新一代声学记忆技术的介绍

自闪存以来最令人兴奋的适合内存市场的技术可以追溯到 Alan Turing 的早期计算技术。

嵌入式计算技术的故乡之一就是我自己的家乡英国莱奇沃斯花园城，这是一个微不足道的论点——因为正是在这里制造了世界著名的 Enigma 密码破解机器，其设计时间远远超过著名）布莱切利公园。据说对 Enigma 的密码分析将第二次世界大战缩短了两到四年，并将其实现为物理设备是艾伦·图灵的杰作。由于他的工作，他被广泛认为是理论计算机科学之父。

在这个刚刚起步的计算阶段，在我们可以真正将其标记为“电子”的技术之前，图灵的早期“计算机”通常实现了一种按照今天的标准来说已经过时的内存形式。尽管在几十年前，图灵的记忆似乎为记忆技术的下一次革命——声学延迟线记忆——奠定了基础。这巧妙地利用了通过换能器产生的纵波，通过管中精心挑选的液体发送，然后由第二个换能器转换回电能。

逻辑很容易理解。声速在液体中以可测量的速度减慢，确定了温度和粘度的关键变量，每个降低声速的值较低。至于液体，最初使用汞是因为它与压电石英晶体的声阻抗匹配几乎相同，尽管尝试了用昂贵且有毒的汞代替粘度不同的油的管变体；低粘度液体有助于提高数据吞吐量，但速度较慢，而高粘度液体则相反。尽管“易失性存储器”一词从未如此恰当（图 1），但存储设备在功能上与当今的 FIFO（先进先出）存储器相同。

图 1. Mercury 延迟线存储器

虽然这项技术得到了验证，但基于液体的存储器总是注定要失败，环境属性对其可靠性产生如此深远的影响。为解决此问题进行了一些尝试，包括根据环境温度动态调整时钟频率，以消除其对液体声阻抗的影响——但需要进行更根本的改变。

到 1950 年代后期，延迟线存储器从液体迁移到采用固体金属内核。一种成功的衍生产品使用了一根 95 英尺长的特殊镍铁钛线圈，它能够以 1 MHz 的时钟频率在任何时间存储 9，800 位数据。今天，这项技术被广泛称为“赛道”内存——在图 2 中的早期实施示例中很容易看出原因。

图 2. 扭线延迟线

那些开发计算机存储器的人后来将注意力转移到追求有前途的铁氧体磁化领域，这推动了非常成功的机电磁性硬盘驱动器的发明，该驱动器统治了几十年，直到固态存储器的新革命推动了非机械、高速度存储到我们的计算机中。SSD 技术极大地提高了读/写速度，但通常以牺牲传统硬盘驱动器的长使用寿命为代价。

Racetrack 存储器是 IBM 首创的一种以电子方式移动磁性存储数据的方法。它由数百万条直径为单微米的 U 形线组成，垂直放置在硅基板上，每根线以磁性方式写入 100 位数据，并通过在一端施加正脉冲或负脉冲在导线上上下移动——速度为每秒300英尺！

似乎这还不够令人兴奋，谢菲尔德大学的研究员汤姆海沃德博士和利兹大学的约翰坎宁安教授正在提出一种通过这些线路驱动数据的新方法。现有的实施，使用磁场或电流来移动数据会产生热量并降低电源效率，这是当今电池电源和环境影响意识（尤其是二氧化碳排放）的重要属性。Hayward 博士的解决方案通过利用多年前使用的相同高速声波向那些早期的液体声学延迟线管致敬。

声音通过表面声波 （SAW） 介质使用；虽然是地震产生的最具破坏性的波浪，但嵌入式行业的人员将熟悉 SAW 触摸屏中的术语。它们使用投射在 LCD 显示器上的多个声波来确定触控笔或手指的精确位置，专为传统电阻式触摸屏易出错的地方而设计，尽管如今它们已越来越多地被更新的投射电容式触摸屏所取代。

“在这种应用中，表面声波的主要优势是它们能够传播几厘米而不衰减，这在纳米尺度上是一个巨大的距离，”海沃德博士说。“正因为如此，我们认为单个声波可用于同时对大量纳米线‘唱歌’，使我们能够以极少的功率移动大量数据。我们现在的目标是创建可以对这一概念进行全面测试的原型设备。”

这项技术的潜力令人难以置信。存储仍然是计算机运行的主要瓶颈，CPU 和 RAM 的吞吐量要高很多，而 SAW 驱动的赛道内存有可能将硬盘驱动器的容量与 SDRAM 的带宽结合起来，最终模糊两者之间的界限。该技术有望扩展到最小的 IC，因此这不仅仅是传统计算的革命——我们的嵌入式行业应该同样兴奋。

该技术不仅仅与速度和容量有关，因为当今存储技术的根本缺陷是使用寿命；SAW 驱动的赛道内存是纳米磁性的，不会像 SSD 那样退化。顺便说一句，数据的存储方式与磁性硬盘驱动器没有什么不同，如果不是由于周围基础设施固有的机械故障，硬盘驱动器的使用寿命将远远超过其已经令人印象深刻的使用寿命。令我个人印象深刻的是发现数据流的方向本质上取决于所产生声音的音高——实际上，你对数据“唱歌”的方式决定了它的运动。

嵌入式行业的未来有望结束主要的致命弱点，即限制操作寿命、闪存寿命和性能大幅提升，以至于 RAM 本身可能难以证明其存在的理由。商业化至少还有五年的时间，但正如我们从早期的顺序可刷新内存中看到的那样，它确实显示了正在发生的事情。

审核编辑：郭婷