Цифровой журнал «Компьютерра» № 186 - Коллектив Авторов

Достигнутая несколько лет назад плотность записи информации в 600 гигабит на квадратный дюйм позволила разместить на «трёхдюймовой» пластине 750 гигабайт полезной ёмкости, что соответствовало появлению накопителей с ёмкостью 1,5 и 3 терабайта. Именно в этих пределах и лежат объёмы большинства устройств, хранящихся в нижних, закрытых секциях книжного шкафа, где когда-то лежали бумажные журналы, а потом — DVD-диски… Сейчас доступны и устройства повместительнее, но ненамного. (Ну и двухтерабайтники «съедобны» для подавляющего большинства устройств, включая самые старые медиаплееры и док-станции.)

А вот дальнейший рост устройств на доменной памяти — затруднён. Слишком малы уже используемые магнитные домены. Их дальнейшая минимизация чревата утратой стойкости. Причём утратой не только флуктуационной, случайной, но и вполне закономерной. Вызываемой явлением так называемого суперпарамагнетизма — стремления магнитного поля макроскопического, но очень маленького домена, принять то же направление, что и у соседних участков. (Ну, как человек очень часто жертвует своим мнением в угоду взглядам и настроениям окружающей массы, что и позволило Лебону создать «Психологию толпы», то есть выполнить агрегатирование, сведение поведения множества людей к единому и простому стереотипу, опережая более чем на полвека методы кибернетической теории больших систем…)

Но давайте обратим внимание: в тексте выше мы дважды повторили слово «макроскопический» в применении к домену. Именно так его определила Физическая энциклопедия. Он хоть и маленький, но объект макромира. Подчинённого тем самым законам, что и реальность, в которой мы живём. И вряд ли могло быть по-другому: концепция domaine, унаследовавшая имя от королевского удела в Средневековой Франции, была сформулирована тогда, когда квантовой механики ещё только предстояло родиться. Но тем не менее и ныне играет поразительно важную роль в технике, а через неё — и в экономике. Прав был Кирхгоф (тот, что Законы…): «Нет ничего практичнее хорошей теории».

А теперь появляются шансы, что следующий этап развития техники хранения информации на магнитных устройствах окажется связан не просто с достижениями теории, но с реализацией абсолютно головоломной абстракции. Изначально представлявшей собой «теоретическую модель для описания в рамках эффективной нелинейной теории мезонных полей стабильных протяжённых частиц (барионов)». Во всяком случае Физическая энциклопедия толкует «Скирма модель» именно так. В 1961 году, когда британский физик Тони Хилтон Ройл Скирм (Skyrme, 1922–1987), предложил эту концепцию, речь шла о некотором объединении методов теории поля и теории элементарных частиц.

Интересующихся подробностями отошлём к сс. 543–544 четвертого тома Физической энциклопедии. Но спустя десятилетия после кончины Скирма выяснилось, что созданная им теория и получивший его имя абстрактный объект весьма полезны. Журнал Nature писал, что скирмион «есть стабильная топологическая структура, со свойствами, подобными свойствам элементарной частицы; математическая концепция, изначально созданная для описания ядерных частиц, но в последнее десятилетие нашедшая применения в диапазоне от микроскопического до космологического». То есть волшебство математики столь велико, что одна и та же абстракция превосходно работает и в крошечном мире квантовой механики, и на тех запредельных галактических дистанциях, где выныривают загадочные темная материя с темной энергией… Но работает — в моделях. Теориях.

А вот неделю назад тот же Nature опубликовал исключительно интересный материал — Twisted magnetic fields tie information in a knot (с подзаголовком «Неуловимые скирмионы созданы в лаборатории»). Речь идёт о событии почти волшебном. Группе учёных из Гамбургского университета удалось создать магнитные плетёные вихри (Twisted vortices) из очень небольшого количества атомов, описываемые именно моделью скирмионов (skyrmions). Причём эти объекты, приобретающие частицеподобные свойства, оказываются вполне стабильны, хотя и состоят всего лишь из 300 атомов. Маленькое оказывается более прочно, чем большое! Один из учёных, Кристен фон Бергманн (Kristen von Bergmann), предположил, что технология хранения данных на скирмионах позволит уплотнить магнитную память в два десятка раз.

Для управления плетёными вихрями-скирмионами нужен туннельный микроскоп.

Ну, правда, до практического воплощения эксперимента в технологии довольно далеко. Крошки-скирмионы стабильны и не норовят, проявив склонность к суперпарамагнетизму, подстроиться под соседей. Но пока — при весьма ограниченном диапазон температур. Не выше 4,2 градуса Кельвина. И нужен для управления скирмионами туннельный микроскоп. И создаются они потоком электронов заданного спина — то есть речь идёт уже не об электронике, а о спинтронике… Да и надёжность переключения скирмиона в заданное состояние — всего лишь 60%… И используемый материал — тончайшая плёнка из железа и очень недешёвых иридия и палладия. Но, повторим, речь пока что идёт о научном эксперименте. И очень важном — материализации методами физики экспериментальной одной из абстракций физики теоретической.

Ну а теперь представим себе, что технология скирмионов или какая-либо иная (вроде термомагнитной) даст результат. Емкость жёстких дисков повысится в двадцать раз. И где же они найдут себе применение?

Конечно, такие устройства пригодятся тем, кто обрабатывает «большие данные»: как мы писали, универмаг Walmart ещё три года назад оперировал базой данных более 2,5 петабайта. И у астрономов с биологами и метеорологами информации может накопиться очень много. Но дело обстоит так, что крупных торговых сетей — не много. И крупных обсерваторий — куда меньше. И провайдерам облачных вычислений не так уж важно, сколько информации на одном «блине»: всё равно строить дата-центры.

Но кто же самый богатый игрок корпоративного рынка (и рынка ИТ)? Конечно, Apple. Бизнес, ориентированный на потребителя. Поставщик развлечений. И именно для развлечений найдут применение диски многократной ёмкости. На них можно будет записывать никак не меньше фильмов в стандарте 4К, даже и стереоскопических, чем на современные НЖМД нынешних HD и Full HD. А это обеспечит массовый спрос. Физика — уже не только твёрдого тела, но и квантовая — плавно перейдёт в киношку!

К оглавлению

Самодостаточная коммуникация: без проводов и батарей

Андрей Васильков

Опубликовано 15 августа 2013

Сегодня окружающее пространство пронизано радиоволнами настолько плотно, что для простых коммуникационных устройств уже нет необходимости генерировать собственные сигналы и соревноваться в их мощности. На коротких расстояниях связь становится возможной путём избирательного отражения любого существующего радиосигнала — например, от телебашни. Такой примитивный, но действенный способ беспроводной связи в некоторых случаях даже не требует отдельного источника питания. Для него вполне хватает энергии самих электромагнитных волн. Из этих соображений родилась идея передачи данных на небольшие расстояния с использованием только пассивных устройств.

Прототип устройства беспроводной передачи данных, использующего энергию радиоволн из окружающего пространства (фото: Aaron N. Parks et al.).

Сейчас технологии маломощных коммуникаций находятся на волне подъёма. Растёт и популярность индуктивных схем зарядки. Многие крупные производители активно внедряют и то и другое. Если для мобильных гаджетов это больше вопрос удобства, то для имплантируемых устройств — пожалуй, единственный способ обеспечить долгую автономную работу. Жизнь пациента с кардиостимулятором не должна зависеть от ёмкости батарейки и возможности вовремя её заменить.

Ещё в советское время радиолюбителям удавалось запитать лампочку для карманного фонарика от дипольной антенны, находясь вблизи радиостанции или другого мощного источника электромагнитных волн на подходящей частоте.

В обычных городских условиях получать достаточное для питания аппаратуры количество энергии «из воздуха» было практически невозможно. Ситуация изменилась благодаря появлению компонентов со сверхнизким энергопотреблением и разработке метода под названием «обратное рассеивание в окружающей среде» (ambient backscattering).

Концепция основана на устройствах, мощность которых ограничивается десятками, максимум — сотнями микроватт. Это на порядки меньше того, что требуется для упомянутой лампочки накаливания, но именно столько можно гарантированно получить практически везде с помощью пассивной схемы, настроенной на мегагерцевый диапазон. Такой мощности не хватит для генерирования нового радиосигнала, но её вполне достаточно для модуляции и избирательного отражения имеющихся.