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这绝对是IT发展史上值得纪念的人物，过去他曾经为静态存储设备的发展做出过卓越贡献，如今他将引发一场计算机存储方式的革命。这场风暴不但会全面提升如今计算机的运算速度，更重要的是它将打破我们已经适应的习惯。现在Stuart Parkin正致力于改造RAM（随机访问存储器），在不久的未来，我们也许就不必在一次又一次的重新启动上浪费时间了。
简述
在过去的10年里，这位年过40，出生于英国的物理学家Parkin凭借其出色的研发能力已经成为IBM在磁存储方面的首席研发专家。早在90年代的初期，Parkin就为硬盘发明了一种新的读/写装置，现在我们把这种技术叫做巨磁阻GMR磁头。我们知道越小的磁体其磁极就会越不稳定，常常会出现南北极迅速翻转甚至磁性消失的现象，而这样的情形就成了存储设备提升容量的严重障碍。而GMR技术正是通过帮助提升更小磁块的稳定性戏剧性地改善了存储数据的可靠性。在今天，这已经成为每一块硬盘都会用到的技术。最近几年，Parkin把他研究的重点从静态硬盘驱动器存储设备转移到了动态内存技术和当前发展革新中的新芯片MRAM上。这种拥有很多微小磁体，受到磁力控制，有磁性的随机访问内存（magnetic random-access memory）很有希望在未来最终替代掉目前全世界范围内超过有3亿台PC机上正在使用的动态随机访问存储器DRAM（dynamic random-access memory）。如果这样的变迁只是像DDR SDRAM或Rambus内存替换SDRAM那样仅仅带来速度的变化，我们绝对不会认为这是一场存储革命，不过问题并不是这样简单。
MRAM的妙处
MRAM和DRAM有着非常重大的差别。MRAM芯片可以在没有电力的情况下依靠磁的极性来保存数据，而DRAM在失去电力以后则会丢失它之前保存的所有数据。就是这个因素引起了翻天覆地的变化。采用这种非易失性内存最显而易见的好处是计算机似乎已经不需要再有什么重启的时间了（当然你主动重启例外）。这简直完全改变了我们使用电脑的习惯。我们知道每次按下电源，然后花费1分钟左右的时间等待电脑就绪，这样的过程使得电脑和其它家用电器插上电源即可使用的方式比起来是多么不同。但或许正因为如此，对很多上了年纪的人来说电脑看起来是那么难以掌握。要想让电脑彻底融入人们的生活，首先就必须解决使用习惯上的差别。这也许就能够解释Parkin为何显得如此着急。要是这项技术获得成功，也就意味着无论何时我们都可以“立即”使用电脑了。
Parkin描述了MRAM的基本原理，他是从DRAM的原理开始的，这种动态存储器依靠电容上存储的电荷来暂存信息。但电容上的电荷始终会发生泄漏，因此就必须不断地动态刷新电容否则数据就会丢失。在一个典型的基于DRAM的机器上，操作系统和应用程序是被存储于硬盘驱动器上的。所以当计算机每次被你加电唤醒过来的时候，你就必须花费几分钟来等待，这期间计算机就会把存储在硬盘的操作系统以及你已经决定了在启动时需要加入的程序载入到DRAM里来，在这里微处理器才能够很快速地访问。如果你的计算机突然掉电，则所有保存在DRAM中的数据都会丢失，下次要用你又得等待那个烦人的导入过程。
用MRAM替代DRAM以后，你的计算机将象其它的电器设备那样，一按开关机器就立刻运行起来，并进入到就绪状态。当你关闭掉PC，MRAM芯片将保留所有它已经载入的东西，包括操作系统和应用程序。MRAM是一种非易失性的内存，这意味着它一定是基于某种固态的设计，在芯片上的设计不必周期性地刷新。实际生活中还有另外一个非易失性芯片的典型范例――Flash Memory，这已经被广泛采用在了像MP3播放器、数字照相机之类的设备上。为什么不使用Flash Memory来作为立即启动PC的主存呢？原因很简单，因为它有一个天生的无法克服的弊病，Flash内存单元在每次进行写操作的时候都会被损坏一点，所以大约进行了10 000次读/写周期以后，它们就报废了。因此这种内存只适合于消费电器市场，而它缺乏长期可靠性成为桌面电脑内存的致命伤。
内存的世界里有一些因素是至关重要的，芯片必须具有非易失性，电能消耗较低，价格便宜。但我们到现在也找不到一种可以满足上面所有要求的内存。我们今天所拥有的非易失性内存慢而且不够好，而动态随机存储器虽然够快但又会在掉电后失去数据，这一切都为新产品来替代注入了动力。
Parkin已经制造出了MRAM芯片的原型，它大约能够存储1kB的数据。然而这并不够，他自信能够在未来的数年内迅速扩大这种内存的容量，以生产出一种芯片比我们现在使用的更小更快，能存储更多的数据，而且比DRAM更加便宜的内存。虽然Parkin现在并不愿准确说明IBM要用多久能够达到这一点，但分析家认为5年之内必有成效。
要在5年内全面替代当前的内存标准，这听起来非常乐观。1999年全球范围的DRAM市场有210亿美元，到2000年底预计可以增长44%达到300亿美元，而每年40%的增幅至少会持续到2002年。不过持有这种观点的并不止IBM一家，其他的商业研发实验室如Motorola和Honeywell也确信很快就会有大的变革到来。他们正开始投资MRAM项目。Intel、Hewlett-Packard、Toshiba、Siemens和Bosch也在对MRAM进行试验，所有人都想跑到IBM的前面，当成百万的计算机使用者开始升级他们的PC到开机即用的时候，谁站在前面也就意味着抓住了巨大的潜在利益。我们问Parkin怎样才能在这么多的竞争对手中抓住MRAM市场。得到的回答是，IBM已经有了10-15个关于MRAM的专利。其中有2个非常重要：一个是针对带磁内存单元本身的，而另外一个则是关于芯片架构的。确实过去他们曾经非常成功地站在了领导主流产品材料的前沿，这包括在磁盘驱动器中GMR巨磁阻技术和铜互连导线等。以后IBM在MRAM技术方面真的很有竞争力。
Stuart Parkin其人其事
Parkin出生在英国的Watford，但他的父亲从事商业活动，这促使他们全家不断搬迁，首先是Bowden，这里距离曼彻斯特很近，接着又到了苏格兰。当时Parkin还是个10多岁的少年，他自己认为那时候性格内向，所以寂寞而爱好读书，对自然科学非常热爱。之后Parkin就读于剑桥大学，这所大学一向在物理方面非常有名。1981年，Parkin在剑桥的Cavendish实验室从事科研工作期间获得了博士学位，可别小看这个实验室，它曾有过非常辉煌的过去。一个世纪以前，汤姆森在这里发现了电子。这以后Parkin去了法国，从事超导方面的研究并攻读博士后。1982年，他加入了IBM，并开始磁物理方面的研发。
那时候，IBM正在寻找一个方法来恢复他们在数据存储方面的威信。虽然从1956年研发第一块投入商业应用的硬盘以来，“大蓝”（IBM）在这个市场里已经支配了近10年的时间，但随后其他公司逐渐赶了上来。这是需要重拳出击的时候了，IBM的研发专家对用磁材料造成的薄层结构产生了浓厚的兴趣，他们相信这些物质能在单位面积上存储更多的数据而且能改善当时硬盘中使用的读写磁头的性能。早在70年代，贝尔实验室就研发了一种被叫做分子束取向附生（MBE：molecular beam epitaxy）的技术，使用精确到原子刻度的喷射枪来准确将材料喷射到另一种材料上，用来制造电子设备。1984年，IBM给Parkin和他的同事拨出100万美元，让他们建立一个改进的MBE枪来在磁材料上做同样的事情。
IBM想让Parkin创造一种新型的分层磁材料并把它们应用在大容量存储上。但MBE系统是一个大而笨重且消耗时间的工具。1年以后，他将机器交付给了另一个科学家，放弃了MBE实验，但从原始项目中留下了50万美元制造了一个真空圆筒，外形很像洗衣机之类的。这个小仪器能够轰击气体的原子到各种物质中去，停止后它们会吸附在材料的附近。依靠这种基本的方法能快速地在物体表面沉积一层物质，并能测试它们的磁数据。
1988年，在Parkin开始轰击腔体试验3年之后，巴黎大学的一名物理学家Albert Fert在测试磁致电阻后得出的结论使他豁然开朗。这位科学家说，在一个磁场里面的金属其电阻会发生改变。一个铁和铬组成的物体能产生非常巨大的磁致电阻，它是如此之大以至于被称为巨磁致电阻。Parkin听到这个消息后，立刻决定返回IBM的实验室，在他们的轰击机器上做同样的实验。Parkin回忆时提到当时他已经被众口一词的说法搞得对喷薄膜试验失去了信心，但此后就开始一帆风顺了。
在接下去的2年里，Parkin边试验边改进，直到他的敏感磁领域监测器完备起来，并找到了商业化的方法。IBM很快把Parkin的GMR用在了高端硬盘上。当时是在一个2.5英寸的盘上集成了3.3GB的容量，使得整个业界为之一振。当然现在整个硬盘工业都在使用GMR读写磁头了，他已经帮IBM挣了81亿美元和27%的存储市场份额。Parkin并没有说他从IBM的GMR技术中到底得到了多少报酬，但承认他非常满意。他的工作也帮助他获得了公司最高研发荣誉。
再探MRAM
从最早研究存储物质的时候开始，科学家们就发现磁体是非常理想的物质。这不但因为它们不需要电力来保持已经处于正极或负极的极性，而且磁体也天生具有二进位属性，正极和负极正好对应于1和0。磁存储设备比如硬盘和软盘等，早就已经开拓了这层关系。但直到今天，科学家们依然没有找到一个办法把磁物质引入到RAM芯片中来，因为要控制如此小的结构中的磁极实在太困难了。越小的磁体就越容易自动翻转磁极而且这种转换几乎没有任何征兆。
但Parkin成功地在硅层上放入了数以百万计的小磁体，所有磁极通过横竖的细线连接，这些细线交织在一起很象织布机在织布，在垂直于硅层的方向上也有这样的细线连接，每个焦点都像是个夹层，其中的小单元就构成了单独的位。要在MRAM芯片上写入一位数据，就通过这条在这个夹层上的细线来操作完成，翻转其中一个磁体的极性即可；读取的时候更简单，只要测试磁体的电阻，低电阻则意味着0或负极，而高电阻就意味着1或正极。一旦代码被写入到位，磁性的夹层就会保持自己的极性状态，直到系统发生错误或者当数据又一次重新写入。Parkin设想这些小单元所组成的阵列所做的事情和现在工作在电脑上的RAM一样。这似乎是个很简单的想法，实际上在过去前人研究的技术中，也有利用磁核心的内存，并且还在60-70年代的早期计算机中有过应用。当时用铁环产生磁场来存储500kB的数据，居然需要整整一个房间的空间来安排处理。但那个技术和MRAM不同的是，它没有采用任何晶体管的原理。但最重要的是要有实际成绩，否则没有人会相信Parkin能控制原子大小的一片磁铁的磁极。
所以在接下来的超过5年的时间里，Parkin必须使MRAM芯片越来越小而且存储更多的数据。但对于每一个成功的原型而言，大规模生产都是一开始就必须想到的难题。如果不能实现这一步，那所有的成果都是空谈。IBM同样也遇到这样的问题。毕竟，MRAM芯片会被消费者拿来同DRAM进行性能及价格上的比较。性能方面因为MRAM消除了在电源和芯片本身之间的电力关联导致的延迟，所以MRAM有望一问世就比DRAM快出30倍以上。
“MRAM很罕见地结合了内存所有的良好品行，这其中包括了速度、密度、非易失性等等。这使得许多应用成为可能”，Parkin说道，“一个非常重要的应用就是所谓的‘普遍深入的运算’，这是对许多掌上型设备概念的结合和补充。具体设备包括移动电话、PDA个人数字助理以及Internet应用等等。我甚至怀疑我们将会首先在这样的应用中看到MRAM的大规模使用，而不是在PC上。这是因为这些设备能够从非易失性内存上获得最显著的效果。但随后可能有更大的普及，因为MRAM的性价比非常高，它会适用于所有的计算机”。
更多的参与者
在Parkin和他的五成员所组成的开发团队努力完善他们的新芯片的同时，Saied Tehrani，Motorola的首席MRAM项目负责人也正在从事相似的工作。不过他本人并不承认这是正面的竞争。毕竟我们都知道摩托罗拉不是一个卓越的内存公司而且似乎也不打算加入到DRAM市场的竞争中去。但他们希望能够实现“立即使用”计算的概念和找到一个方法，整合逻辑和存储功能并把MRAM芯片移植到便携通讯设备中去。摩托罗拉认为MRAM有作为一种普通内存的特性也具有类似Flash和静态RAM的属性。Saied Tehrani预计他们5年内就会用上它。不单是摩托罗拉，瞄准这个可即时使用而不必重新启动的内存芯片市场的还有Honeywell。他们也有自己专门的MRAM技术研发小组，领头人是Theodore Zhu。MRAM的完善填补了市场对非易失性内存的需求，Honeywell已经生产了较大磁阻的带有16kB内存的芯片来满足各种军（下转45页）（下转51页）事用途，原因就是MRAM优势多多，它能够在辐射暴露的环境下保存住数据。但Honeywell没能兑现他在1999年底推出1MB芯片的承诺。这本来有可能使其大大领先于IBM的，不过很遗憾未能实现。至于原因很可能是因为Honeywell的首要客户是军事方面的，因此他们的特长更趋向于构件设备，而非将之商业化。
另一个在MRAM赛跑中的竞争者是在华盛顿特区的美国海军研究实验室（NRL）。“我们已经设计出非常小的磁材料环，并把它们叠在一起”，物理学家Gary Prinz提到“你能移动一条线缆到中间并切换在这个环上的磁极方向。”Prinz声明他的设计克服了许多其他构架的MRAM所遇到的一些难以克服的障碍，比如高电阻和不能精确控制磁切换等等。NRL的模型在架构上给人非常深刻的印象。但它在商业上的潜力似乎有限，电阻确实很低，其他困难也减小不少，但你不能很方便地得到信号。
结语
虽然我们无法知道IBM到底在MRAM项目上投入了多少钱，但这从Parkin的实验室里或许可以窥见一般。这里的许多设备都是数以百万计的，比如他们最新的一个计算机控制的能够制造MRAM所需材料的真空腔体就花费了100万美元，而制造它的原因只是因为它比以前的原型设备要快一点点罢了。
不过其他的公司也都是一样的挥金如土，到底谁能在MRAM中占得先机呢？这根本就是在探索一片空白的新大陆。别过分相信自己的直觉或本能。有时候，事情并不会按预料的那样发生。无论是好是坏，都只有努力的人才能得到结果，原因嘛很简单，因为果实永远在科技前进的方向上呢。（杜嘉）
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