关闭磁场，则磁

17、畴可能不会回到原先的未磁化状态。形成永久磁铁。假设磁化足够强烈，扩大的磁畴吞并了其它磁畴，只剩下单独一个磁畴，则此物质已经达到磁饱和。再增强外磁场，也无法更进一步使物质磁化。假设外磁场为零，现将已被磁化的铁磁性物质加热至居里温度，则物质内部的分子会被大幅度热骚动，磁畴会开始分裂，每个磁畴变得越来越小，其磁矩也呈随机方向，失去任何可侦测的磁性。假设现在将物质冷却，则磁畴结构会自发地回复，就好像液体凝固成固态晶体一样。 外加磁场较弱，只引起畸壁移动功。靠外磁场方向的磁畴体积增大，其它磁畴体积相内减小，宏观上呈现沿外磁场方向的磁化。去掉外磁场斤，磁化恢复原状，磁化自行消失，该过程可逆，见图（b）；

18、外加磁场较强，发生畴壁运动，磁畴取向也变化，而且后备占主要地位，宏观磁化与外加磁场成正比，见图（c）；去掉外磁场，磁化曲线不按原路变化即使H0，也不是所有磁畴都恢复原状，即磁感应强度B0，线性部分的磁化过程呈部分可逆态； 外加磁场很强，几乎所有磁畴的磁矩都与外磁场平行，磁化达到饱和状态，见图（d）；1898年，第一次发现磁介质可以记录信号；1900年，丹麦人Poulsen研制的第一台钢丝录音电话机；1920年，真空放大器发明，磁记录设备进入实用化阶段；1947年，3M公司正式建成了氧化铁录音带生产线； 1948年，美国Ampex公司开始出售录音机；1955年，IBM制出了世界第一台磁盘存储器；

19、1962年，IBM开始使用浮动磁头；1973年，IBM推出Winchester磁盘系统（8”软磁盘、5.25”小型磁盘）；1977年，日本人岩崎俊提出了垂直磁记录；1980年，5“软磁盘和垂直记录软盘；1990年，磁性合金膜磁电阻读出头的发现（2GB/in2）；1998年，巨磁电阻磁头商品化；磁存储发展历史优点存储密度高、存储容量大；读写速度快，可以立即至放和再现；多次读取；多次直接重写；多通道记录；读写信息的稳定性高，非易失性；成本低、适于大量生产；缺点制造、保存和使用环境要求高（对振动、温度、电磁场和尘埃敏感）；伺服系统精密度要求高，十分复杂；可擦性既是优点，也是缺陷；磁存储器的特点磁盘存

20、储器硬磁盘的存储容量与磁迹密度、线密度以及俘动高度密闭相关。目前，大容量磁盘存储器的磁迹密度为24-36条/mm，线密度可达470b/mm。磁头浮动高度为0.2-3um时，记录密度随磁头浮动高度的减小而线性增加，变化范围为60-70b/mm。1998年，硬磁盘容量可达11.5GB，平均搜寻时间为9.0ms。硬磁盘的记录格式是按预先确定的磁迹号、地址块、标识块、字符、数据块和数据场排列的。地址块和标识块用于定位指示和标识磁迹内的数据组织情况。地址块位于磁迹始端，包括磁迹状态标识符和物理地址。标识块在地址块后，由标址场和数据场组成。数据场足用户存储数据用的。由于硬盘容量较大，为便于使用，一般硬盘都

21、要建立分区，即将硬盘划分为几个部分，并给每个分区分配一个驱动器号，这也就是通常所用的C盘、D盘、E盘等。磁盘驱动器、磁盘控制器、磁盘片读写系统完成脉冲编码序列转换磁翻转信号的写过程，及磁信号还原成数据序列的读过程（磁头、盘片和读写电路）；磁头定位系统磁头迅速、准确定位（磁头驱动点击、执行机构、控制电路和检测部件）；上轴驱动系统实现以恒定转速驱动盘片（主轴电机、主轴部件和稳速系统）；CPU磁盘控制器磁盘驱动器磁盘控制信号驱动信号命令写/读全封闭结构。温盘驱动器的磁头和盘片是作为“个整体被密封在盘腔内，称为头盘组件(Head Disk Assembly，HDA)。新磁头。体积小、重量轻、负荷小的

22、(仅5g)。磁层表面有氖碳润滑层，使磁头按接触起停方式在低浮动高度下(Rr，RCRe。介质内部的光吸收由带间吸收为主变为以自由载流子浓度猛增，从而使得电子电子碰撞的概率（正比于N2）远远超过电子网络碰撞的概率，自由载流子吸收的光能远比它与网格点作用损失的能量为高，形成温度很高的电子空穴等离子体，但网络点的温度变化不大。激光脉冲结束后，等离子体中的过热电子在与声子相互作用（eh碰撞）过程中将能量传递给网络点，或与空穴复合而释放能量，最终使介质回到自由能最低的晶态。对于组分符合化学计量比的介质，在光晶化的过程中没有长程原子扩散，只有原胞范围内原子位置的重新调整。 所以，光晶化机制是一种无扩散的跃迁

23、复合机制。它利用弛豫过程和复合过程释放的能量促成网格元胞内原子位置的调整以及键角畸变的消失，从而完成晶化过程。光致晶化过程包括光致突发晶化和声子参与的弛豫过程，前者需时在10-9-10-12秒量级，后者约几十钠秒。激光光致与热致晶化过程的对比。热致晶化光致晶化本质扩散型成核长大式晶化过程非扩散型跃迁复合式晶化过程条件符合或不符合化学计量比的组分；所用的亚稳相符合化学计量比组分；直接固态相变，无需成核起因热致起伏激光束激发或电子束激发耦合性质相分离，原子扩散；原子振动；分子振动无相分离，无扩散；原子位置调整；键角畸变消失自持效应不重要自持晶化，重要穿透深度整体效应激光束：100-5000；电子束

24、：1-2um晶化时间较长退火过程（0.5us-1.0ms）突发作用（1ns-1ps）+弛豫过程（10-200ns）可擦重写磁光光盘的原理可擦重写磁光光盘的原理磁光存储的原理上与垂直磁记录类似，即以磁化矢量沿法线方向取向的两个磁状态来表示二进制中的“0”和“1“状态，但磁光存储不用磁头而是用光学头，依靠激光束加外部辅助磁场的方法来写入信息，利用磁光效应读出信息。记录介质磁化方向重新定向所必须的磁场强度与记录介质的温度有关，通常随着温度的升高而减小。当温度达到居里温度Tc后，材料的矫顽磁力Hc降为零。此时，只需较小的铺助磁场即可使介质磁化方向换向，这就是居里点记录原理。磁化强度和矫顽力与温度的关系

25、磁光存储的原理示意图信息的写入。磁光读写头的脉冲激光聚焦在介质表面，光斑处温升而迅速退磁，通过读写头施加一反偏磁场使微斑反向磁化，无光照相邻磁畴，磁化方向仍保持不变。激光束照射结束后，被照点的温度即恢复到家温。信息的读取。被记录信息利用磁光效应渎出。当直线偏振光透过透明磁性体(铁磁体、亚铁磁体、顺磁体)，或从磁性体反射时，由于自发磁化的存在(顺磁体需加外磁场)，会产生新的光学各向异性，从而观察到种种不同的光学现象。信息的擦除。用原来写入信息的脉冲激光使录入微斑退磁，此时再施加一个与Hc方向相同的偏置磁场，使微斑磁畴的磁化方向复位。 由于磁晴磁化方向的翻转速率有限，故磁光光盘一般也需要“先擦、后

26、写”两次动作完成信息的写入。全息光存储技术所谓的全息存储技术，实质上还是一种光盘存储技术。所谓的全息存储技术，实质上还是一种光盘存储技术。“全息全息”这一概念产生于这一概念产生于1947年，当时匈牙利物理学家、诺贝尔物理学奖获得者丹尼斯嘉柏(Dennis Gabor)为提高电子显微镜的分辨率提出了全息摄影术（holography）。“全息”意思是摄影时除记录波长和强度以外，还记录物光的相位、物光的全部信息。所以，全息摄影能使物体产生极其逼真的立体感觉，立体电影就是在全息摄影技术的基础上发展而来的。所谓的全息存储技术，实质上还是一种光盘存储技术。所谓的全息存储技术，实质上还是一种光盘存储技术。“

27、全息全息”这一概念产生于这一概念产生于1947年，当时匈牙利物理学家、诺贝尔物理学奖获得者丹尼斯嘉柏(Dennis Gabor)为提高电子显微镜的分辨率提出了全息摄影术（holography）。“全息”意思是摄影时除记录波长和强度以外，还记录物光的相位、物光的全部信息。所以，全息摄影能使物体产生极其逼真的立体感觉，立体电影就是在全息摄影技术的基础上发展而来的。所谓的全息存储技术，实质上还是一种光盘存储技术。所谓的全息存储技术，实质上还是一种光盘存储技术。“全息全息”这一概念产生于这一概念产生于1947年，当时匈牙利物理学家、诺贝尔物理学奖获得者丹尼斯嘉柏(Dennis Gabor)为提高电子显

28、微镜的分辨率提出了全息摄影术（holography）。“全息”意思是摄影时除记录波长和强度以外，还记录物光的相位、物光的全部信息。所以，全息摄影能使物体产生极其逼真的立体感觉，立体电影就是在全息摄影技术的基础上发展而来的。所谓的全息存储技术，实质上还是一种光存储技术。“全息”这一概念产生于1947年，当时匈牙利物理学家、诺贝尔物理学奖获得者Dennis Gabor为提高电子显微镜的分辨率提出了全息摄影术（holography）。“全息”意思是摄影时除记录波长和强度以外，还记录物光的相位、物光的全部信息。所以，全息摄影能使物体产生极其逼真的立体感觉，立体电影就是在全息摄影技术的基础上发展而来的。

29、Dennis Gabor（19001979）60年代初，随着激光器的发明，Van Heerden提出了全息数据存储的概念。在全息光存储中，数据信息是以全息图的形式被记录在存储材料中。与目前其它光存储方法所不同的是，由于全息存储材料上保存数据信息的全息图所记录的是物光和参考光的干涉图样，因此它不仅保存了物光的振幅信息，而且还保存了其完整的空间位相信息，这是由全息方法本身的物理特性所决定的。激光全息存储技术激光全息存储技术是一种利用激光全息摄影原理将图文等信息记录在感光介质上的大容量信息存储技术，普通全息存储中存储和再现的是事物本身的全息图像，这是一种模拟存储方式。而全息光盘存储则是数字存储方式。

30、信息记录在介质体内，利用不同角度的光线可在同一的区域内记录多个信息图像。采用不同角度的参考光可以在同一存储材料的同一位置存储另外一幅完全不同的全息图，这就是全息光存储的一个重要技术特征复用技术。在复用情况下，一个角度的参考光对于一幅全息图。当读出数据时，用和存储该数据页所用参考光相同的光照射存储材料，光束与存储材料中的干涉图样（全息图）发生衍射，衍射光成像于光电探测器阵列上并被转变为电信号，通过电通道传输到后续处理环节。每一数据页都可以使用与记录时所用参考光相同的光准确地再现出来。全息图记录与再现的基本原理来自物方携带有调制信号（欲实现存储的信息）的光称为物光，另一束光称为参考光。物光和参考光

31、是由同一激光器输出的激光束经分光镜而得到的，因此满足形成干涉所需的相干条件。当物光和参考光相遇时就会产生干涉，从而在空间形成光的干涉图样。令物光和参考光在全息光存储材料中相遇并发生干涉，干涉图样会使存储材料的化学或物理特性发生改变，存储材料在折射率或者吸收率上的相应变化就作为干涉图样的复制品而存储下来。存储下来的干涉图样就是全息图，它保存了物光的全部信息（包括振幅和位相信息）。全息数据存储在光敏光学材料上通过非光学相干图样来记录信息。一束激光首先被分成两部分，产生暗像素和亮像素。通过调整参考光的角度、波长和介质的位置，理论上可以在同一个空间记录下数千比特张全息图像。数据存储密度的极限是几十TB

32、/立方厘米。读取数据读取数据通过重新产生相通的参考光来重建全息图像可以将存储的数据读出。参考光聚焦在光敏材料之上，照亮了合适的干涉图样，光线在干涉图样上发生衍射，衍射图案投影到检测器上。检测器可以并行的将数据读出，一次就可以读出超过1兆比特的信息，因此数据率非常高。记录在全息驱动器中的文件的访问时间可以做到在200毫秒以下。保存寿命保存寿命如果使用一次写入多次读取的方法，可以保证内容的安全，防止存储的的信息被重写或者修改。全息存储制造商认为，这种技术可以提供安全的数据存储方案，储存数据的内容50年也不会发生变化，远远超过当前的数据存储技术。反对观点认为，数据读取技术每十年就会发生巨大的变化，因

33、此尽管有能力将数据保存50-100年，但是很有可能需要用到数据的时候却无法找到合适的读取设备来读取。一般情况下，全息存储是一种一次写入多次读出的存储技术，这是由于在写入数据的时候，存储介质发生了不可逆的变化。可重写的全息存储技术可以通过晶体的光致折变效应来实现：l 从两个光源产生的相干光（参考光和信号光）在介质上产生干涉图样。l 干涉相长时，干涉图样显示为亮班，材料中的电子接受了光的能量，可以发生从材料价带向导带的跃迁。电子跃迁后价带含有正电，留下的位置称为空穴。在可重写的全息图像材料中，要求空穴不可移动。干涉相消时，光的能量比较低，电子不会发生跃迁。l 导带中的电子可以在材料中自由移动。电子

34、的运动受到两种相反的力的作用，第一种是电子和跃迁后留下的空穴之间的库仑力的作用，这个力使得电子难以移动，甚至会将电子拉回空穴。第二个力是电子扩散作用产生的，它使电子移向电子密度较低的地方。如果库仑力不够强，电子就会移动至暗条纹处。l 在电子跃迁一开始，电子就有一定的概率与空穴重新结合，回到价带。结合率越高，电子能够移动到暗条纹处的数量就越少。这个速度会影响全息图像的强度。l 一部分电子移动到暗条纹处并与其中的空洞结合以后，在暗区的电子和在亮区的空穴间就会创建一个永久的空间电场。由于电光效应，这个电场会影响到晶体的折射率。当信息需要从全息图像中读取出来的时候，只需要参考光就可以重建全息图像。参考

35、光以和写入全息图像的时候完全相同的放射照射在材料上。由于写入的时候折射率发生了变化，光线会分裂为两部分，其中之一将会重建存储了信息的信号光。一些检测器，比如电荷耦合组件（CCD）照相机可以用来将信息转化为更容易使用的形式。理论上一个边长为写入光波波长的立方体可以存储1比特的信息。例如，氦氖激光器所发出的红色激光波长为632.8纳米，每立方毫米就可以存储4Gb的数据。实际上，数据密度会远远低于理论密度，主要是由于以下几个原因：l 需要使用纠错编码l 需要考虑光学系统的缺陷和约束l 高密度的记录的成本也会更高，需要考虑到成本和性能的折衷l 设计技术的约束（目前磁记录的硬盘已经面临着这个问题了，磁畴

36、结构使得硬盘制造无法达到理论上的极限）现在的存储技术每次都只能读写一个比特的信息，而全息存储技术可以使用一束光并行的读写数据。超高密度超高密度 记录点记录点 100nm 容量容量 100GBCD 记录点记录点830nm 容量容量 650MBDVD 记录点记录点400nm 容量容量 4.7-9.4GBBD 记录点记录点130-160nm 容量容量 22-27GB光存储发展的光存储发展的历史历史u磁存储技术u半导体存储技术u光存储技术u非易失性存储技术u新型存储技术提 纲 易失与非易失的差别就在于易失性存储器在外加电场消失后，存储的数据便随之消失，而非易失性存储器在同样情况下，仍然能够将数据完整地

37、保存下来。经过相当一段时间的发展，易失性存储器技术（SRAM和DRAM）已较为成熟，也是目前的主流存储技术。而非易失性存储器技术包括过去的掩膜ROM、EPROM、EEPROM、近来迅速崛起的快闪（Flash）存储器。相变随机存储器（OUM，Ovonics Unified Memory）磁阻随机存储器（MRAM，Magnetoresistance Random Access Memory）铁电随机存储器（FeRAM，Ferroelectric Random Access Memory）低成本、低功耗、高速度、高寿命和非易失性 以相变型半导体材料作为存储介质的相变型随机存储器（PC-RAM，Pha

38、se Change Random Access Memory）是基于Ovshinsky在20世纪60年代末提出的奥弗辛斯基电子效应的基础上建立起来的。由于在该研究中所采用的相变半导体材料多为硫系化合物，所以也称为硫系化合物随机存储器（C-RAM，Chalcogenide Random Access Memory）。1968年Ovshinsky在物理评论快报上发表了第一篇关于相转变的论文，创立了非晶体半导体学，一年以后，他首次描述了基于相变理论的光存储器。考虑到相变型随机存储器是基于奥弗辛斯基效应，因此又被命名为奥弗辛斯基电效应统一存储器（OUM，Ovonics Unified Memory）。

39、相变随机存储技术时间重要发展事件1968年ECD的S.R. Ovshinsky首先发现硫系化合物的快速可逆相转变，具有开关（Switching）/存储（Memory）的用途。1999年ECD成立Ovonyx公司并获得英特尔与ST Microelectronics的投资，研发进程加快。2001年7月英特尔以OUM（0.13m工艺）及FeRAM技术开发下一代存储器，合作商包括Ovonyx及Thin Film Electronics ASA。2001年11月英特尔与Ovonyx和非易失性存储器设计公司Azalea Microelectronics合作，以0.18m的CMOS（Complementar

40、y Metal-Oxide-Semiconductor）工艺开发4Mbit的OUM存储器。2001年12月日本媒体投票选出了2001年半导体、LCD产业10大新闻，OUM和MRAM等新型非易失性存储器相继问世的消息列第五位。2002年3月英特尔在IDF论坛上表示将自行开发下一代FLASH晶片，因为现有的FLASH工艺发展到45nm技术时面临极限的挑战，除非能在现有的晶片单元结构上出现根本的改变，而相对于FeRAM和MRAM等技术，OUM技术的前景更具有希望。2002年11月英特尔投资英国光盘公司Plasmon，以OUM技术应用于更高密度、低成本、非易失性存储器研究。2003年三星在VLSI论坛

41、上宣布OUM存储器器件单元的RESET电流已降低到0.34mA。2004年三星开发出64Mbit的OUM存储器。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的关键材料是硫系化合物合金材料，其特

42、点是当对它施加一个电脉冲或采用一束激光加热时，可以使材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变。伴随着材料结构中相的转变，材料的光学和电学等性能也随之而发生变化，在处于非晶态时相变材料呈现出高电阻（低反射率），处于多晶态时呈现出低电阻（高反射率），其间电阻的变化幅度可达几个数量级，这样依靠在相变材料两个态之间的切换实现信息的存储。相变随机存储的原理施加写、擦电压脉冲后，OUM存储器硫系化合物层的温度随时间的变化示意图，其中，Ta为环境温度；Tx为结晶温度；Tm为熔化温度；t1为非晶化脉冲快冷宽度；t2为晶化脉冲宽度t1t2写入过程：施加一个短而强的电压脉冲，电能转变成热能，使硫系化合物温度升高到熔化

43、温度以上，经快速冷却（冷却时间为t1，约为几个纳秒），破坏多晶的长程有序结构，实现多晶态向非晶态的转化；擦除过程：施加一个长且强度中等的电压脉冲，硫系化合物的温度升高到结晶温度以上、熔化温度以下，并保持一定的时间（t2，一般小于50ns），实现由非晶态转化为多晶态；读取过程：所加脉冲电压的强度很弱，温度只能升高到结晶温度以下，并不引起材料发生相变，读取电阻值。读写原理：目前OUM研发工作的焦点都集中在如何尽快实现OUM的商业化上，因此相应的研究热点也就围绕OUM器件的物理机制研究，包括器件结构设计和存储机理研究等； 减小器件的操作电流； 高密度器件阵列的制造工艺； 器件单元的纳米尺度化； 高密

44、度器件芯片的工艺问题； 器件的失效问题；OUM技术的发展趋势1、减小电极与相变材料的接触面积。随电极与相变材料接触面积的减小，操作电流也逐渐减小。2、其次是提高相变材料的电阻，在操作电压相同的情况下，如果提高晶态相变材料的电阻，将使操作电流减小。3、还有就是在电极与相变材料之间或相变材料内部添加热阻层，提高发热效率，也能起到减小操作电流的作用，作为热阻层的材料主要有TiN 等。4、还可以通过进一步完善器件结构设计，探索新型结构等手段来降低操作电流。101102103104105106107012345IRESET /(mA)Contact area /(nm2)操作电流问题器件的失效问题器件经

45、过多次写/擦循环后，如果其非晶态与晶态的电阻太过接近而无法分辨开，就会造成器件失效，其原因可能有以下几个方面：相变材料与电极材料之间的连接处发生开路；相变材料的晶粒长大致使不能实现完全擦除过程；相变材料本身性能和结构变化；器件单元电阻的分散性太大；器件单元之间的干扰。研究相变材料的组分稳定性、器件单元中多层膜的应力问题、电极材料与相变材料之间的匹配问题以及二者之间界面的粗糙度等问题。器件失效问题磁阻随机存储技术 磁阻随机存储器（MRAM）的基本原理就是利用磁性薄膜材料的电阻随薄膜磁化方向不同而发生变化来实现数据的存储。采用该种技术实现的数据存储要直到被外界的磁场影响之后才会改变，存储特性具有永

46、久性。GMR效应和TMR结构的发现成就了实用化MRAM存储器的诞生。 MRAM存储技术除了非易失性特性之外，还具有能耗低及读写速度快的特性，在写入或读取的速度（目前可以达到10ns）上可以和静态随机存取内存（SRAM）媲美。而记录单元体积小、集成度高的特性可与动态随机存取内存（DRAM）相抗衡。其制造工艺与现有的CMOS制程的整合性能也较好。更为瞩目的是，MRAM存储技术的存储密度和速度还有很大的提升潜力。ITRS（International Technology Roadmap for Semiconductors）已将其列为最新的下一代内存1972年，MRAM的基本概念提出；1992年，H

47、oneywell展示了样片。采用各向异性磁阻材料，在常温下，相应的磁阻变化率只有2%左右；1988年，GMR效应以及随后的MTJ结构的发现；2002年，Sony发表了采用CoFeB（2-4nm）为自由层的MTJ结构MRAM储存数组（0.35um线程），隧道磁电阻达55；2002年，Motorola展示了第一款兆位（1Mbit）MRAM通用内存芯片；2003年，Toshiba与NEC公开了联合开发的1Kbit和1Mbit两种MRAM试制产品。首次导入了覆盖有磁性体的字符线和位线结构，以微小电流有效地提供写入所需的磁场；2004年，Motorola与Digital DNA发表了的全球第一块单晶体管

48、和单MTJ结（0.18um）4Mbit的MRAM存储芯片，此举奠定了MRAM产业的一个里程碑；2004年，美国NVE公司和日本ANELVA公司发布的MTJ结构中，同时采用了CoFeB作为固定层和自由层材料，进一步改善了固定层、自由层和其间氧化铝绝缘层的界面性能，提高了界面的亲和性，大幅提高了MRAM组件读写的可靠性，室温下隧道磁阻率高达70；磁阻随机存储技术发展历史MTJ的基本构造：上下两层导电金属层呈X、Y轴向垂直排列，上面的导电金属层称为位线（BL），下面的金属层称为字符线（WL），中间夹着由反铁磁层、固定层、绝缘层和自由层组成的MTJ。当位线通过一个电脉冲时，固定层磁化方向由于被反铁磁层

49、钉扎而不会发生改变，自由层的磁化方向因为受到位线电流所产生的感应磁场的影响而发生偏移。若此时在字符线再施加一个脉冲电流，使得自由层的磁化方向受感应的磁场作用，随着电流的增大，其矫顽场逐渐地被抵销掉，最后自由层的磁化方向会完全翻转过去。如此一来，两铁磁性层（固定层和自由层）的磁化方向成为顺向排列（磁电阻低）或反向排列（磁电阻较高）。MTJ的基本构造图自由层绝缘层固定层反铁磁层字符线磁性覆盖层位 线磁性覆盖层磁阻随机存储的原理写入机制：若要对某个记忆位单元（第I行第J列）写入数据，先将电流通过第I行的字符线（外加电流要比临界值低一点），此时再施加一个很小的电流到第J列的位线，就会该单元的自由层磁化

50、方向翻转。以He-Hh（易轴-难轴）平面星状图（Asteroid）为依据，星状区域内的面积为非翻转区，其外面的区域为翻转区，当X或Y其中任意一轴的电流加到略低于临界值时，另一轴只要施加一个微小电流值就可使自由层磁化方向完成翻转。翻转区非翻转区HhHe读取机制：当电流通过单位记忆元时，根据磁阻的状态不同则所产生的读出电压（Vout）亦不同。当两铁磁性层的磁化方向为顺向排列时，因磁阻低故Vout较低；而两铁翻转区非翻转区Hh/He磁性层的磁化方向为反向排列时，磁阻较高所以Vout较高。根据Vout的高低状态的不同便能判断单位记忆位单元所存储的数据为“1”或“0”。早在上世纪80年代中期，Grunb

51、erg在Fe/Cr/Fe三明治结构中发现两Fe层之间存在反铁磁耦合作用。根据这一结果，1988年Baibich等人设计的Fe/Cr多层膜成功地使磁电阻效应得到放大。随后的大量研究表明，GMR效应广泛存在于： 过渡金属磁性多层膜； 纳米尺度的磁性颗粒膜； 自旋阀结构； 磁隧道结； 氧化物薄膜；巨磁阻（GMR）材料MRAM的技术主要的发展方向主要体现在寻求以下几方面问题的解决方案中：（1）高磁电阻率的磁性材料和结构；（2）降低记录位尺寸；（3）改善读写的架构及方法。MRAM技术的发展趋势磁性材料层的结构MRAM组件大多向MTJ多层膜结构发展。MTJ多层膜以金属铁磁层/绝缘层/金属铁磁层为主要结构。

52、其中，金属铁磁层部分可采用Fe，Co，Ni，B等比例适当的金属合金组成，绝缘层采用得最多的是Al2O3，厚度在几个纳米以下。MTJ结构仍存在一些问题：1、电流的非线性效应，磁电阻率与偏压的大小有关，改变偏压可能减小磁电阻率值。2、MTJ多层薄膜的电阻太大（1K），导致电流减小。为了要降低电阻值，最直接的办法则是减小绝缘层的厚度。3、绝缘层厚度降至7nm时，有严重的短路现象发生，因此电阻降低则受到限制。探索新的磁性材料和开发新的结构仍然是开展MRAM技术研究和开发的主要内容之一。降低位尺寸缩小每单一记忆单元横向尺度及单元间距是提高容量密度的唯一方式。在结构设计部分，将考虑通过改进包括横向形状及多

53、层膜层状结构，以达到降低读/写电流及提高记忆单元稳定性的要求；在制程部分，技术的突破在使用电子束微影技术并配合新的回蚀刻技术制作纳米尺度的记忆位单元及读写连接导线，以及与制程上相关的核心技术开发等。采用垂直异向性的材料作为记忆位单元可大幅改善面积的利用，大幅提升记忆密度。XPC（Cross Point Cell）架构。记忆位单元不串接一个MOSFET，直接与字符线和位线相连，其尺寸大幅减少。 读写构架及方法MRAM是一个相当复杂及新颖的自旋电子集成组件，要达到超高容量密度及良好的整体表现，需要解决很多问题：采用垂直异向性磁性材料，解决涡流效应（vortex）的问题。提高MTJ磁阻值（改变氧化层

54、或TMR整体结构）降低漏电流。串扰（cross talk）有待新的读写技术来解决。采用较高磁异向性材料有助于热稳定性的提高。 漏电：漏电现象随着记忆位单元数组的增大而越发显著，从而增加了功耗。需要通过提高MTJ磁阻值（改变氧化层或TMR整体结构）来降低漏电流，或者改变读写电路架构以提高数据读写的准确度。 串扰：记忆位单元间的间距缩短到一定程度时，相邻的单元在执行写入动作的情形下相当容易产生串扰（cross talk）。如何隔离或降低相邻记忆位单元间的串扰效应有待新的读写技术来解决。 热稳定性：记忆位单元尺寸不断缩小下，磁矩方向易受到热扰动的影响而出现不规则转动，导致无法产生稳定扇区，此称为超顺

55、磁现象（super-paramagnetic phenomena）。采用较高磁异向性材料有助于热稳定性的提高。铁电随机存储技术在计算机出现后的不多时间里，国外不少研究实验室认为铁电体的电学上双稳态特性（即极化与电场关系的滞后特性，类似于磁性材料的磁化率与磁场的关系的滞后特性），可以用作计算机的存储器，而且与磁芯存储器比较铁电存储器在存储速度和功耗方面，具有突出的优点。u早期薄膜制备工艺的限制，铁电存储单元的厚度最薄只能达到100um左右，这就意味着需要有100V以上的工作电压才能完成器件的正常读/写操作；u铁电体的阈值电压与许多参数有关，因而设计器件遇到困难；u铁电体通常所具有的“疲劳”现象会

56、导致器件失效；u存储单元之间的“干扰脉冲”，这类似于上述的串扰现象，即在进行一个单元寻址时，邻近单元受干扰而突然发生开关现象。FeRAM这一概念早在20世纪60年代初就已经被提出了，但当时铁电薄膜制备和器件设计等方面的技术尚不完备，主要面临的问题有：铁电随机存储的历史1988年，美国Ramtron公司率先推出第一批铁电薄膜存储器FeRAM产品，存储容量为164kbit。该器件采用1.5um的制程，通过PZT薄膜与CMOS器件集成而制造的。1995年，该公司将制备工艺从1.5um线程发展到亚微米制程，开发出从64kb到32Mb系列FeRAM产品，并使器件的工作电压降到3V，读写次数提高到1012

57、，读写时间达到100ns。1998年，日本NEC已研制成容量为1Mbit的铁电存储器。2002年，Hynix半导体公司也推出了采用0.25um制程的业界首个商用百万位（4Mb和8Mb）铁电存储器，其工作电压为3.0V，数据存取速度为70ns，能进行1011次读/写操作。世界上其它许多大公司，如美国的Haris，Symetrix，Motorola、AT&T，日本的NEC、松下、日立、Oeympus，荷兰的Philips，德国的ITT、西门子及韩国的现代、三星等公司看准这一发展势头，都纷纷投入大量的人力和物力参与铁电薄膜存储器的研究和开发。最新的64Mb嵌入式FeRAM样片，采用先进的0.

58、13um制程，工作电压为1.37V，数据存取速度为30ns，存储单元尺寸只有0.54um2。 FeRAM的工作原理是利用铁电晶体固有的一种偏振极化特性铁电效应来实现数据存储的。当在ABO3铁电晶体上施加一定的电场时，氧八面体中心的B4+离子相对于其它离子沿中心轴正、负方向偏移而产生极化，极化强度随外加电场的不断增强而最终达到饱和。当电场移除后，中心原子会保持在原来的位置。铁电晶体的中间位置是一个高能阶，中心原子在没有获得足够大的外部能量时不能越过该能阶到达另一稳定位置。在没有外加电场的情况下，铁电晶体能保持在原有的状态，其极化强度保留在低于饱和极化状态的剩余极化值。铁电随机存储技术原理A2B4

59、+O2这种离子极化过程使铁电体在宏观上表现为极化强度与外电场间产生非线性响应。从其电滞回曲线可以得知：施加大于矫顽场Vc（Ec）的电压（场）于铁电体上时，材料正向极化达到饱和极化值Pr，去掉外加电压（场）后，极化值降为Ps（剩余极化）；施加反向电场超过矫顽场Vc（Ec）时发生极化反转，饱和极化值为Pr ，去掉附加电压（场），极化值降为Ps 。+Vc-Vc极化量+Ps-Pr电压+Pr-Ps这样在一定的外加电压（场）作用后，当电场强度时，铁电体存在两个正负剩余极化值和，它们对应两种相应的稳定的状态，通过完成这两种状态间的相互转化就可以实现信息的存储。FeRAM的存储单元主要由电容和场效应管构成，在

60、两个电极板中间沉淀了一层晶态的铁电晶体薄膜。FeRAM存储单元基本结构主要分成2T2C，1T1C和1T2C三种类型。每个存储单元包括数据位和各自的参考位。1T1C结构的FeRAM所有数据位使用同一个参考位，而不是对于每一数据位独立使用各自的参考位。1T1C架构的FeRAM产品成本更低，容量更大。对FeRAM存储单元进行读操作时可能会导致存储单元状态的改变，与此同时，参考位的状态则不会发生改变，这就需要采用附加电路自动恢复其内容。所以FeRAM的每个读操作后面还伴随一个“预充”（precharge）过程来对数据位进行恢复，这在一定程度上也影响了FeRAM的运行速度。铁电随机存储器架构从FeRAM的制备工