Discuri micro-electro-mecanice

Mihai Budiu -- mihaib+@cs.cmu.edu
http://www.cs.cmu.edu/~mihaib/

decembrie 2000

Subiect:
parametrii discurilor magnetice construite pe baza dispozitivelor micro-electro-mecanice
Cunoștințe necesare:
funcționarea unui hard-disc
Cuvinte cheie:
MEMS, disc


Cuprins




Evoluție și revoluție tehnologică

Marea majoritate a calculatoarelor fabricate și vîndute în ziua de azi, indiferent de mărime și cost, folosesc cam aceleași tehnologii fundamentale: memorii DRAM, microprocesoare, hard-disc-uri, rețele de interconectare (de exemplu, bus-ul între procesor și memorii, dar și rețelele locale). Am lăsat deoparte dispozitivele de intrare-ieșire care sunt ceva mai variate, dar care sunt mai puțin esențiale pentru funcția de calcul a mașinii. Orice cercetător în domeniile ne-teoretice ale calculatoarelor trebuie să țină cont de parametri acestor variate dispozitive (de exemplu, un procesor la ora actuală poate funcționa la o frecvență a ceasului intern de pînă 1500 de megahertzi) și de evoluția lor în viitorul apropiat (de exemplu, ne așteptăm ca frecvența de ceas să se dubleze la fiecare 18 luni).

Din cînd în cînd însă apar în arenă jucători noi, care nu respectă regulile jocului tradițional. Acești jucători sunt noi tehnologii, care încearcă să ofere o soluție radical diferită unei probleme clasice. Despre o astfel de tehnologie va vorbi pe scurt și articolul de față. În general, soarta unei tehnologii revoluționare este greu de anticipat; o mulțime de factori contribuie la succesul sau insuccesul său. Una dintre cele mai mari bariere pe care o tehnologie nouă trebuie să le doboare este eficiența deosebită atinsă de tehnologiile tradiționale.

De exemplu, în acest text voi prezenta o tehnologie care vrea să suplinească discurile dure (hard-disc) folosite în mod curent pentru stocarea informației. Însă aceste dispozitive sunt fabricate în cantități astronomice, și ca atare beneficiază de economii de scară: prețul unitar este mult mai redus dacă se produc foarte multe unități. Deoarece tehnologiile noi sunt adoptate lent, la început nu vor beneficia de o economie de scară; pentru a lupta cot-la-cot împotriva celor tradiționale, nu este suficient să fie la fel de bune: trebuie să fie mult mai bune, să ofere calități suplimentare, pentru a fi adoptate încetul cu încetul, înainte de a deveni și foarte economice.

De aceea, chiar dacă veți fi fascinați (cum și eu sunt) de calitățile dispozitivelor pe care le voi prezenta, asta nu înseamnă că de mîine le veți putea cumpăra din magazin: ele mai au o luptă foarte lungă de dus pînă la a fi adoptate pe scară largă. la ora actuală ele sunt încă doar în laboratoarele de cercetare; cu toate că se arată foarte promițătoare, nu e limpede dacă vor izbîndi în războiul economic. Eu cred însă că veți fi intrigați de combinația lor de calități suficient pentru a nu regreta că ați citit acest articol.

Dispozitive micro-electro-mecanice (MEMS)

Dispozitivele micro-electro-mecanice sunt, așa cum arată și numele lor, rodul cercetării interdisciplinare la granița a trei domenii diferite: mecanică fină (foarte, foarte fină), electronică și semiconductori.

Numele lor englezesc este ``Micro-electro-mechanical systems'', abreviat MEMS. Voi folosi în continuare această prescurtare.

Aceste dispozitive conțin mecanisme de dimensiuni de ordinul micronilor, capabile de mișcări foarte precise. Adesea aceste mecanisme sunt acționate fie de forțe electro-magnetice, fie de energie chimică, fie luminoasă. Pentru comparație, un fir de păr omenesc are o grosime de aproximativ 100 de microni. Dispozitivele MEMS sunt deci de zeci de ori mai mici decît grosimea unui fir de păr!

Un fapt foarte interesant este că tehnologia cea mai folosită pentru a fabrica mecanisme atît de mici este aceeași ca cea folosită pentru construirea circuitelor integrate pe bază de siliciu. Asta înseamnă că metodologia este foarte bine înțeleasă, și că fabricația este foarte eficientă. Circuitele integrate (deci și MEMS) sunt fabricate prin litografie, folosind lumina ultravioletă trecută printr-o mască cu umbre pentru a grava semne pe o pilulă minusculă de siliciu. Lumina acționează simultan asupra întregii suprafețe, putînd crea simultan obiecte foarte complicate.

Credeți ca e vorba de SF? Dimpotrivă, MEMS sunt deja folosite pe scară largă în multe domenii, și vor deveni din ce în ce mai întîlnite. Iată cîteva exemple:

MEMS pentru stocarea de informații

În acest articol voi discuta doar despre una dintre posibilele aplicații ale dispozitivelor MEMS, dezvoltată în cadrul unui grup de cercetare din Departamentul de Inginerie Electrică și Calculatoare al Universității Carnegie Mellon. Figurile din acest text au fost puse la dispoziție cu amabilitate de Steve Schlosser, care lucrează la teza sa de doctorat în cadrul acestui colectiv. Este vorba de utilizarea dispozitivelor MEMS pentru stocarea de informații persistente, asemenea discurilor.

Figura 1 ilustrează arhitectura sistemului conceput la Carnegie Mellon. Figura 2 arată cum sunt plasate datele pe mediul magnetic.

Figura 1: Arhitectura dispozitivelor MEMS pentru stocarea informației. Informația este stocată pe un mediu magnetic, asemănător celui folosit pentru hard-disk-urile comerciale. Întregul circuit are cam 1cm2. Mediul magnetic este mobil, putînd fi deplasat de-a lungul axelor X și Y cu aproximativ 100 microni. Mișcarea mediului este realizată cu un cîmp electrostatic, format între ``pieptenii'' de la extremități. Controlînd valoarea cîmpului pentru fiecare din piepteni se obține deplasarea dorită pe cele două axe. Arcurile de la colțuri balansează cîmpul electrostatic și aduc mediul mobil la loc după ce cîmpul este oprit. Deasupra mediului magnetic sunt plasate 6400 de capete de citire-scriere, înfățișate în partea de sus a figurii. Fiecare cap are mecanisme proprii de control, care reglează distanța pe verticală dintre cap și mediul magnetic, corectînd fluctuațiile datorate variației de temperatură.
\begin{figure}\centerline{\epsfxsize=14cm\epsffile{circuit.eps}}\end{figure}

Figura 2: Plasamentul datelor pe dispozitivul MEMS. Din cauza deplasamentului limitat, fiecare cap accesează o porțiune separată a mediului magnetic. Informația este înregistrată în sectoare de-a lungul axei Y. Fiecare sector conține 8 octeți de date codificați folosind un cod corector de erori (Error Correcting Code, ECC), și informații despre identitatea sectorului. Acestea din urmă sunt folosite de servo-mecanismele atașate capului pentru a calibra poziția capului, adaptînd dispozitivul la imperfecțiuni de fabricație și variații de dimensiune datorate încălzirii produse de funcționare.
\begin{figure}\centerline{\epsfxsize=14cm\epsffile{layout.eps}}\end{figure}

Parametri

Pentru a putea spune dacă dispozitivele MEMS au oarece merite, trebuie să vedem care sunt parametrii lor de funcționare, și cum se compară cu cei ai unui disc modern (sau chiar ai unui disc din viitorul apropiat, cînd dispozitivele MEMS vor intra pe piață). În tabela de mai jos am sintetizat unii dintre cei mai importanți parametri. Valorile lor sunt aproximative: cele pentru MEMS sunt derivate fie din măsurători, fie folosind modele fizice sau electrice ale dispozitivelor (încă nu există un prototip complet fabricat). Parametrii discurilor sunt combinați și extrapolați de la felurite discuri performante din ziua de astăzi.

Parametru MEMS disc
lățimea unui bit 30x30nm2 10000nm2
accelerația saniei cu mediul magnetic 15g -
rata de transfer a informației 400 kbiți/s/cap  
viteza de deplasare 12mm/s 10000 rotații pe minut
timp de amortizare a oscilațiilor după deplasare 0.5ms -
viteza maximă de transfer a informației 54Mbps 20Mbps
număr de capete active simultan 1000 1
număr de suprafețe magnetice 1 8x2
număr total de capete 6400 16
capacitatea 5.8G 80G
timp mediu de acces la informație 2ms 7ms
cost/Gb 10$ 1$
putere consumată 1mW/cap activ 2.5W
putere consumată în standby 0.05mW 600mW
timp de tranziție din activ în standby 1ms 3-8s
rezistență la șoc excelentă slabă

La o prima privire putem spune că dispozitivele MEMS pierd la dimensiuni și cost. În schimb cîștigă la timp de acces, rata de transfer a informației, densitate informațională și consum de putere.

Multe din aceste avantaje pot fi ușor explicate dacă studiem diferențele dintre cele două dispozitive. Un disc magnetic trebuie să se rotească permanent pentru a putea fi citit. Asta implică un consum constant de energie, chiar și cînd discul nu este folosit. Discurile din calculatoare portabile sunt programate ca după un timp de inactivitate să oprească discurile. Dezavantajul acestei metode este că repornirea consumă și mai multă energie și durează destul de mult timp. Un dispozitiv MEMS în poziție standby (nefolosit) nu are nimic de făcut; ``sania'' cu mediul magnetic stă în echilibru.

Timpul de acces extrem de rapid al dispozitivelor MEMS este datorat distanței foarte mici de parcurs pentru a accesa orice bit: deplasarea maximă este de 100 de microni pe fiecare axă. Prin contrast, un disc în medie trebuie să facă o jumătate de rotație și să deplaseze capetele pe pista dorită.

Viteza de transfer a informației este superioară în dispozitivele MEMS pentru că foarte multe capete pot citi și transmite informațiile simultan. Prin comparație, un disc magnetic are un număr foarte mic de capete, care arareori sunt folosite simultan.

Din păcate nu toate capetele pot fi active simultan pentru un dispozitiv MEMS, fiindcă consumul de energie este proporțional cu numărul de capete active. Simulări arată că dacă mai mult de circa 1000 de capete sunt active, energia nu se poate disipa suficient de rapid, iar încălzirea produsă pune în pericol integritatea circuitului.

Densitatea sporită de informație provine din faptul că biții pot fi stocați de un MEMS în pătrățele, pe cînd un disc obișnuit folosește dreptunghiuri de 16 ori mai lungi decît late. MEMS poate funcționa cu o arie mai mică din cauză că precizia de poziționare e mai mare pentru un aparat atît de mic.

Folosind acești parametri, a fost construit un simulator care funcțional se comportă ca un disc. Simulatorul de disc a fost inserat într-un simulator mai mare, care simulează activitatea întregului sistem de operare. Apoi au fost executate mai multe programe pentru a vedea impactul noului dispozitiv pentru performanța aplicațiilor.

Rezultatele au fost foarte plăcute: din cauza timpului de așteptare mediu mult redus, aplicațiile care erau limitate de disc au beneficiat de o creștere substanțială a vitezei de execuție. Bazele de date și linker-ul (programul care crează executabilul final după compilarea unui program) au beneficiat cel mai mult.

Direcții viitoare de cercetare

În acest articol am trecut sub tăcere o grămadă de dificultăți potențiale. Mai există importante probleme de rezolvat pe toate planurile înainte de a transforma circuitele micro-electro-mecanice în dispozitive fiabile de stocare a informației. De exemplu, nu este de loc limpede care este fiabilitatea unor dispozitive care au atîtea părți active. Cîte capete pot fi defecte, și care este durata medie de viață? Coduri mai puternice pentru corectarea de erori, și tehnici folosite în discurile RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) pot fi folosite pentru a compensa unele erori.

Alte posibilități constau în a găsi locul ideal în sistem pentru un dispozitiv MEMS; costul acestuia este undeva între disc și o memorie FLASH, iar funcționalitatea este asemănătoare. Se pot imagina o mulțime de aplicații utile: cache pentru un disc mai mare și mai lent, memorie stabilă pentru aparate portabile, cum ar fi telefoane celulare, aparate muzicale digitale, etc. Aplicațiile militare ale unui dispozitiv rezistent la șocuri și cu capacitate mare de stocare sunt nelimitate.

Concluzii

În acest text am aruncat o privire sumară într-un domeniu interdisciplinar foarte ``fierbinte'', cel al dispozitivelor micro-electro-mecanice. Unele din aplicațiile acestora au pășit deja din domeniul SF în realitatea imediată. O cercetare febrilă pentru aplicațiile noii tehnologii se desfășoară în mai multe domenii; foarte multe universități și companii au centre speciale de cercetare consacrate acestei tehnologii.

În acest text am descris pe scurt o serie de studii care analizează arhitectura și performanțele unui sistem bazat pe MEMS pentru stocarea de informații persistente, asemănător unui hard-disc. Rezultatele preliminare arată că performanța MEMS este superioară discurilor. Cu toate acestea, costul și fiabilitatea sunt încă necunoscute. Succesul noii tehnologii depinde acum în mare măsură de felul în care inginerii, fabricanții și comercianții vor răspunde întrebărilor rămase.

Alte surse de informație

O pagină de web cu multe informații despre MEMS și cu și mai multe legături pe web este la http://mems.isi.edu.

Cercetarea în domeniul micro-electro-mecanic din Departamentul de Inginerie Electrică și Calculatoare al Universității Carnegie Mellon are o pagină la http://www.ece.cmu.edu/~mems. Acest laborator este preocupat mai ales de nivele ``joase'': fabricație, materiale, proprietăți fizice, electrice și mecanice, etc.

Proiectul care folosește MEMS pentru stocarea de informații este parte din ``Laboratory of Computer Science'' din același departament. Pagina sa de web este la http://www.lcs.ece.cmu.edu/research/MEMS/index.html.

În luna mai a anului 2000 prestigioasa revista Scientific American a consacrat un număr special viitorului dispozitivelor de stocare. Din fericire, articolul de fond este disponibil electronic la http://www.sciam.com/2000/0500issue/0500toig.html; conține și o secțiune despre dispozitive MEMS.

Proiectul industrial cel mai avansat pentru stocarea de date pe MEMS este proiectul Millipede, al companiei IBM (literal ``miriapod''). Una dintre publicațiile foarte ample ale acestui proiect este disponibilă la http://www.research.ibm.com/journal/rd/443/vettiger.html. Multe idei sunt asemănătoare cu cele ale proiectului CMU, dar există diferențe substanțiale în privința materialelor și metodei folosite pentru stocare.



Note

... calculatoare1
Pentru un articol despre rutere și rolul lor în Internet vedeți și textul meu din PC Report din mai 1998, disponibil și din pagina mea de web.