隨機存儲器實驗報告
A. 使用量子力學技術的新型超低功耗存儲器或將取代DRAM和Flash
看到了當前的數字技術能源危機，蘭開斯特大學的研究人員開發出了一種可以解決這一問題的新型計算機並申請了專利。
這種新型的存儲器有望取代動態隨機存取存儲器（DRAM）和快閃記憶體（Flash）驅動器。強大且超低能耗計算時代即將來臨，你准備好了嗎？
研究人員對這一進展有充分的理由感到興奮。物聯網在家庭和辦公室的出現在很大程度上方便了我們的智能生活，但以數據為中心也將消耗大量的能源。無論是互聯智能設備、音箱還是其它的家用設備將需要能量來處理所有「數據」以提供最佳功能。
事實上，能源消耗是一個非常令人關切的問題，而高效率的照明和電器節省的能源實際上可以通過更多地使用計算機和小工具。根據一個研究預測，到2025年，數據洪流預計將消耗全球電力的五分之一。
新開發的電子存儲設備能夠以超低的能耗為服務所有人日常生活。這種低功耗意味著，存儲設備不需要啟動，甚至在按鍵切換時也可以立即進入節能模式。
正如蘭開斯特大學物理學教授Manus Hayne 所說，「通用存儲器穩定的存儲數據，輕易改存儲的數據被廣泛認為是不可行，甚至是不可能的，新的設備證明了其矛盾性。」
「理想的是結合兩者的優點而沒有缺點，這就是我們已經證明的。我們的設備有一個固有的數據存儲時間，預計超過宇宙的年齡，但它可以用比DRAM少100倍的能量存儲或刪除數據。」 Manus Hayne表示。
為了解決和創造這種新的存儲設備，研究人員使用量子力學來解決穩定的長期數據存儲和低能量寫入和擦除之間選擇的困境。
剛剛獲得專利的新設備和研究已經有幾家公司表示對此感興趣，新的存儲設備預計將取代1000億美元的動態隨機存取存儲器（DRAM）市場。
上述這種技術到底如何實現？雷鋒網找到了蘭開斯特大學的研究人員發表的《Room-temperature Operation of Low-voltage, Non-volatile, Compound-semiconctor Memory Cells》的論文，可以再進一步了解這個技術。
文章中指出，雖然不同形式的傳統（基於電荷）存儲器非常適合應用於計算機和其他電子設備，靜態隨機存取存儲器（SRAM），動態隨機存取存儲器（DRAM）和快閃記憶體（Flash）具有互補的特性，它們分別非常適合在高速緩存、動態存儲器和數據存儲中的發揮作用。然而，他們又都有自身的缺點。這就意味著市場需要新的存儲器，特別是，同時實現穩定性和快速、低壓（低能量）的矛盾要求已證明是具有挑戰性的。
研究團隊報告了一種基於III-V半導體異質結構的無氧化浮柵存儲器單元，其具有無結通道和存儲數據的非破壞性讀取。非易失性數據保留至少100000s ，通過使用InAs/AlSb的2.1eV導帶偏移和三勢壘共振隧穿結構，可以實現與≤2.6V的開關相結合。低電壓操作和小電容的組合意味著每單位面積的固有開關能量分別比動態隨機存取存儲器和快閃記憶體小100和1000倍。因此，該設備可以被認為是具有相當大潛力的新興存儲器。
具體結構方面，這是一種新型低壓，化合物半導體，基於電荷的非易失性存儲器件的概念進行設計、建模、製造適合室溫運行。利用AlSb / InAs驚人的導帶陣列進行電荷保持，以及形成諧振隧道勢壘，使研究團隊能夠證明低壓（低能耗）操作與非易變儲存。該器件是由InAs / AlSb / GaSb異質結構構成的FG存儲器結構，其中InAs用作FG和無結通道。研究團隊通過模擬驗證了器件的工作原理，並給出了器件的關鍵存儲特性，如編程/擦除狀態的保留特性，並給出了在單個元件上的實驗結果。
雷鋒網編譯，via interestingengineering、nature
B. 《單片機》課程學習總結
《單片機》課程學習總結
篇一：《單片機》課程學習總結
《單片機》這門課程我已經學了一個學期了，在這一個學期的學習過程中，我一開始不怎麼懂得編程，但慢慢的我現在已經不僅會讀程序還會寫程序了。真為自己一個學期來努力學到的單片機知識只是而感到高興。
怎麼學單片機？也常看到有人說學了好幾個月可就是沒有什麼進展。當然，受限於每個人受到的教育水平不同和個人理解能力的差異，學習起來會有快慢之分，但我感覺最重的就是學習方法。一個好的學習方法，能讓你事半功倍，這里說說我學習單片機的經歷和方法。
我覺得學習單片機首先要懂得C語言，因為單片機大多說都是靠程序來實現的，如果看不懂程序或則不懂的編程是很難學會單片機的。學習單片機首先要明白一個程序是怎麼走的，要完全懂得程序每一個步驟的意思。其次要懂得每一條指令的意思，不能盲目地去靠背指令，這是記得不牢靠的，最主要的還是靠了解。學習單片機最主要的對89C51晶元內部結構有全方面的，只要了解了89C51才能知道單片機實現什麼樣的功能和作用，才能對單片機有更深一步的了解。 通過一個學期《單片機》這門課程的學習，我也從中有了不少心
得和體會想和大家分享一下。
萬事開頭難、要勇敢邁出第一步。開始的時候，不要老是給自己找借口，不要說單片機的程序全是英文，自己看不懂。遇到困難要一件件攻克，不懂指令就要勤奮看書，不懂程序就先學它，這方面網上教程很多，隨便找找看一下，做幾次就懂了。然後可以參考別的人程序，抄過來也無所謂，寫一個最簡單的，讓它運行起來，先培養一下自己的感覺，知道寫程序是怎麼一回事，無論寫大程序還是小程序，要做的工序不會差多少。然後建個程序，加入項目中，再寫代碼、編譯、運行。必須熟悉這一套工序。個人認為，一塊學習板還是必要的，寫好程序在上面運行一下看結果，學習效果會好很多，模擬器就看個人需要了。單片機是注重理論和實踐的，光看書不動手，是學不會的。
知識點用到才學，不用的暫時丟一邊。厚厚的一本書，看著人頭都暈了，學了後面的，前面的估計也快忘光了，所以，最好結合實際程序，用到的時候才去看，不必說非要把書從第一頁看起，看完它才來寫程序。比如你寫流水燈，完全就沒必要看中斷的知識，專心把流水燈學好就是了，這是把整本書化整為零，一小點一小點的啃。 程序不要光看不寫，一定要自己寫一次。最開始的時候，什麼都不懂，可以抄人家的程序過來，看看每一句是干什麼用的，達到什麼目的，運行後有什麼後果。看明白了之後，就要自己寫一次，你會發現，原來看明白別人的程序很容易，但到自己寫的時候卻一句也寫不出來，這就是差距。當你自己能寫出來的時候，說明你就真的懂了。
必須學會掌握調試程序的方法。不少人寫程序，把代碼寫好了，
然後一運行，不是自己想要的結果，就暈了，然後跑到論壇上發個帖子，把程序一貼，問：為什麼我的程序不能正常運行？然後就等別人來給自己分析。這是一種很不好的行為，應該自己學會發現問題和學會如何解決問題。這就需要學習調試程序的方法，比如KEIL里，可以下斷點啦，查看寄存器內容等等，這些都是調試程序的手段，當你發現你寫的程序運行結果和你想像中不一樣的時候，你可以單步，也可以下斷點，然後跟蹤，查看各相關寄存器內容，看看程序運行過中是不是有什麼偏差，找出影響結果的地方，改正過來。這一個過程非常重要，通過程序的排錯，你可以學到的知識是書上得不到的。
找到解決問題思路比找到代碼更重要。我們用單片機來控制周邊器件，達到我們想到的目的，這是一個題目，而如何寫出一個程序，來控制器件按你想要的結果去運作，這個就是解題的思路。要寫程序，就得先找到解決問題的思路，你學會找出這個解題思路，比你找到代碼更為重要。不少人很喜歡找人家的代碼，有的人甚至有了代碼就直接復制到自己的程序中，可以說，這不是一種學習的態度，無助於你編程水平的提高。
我幾乎不怎麼看人家的代碼，多數時候是看別人的思路，有方框圖最好，沒有的話文字說明也可以。要從代碼中看出別人處理問題的思路，是相當困難的，特別是大型的程序，看起來是非常的累人。所以現在我也明白了，以前讀書時說的程序流程圖很重要，現在算是知道了。當你知道一個問題怎麼去解決了，那麼剩下的只是你安排代碼去完成，這就已經不是什麼問題了。
開動腦筋，運用多種方法，不斷優化自己的程序。想想用各種不同方法來實現同一功能。這是一個練習和提高的過程，一個問題，你解決了，那麼你再想想，能不能換種寫法，也可以實現同一功能，或者說，你寫出來的代碼，能不能再精簡一點，讓程序執行效率更高，這個過程，就是一個進步的過程。很多知識和經驗的獲得，並不是直接寫在書讓你看就可以得到的，需要自己去實踐，開動腦筋，經驗才能得到積累，編程水平才能有所提高。
看別人的程序，學習人家的思路。這個在學習初期是很有用，通過看別人的程序，特別是老師寫出的具有一定水平的程序，可以使自己編程水平得到迅速的提高。同時，也可以結合別人的編程手法，與自己的想法融合在一起，寫出更高水平的程序，從中得到進步。但要注意，切忌將學習變成抄襲，更不是抄襲完了就認為自己學會了，這樣做只會使你退步。
嘗試編寫一下綜合應用的程序。從流水燈學起，到動態掃描，再到中斷，那麼，你可以試試寫一下時鍾這種綜合性應用的程序，不要小看時鍾，要寫好它不是一件容易的事情，它包括了單片機大部分的知識，比如有按鍵（IO讀取）、動態掃描（IO輸出）、中斷等，如何協調好各功能模塊正常工作，才是編程者需要學習的地方，當你單獨寫一個功能的時候，比如按鍵讀取，你可能感覺很容易，因為你的程序什麼也不做，只是讀按鍵。但把它和其它功能混合在一起，如何在整個程序運行中使每一部分都正常工作，這就不是寫一個按鍵讀取這么容易的事情，功能模塊之間有可能會互相影響，比如你需要讓數碼管既能顯示，又要去處理按鍵讀取，怎麼使這兩部分都正常工作，這就是一個協調過程。當你有了這個處理協調能力，你就算是入門了。
著重於培養解決問題的能力，而不是具體看自己編寫了多少程序或者做過什麼。「學單片機重點在於學習解決問題的思路，而不是局限於具體的晶元類型和語言」這一直是我的座右銘，是我學單片機學習單片機之後感悟出來的。真正的能力不是你曾經編寫過多少個可以實現的程序，而應該是：「遇到沒有解決過的問題，能利用自己已學的知識，迅速找到解決問題的方法。」這個才是能力。
面對一個新程序時，多自己開動腦筋，不要急於找別人的程序。
有不少人面對一個新程序時，第一步想到的就是網上找別人寫過的程序，然後抄一段，自己再寫幾句，湊在一起就完成任務，這雖然可能是省時間，但絕對不利你的學習。當你接到一個程序時，應該先自己構思一下整個程序的架構，想想如何來完成。有可能的話，畫一個流程圖，簡單的可以畫在腦子里，對程序中用到的數據、變數有一個初步的安排，然後自己動手去寫，遇到實在沒辦法解決的地方，再去請教老師或同學，或看別人是怎麼處理的，這樣首先起碼你自己動過腦想過，自己有自己的思路。如果你一開始就看別人的程序，你的思維就會受限在別人的思維里，自己想再創新就更難了，這樣你自己永遠也沒辦法提高，因為你是走在別人的影子里。
學會提問題。一般來說，學習過程中，你遇上的問題，多數人也有遇上的，所以如果有什麼不懂，你可以去問老師。我覺得學習單片機最主要的要多提問，對於一個自己不是太懂的程序，自己一定要多提問幾遍，這樣不但有利於加深自己的印象還能從中學到不少別人的方法。
經過一個學期我對《單片機》這門課程的學習，不僅讓我懂得了很多程序的編寫，還讓我學到了很多對自己有用的學習方法。總結這個學期來的我自己的學習情況，我覺得自己對編程進步了不少，懂得運用正確的學習方法學習單片機程序，不再去死記硬背指令了。所以我覺得學習要不斷總結學習方法，才能讓自己學習不斷進步。
交通信號燈設計報告
實驗目的： P1口的使用方法，延時程序的編寫
實驗要求：在一個十字路口分為東西南北走向，信號等按以下的狀態順序工作：
（1） 初始狀態0，東西、南北紅燈全亮。延時一定時間；
（2） 狀態1，南北綠燈亮通車，東西紅燈，延時一定時間；
（3） 狀態2，南北綠燈閃爍幾次轉黃燈，東西仍然紅燈，延時一定
時間；
（4） 狀態3，南北紅燈，東西綠燈通車，延時一定時間；
（5） 狀態4，南北仍然紅燈，東西綠燈閃爍幾次轉黃燈，延時一定
時間；
（6） 循環至狀態1，繼續
實驗電路和流程框架圖：
（1） 硬體電路
交通燈實訓設備用最小系統板和信號燈組合而成。
2、軟體編程
若各路口燈亮滅的時間間隔為2s鍾，燈光閃爍時間間隔為0.5s。用軟體延時的方法，晶振頻率12MHz時，一個機器周期為1us。
編寫交通信號燈程序：
編寫主程序，由R7做主程序的計數器，確定調用延時時間為0.5s，從而獲得交通燈的亮滅時間。
篇二：《單片機》課程學習總結
時光飛逝，一轉眼，一個學期又進尾聲了，本學期的單片機課程也結束，但通過這次單片機的學習，我不僅加深了對單片機理論的理解，將理論很好地應用到實際當中去，而且我還學會了如何去培養我們的創新精神，從而不斷地戰勝自己，超越自己。創新可以是在原有的基礎上進行改進，使之功能不斷完善，成為真己的東西。
當今社會隨著電子技術的發展，特別是隨著大規模集成電路的產生，給人們的生活帶來了根本性的變化，如果說微型計算機的出現使現代的科學研究得到了質的飛躍，那麼可編程式控制制器的出現則是給現代工業控制測控領域帶來了一次新的革命。在現代社會中，溫度控制不僅應用在工廠生產方面，其作用也體現到了各個方面。本學期我們就學習了單片機這門課程，感覺是有點難呢。也不知道整個學習過程是怎麼過來得，可是時間不等人。
剛開始學習的時候，對單片機沒有什麼認識，不知道什麼是單片機，更不知道它有什麼作用。通過學習才大體知道了單片機的一些知識。單片機是一塊在集成電路晶元上集成了一台有一定規模的微型計算機。簡稱為：單片微型計算機或單片機。單片機的應用到處可見，應用領域廣泛，主要應用在智能儀表、實時控制、通信、家電等方面。由中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O介面、定時器/計數器以及串列通信介面等集成在一塊晶元上，構成了一個單片微型計算機，簡稱為單片機。它的應用范圍很廣，在工業自動化中應用有數據採集、測控技術。
在智能儀器儀表中應用有數字示波器、數字信號源、自動取款機等。在消費類電子產品中應用有空調機、電視機、微波爐、手機、IC卡、汽車電子設備等。在通訊方面應用有手機、小靈通等。在武器裝備方面應用有飛機、坦克、導彈、太空梭、智能武器等。剛開始學習時只能抄寫別人做成功的程序，一遍一遍的寫，從簡單的入手，逐步的積累，一步步的能夠將小的程序結合到一起，拼接成較為復雜一些的程序。但是程序不要只是看別人得，一定要自己寫過才是自己的。只有當你自己能寫出來的時候說明你真懂了。剛接觸KEIL時確實很讓人頭疼，使用 KEIL不會建項目、不會使用實驗板。然後可以參考已經成功的程序，抄過來，寫一個最簡單的，讓它運行起來，先培養一下自己的感覺，先建個項目，再配置一下項目，然後建個程序，加入項目中，再寫代碼、編譯、生成HEX，刷進單片機中、運行。其實當遇到問題一定要自己嘗試著解決，不能遇到問題就去問別人，自己一定要掌握解決問的方法和思路。對一個新項目時，自己一定要多想想，不要急著去看別人是怎麼寫的。應該先想一下程序的構架，想想如何來完成。然後自己動手去寫，理清自己的思路這樣更容易提高自己。
熟悉單片機的人都知道，要學好單片機可不是一件容易的事，倒不是因為單片機很難學，而是很難找到一本專為單片機入門者而編寫的教材。翻一下身邊的單片機教材，都好像是為已經懂單片機的人而寫的，一般先介紹單片機的硬體結構和指令系統，再是系統擴展和外圍器件，順便講一些應用設計（隨便說一下，很多書中的電路設計已經過時，並且有些程序還是錯誤的`）。如果按照此種學習方法，想進行產品開發，就必須先把所有的知識全部掌握了才可以進行實際應用。學習使用單片機只能靠循序漸進的積累，雖然單片機的課程只上了幾節就去上班了，但在學習的過程中有了一定的了解。下面就本人學習單片機的過程和經驗做簡要介紹。
首先，學習單片機要有一定的基礎：電子技術方面要有數字電路和模擬電路等方面的理論基礎，特別是數字電路；編程語言要求匯編語言或C語言。要想成為單片機高手，建議初學者首先學習匯編語言，學的差不多的時候，轉入C語言學習。盡管匯編語言屬於低級語言，編程效率低，但是較C語言具有目標代碼簡短，佔用內存少，執行速度快等優點，更重要的是能使初學者盡快熟悉單片機的內部結構，並能對其進行精確的控制。匯編語言在單片機教材裡面都會涉及，不需要單獨購買教材和學習。C語言是一門學問,有很多專業書籍來講解,並且對我們今後的編程生涯有絕對的好處,因此要深入學習,千萬不要自以為看了某某的視頻教程就以為掌握了C語言，那隻是C語言的一部分。在這里給大家推薦一本單片機C語言程序設計參考書，馬忠梅等著，北京航空航天大學出版社出版的《單片機的C語言應用程序設計》，要求C語言基礎。如果沒學過C語言，建議學習清華大學譚浩強編寫的C語言程序設計，這本書寫的不錯，通俗易懂。
其次，是單片機教材選擇。單片機是一門非常重視實踐的技術，不能總是看書，但要學習它首先應看書，對單片機引腳、內部結構、寄存器和原理有一定地了解和感官認識，它的是怎樣工作的，能幹些什麼？剛開始時，也許你看不明白，但這並不要緊，因為你還缺乏實踐經驗。現在單片機應用廣泛,因此各個廠家分別推出了自己的單片機，我們沒必要每樣都學!因為他們的編程方法和調試過程以及內部指令結構有一定的相似,只要學精通一款就OK了!尤其是用C語言編程,就幾乎不用分什麼派系,但是我們要選擇一款有代表性的知識范圍廣,並且入門容易,書籍多。一般來說，MCS-51系列單片機已經得到廣泛的普及和應用，市場上它的資料也比較多，用的人也很多。給大家推薦一些參考書，學習時只需要一本就足夠拉。書名：《新編MCS-51單片機應用設計》，哈爾濱工業大學出版，作者：張毅剛；書名：《單片機原理及應用》，高等教育出版社，作者：張毅剛等；書名：《單片機高級教程:應用與設計》，北京航空航天大學出版社，作者：何立民。相關教材還有很多，在這不一一列舉。
然後，是開發工具和開發環境的選擇。選擇一塊合適的學習板，對於初學者來說一般無力接受，如果經濟條件允許、本人又對單片機很感興趣、有從事相關工作意向的話，鼓勵大家購買。隨便說一句，學習板功能要求太全，具有流水燈、數碼管、獨立鍵盤、矩陣鍵盤、AD或DA、液晶、蜂鳴器等就差不多啦，畢竟，功能齊全的價格比較高。模擬器對單片機初學者來說既是那麼耳熟，同時又有些陌生，這主要是因為市場上傳統的模擬器價格都在千元以上，對經濟不是非常寬裕的人來說是不小的開支。同時模擬器是用來提高調試程序效率的，也不是非需不可的，如果你沒有模擬器，遇到程序出錯的時候，只好苦思冥想，反復燒寫調試。
隨便推薦一下，學林電子的51tracer模擬器，有興趣的朋友可關注一下。有了單片機教程板以後，先看下指導說明書，熟悉一下學習板，開卷有益。以後就得靠自己多練習了，將學習板與電腦連接好，先學會開發軟體的使用，然後從最簡單的流水燈實驗做起，按照你自己的意願控制流水燈，當你完成時，你會發現這是多麼愜意的事情。太好玩了，你會覺得這不是在學習，而是在玩，當你發現，單片機能夠按照你編寫的程序工作時，你會覺得非常興奮，比做什麼事情都開心，這樣你會慢慢迷上單片機，真的。不少網站上說搞定某個實驗，就恭維的告訴你一聲」恭喜你,學會了」自己學會了單片機，這有點可笑，這只能說明你算過關了，對單片機有了一定了解和會使用它了。但是單片機能完成的功能太多了,尤其是對外圍器件的控制,綜合起來能設計出許多意想不到的產品.因此除了入門外,精通可千萬別輕易說出口。
最後，在熟練掌握和應用後，那可以說對於單片機方面的硬體你已經入門了，剩下的就是自己練習設計開發各種課題，不斷的積累經驗。最終，自己完全設計具有個人風格的課題，產品，這樣你就是單片機高手拉。只要過了第一關，後面的路就好走多了，萬事開頭難，這大家可能都聽過。
有時候單片機的學習很單調，有些知識學起來很抽象，不容易理解，只能慢慢適應，一邊學習理論知識，一邊編寫程序，將程序刷入單片機進行調試，通過這種方式才能更快速的學習單片機。要堅定自己的學習信心，在付出持之以恆的努力，我相信自己能進一步加深對單片機的了解，在單片機的學習道路上走得更遠！
;C. 圓偏振光是如何改變電子自旋的它們之間是如何作用的
探索自旋晶體管
The Quest for the Spin Transistor
■Glenn Zorpette
微電子研究人員研究自旋至少已有20年歷史了。事實上，他們的發現已經為硬碟驅動器帶來了革命，從1998年起硬碟已經採用基於自旋的機制來實現更大的容量。在未來三年裡，Motorola公司和IBM公司有望再進一步，推出第一款利用自旋特性的商用半導體晶元，一種稱為M（意指磁性）RAM的新型隨機存儲器。MRAM速度快且是非易失性的，有望在美國每年106億美元的快閃記憶體市場上佔有相當的份額。如果工程師們可將成本降到足夠低，MRAM甚至最終會侵入到每年350億美元的RAM市場。
自旋方面的權威人士稱存儲器應用僅僅是自旋技術應用的開始。他們已將目標瞄準邏輯應用，這主要是受到過去兩三年中獲得的實驗結果的鼓舞，實驗顯示這一自旋新技術與現有基於電荷機制的半導體電子學器件的製造材料和方法有非常好的兼容性。2000年2月份，美國國防部高級研究項目機構宣布了一項持續五年，每年投入1500萬美元的計劃，致力於推進各種利用自旋的半導體材料和器件的研究。
亞原子世界的奇特性質
目前自旋研究的支持者們預見了一種全新的電子學形式，稱為自旋電子學。自旋電子學器件將利用電子的自旋來控制電荷的移動。再進一步，研究人員甚至可成功地製造出利用自旋本身（而不需要進行電荷的移動）來存儲和處理數據的器件。自旋電子學比傳統電子學設備消耗更少的能源，因為改變自旋所需要的能量僅是推動電荷移動所需要能量的很小一部分。
自旋電子學的另一個優點是其非揮發性：當電源關閉後，自旋不會變化。自旋的特定性能以及描述它的量子理論還指出自旋所具有的其它神奇的可能性，如每秒可變化10億次的邏輯門功能（與、或、非等等）；可直接利用偏振光或電壓信號進行工作的自旋電子學器件；可同時處於兩種不同狀態的存儲器單元。加利福尼亞州立大學領導自旋電子學和量子計算中心的David D. Awschalom說："自旋提供了完全不同的功能。最令人激動的可能是那些我們還沒有想到的。"
神秘的量子機制
自旋的奇特之處在於它直接涉及到做為現代物理學基礎的量子理論的核心。於20世紀初發展起來的量子理論是非常精密的理論，其基本概念是在亞原子水平上，能量的交換必須以一定的最小量為單位，即是量子化的。
狄拉克於1920年代晚期預見了自旋的存在。在其獲得諾貝爾獎的工作中，他統一了量子理論的能量和動量方程和愛因斯坦的狹義相對論。
自旋比較難於理解，這是因為在我們熟悉的宏觀世界裡缺少一個准確的對照物。其名字是按照宏觀世界與之最接近的概念--旋轉物體的角動量命名的。但通常的行星角動量，或旋轉的球體，在停止運動後，角動量也消失了，因此是外在的。但自旋是一種粒子無法獲得或失去的內在角動量。
事實上，角動量和自旋之間的類比不能走得再遠了。粒子自旋並不是由於粒子的旋轉，而電子也沒有物理的維度，如半徑。因此在經典的意義上說電子具有角動量嚴格來說是沒有意義的。
最小的磁體
幸運的是，為了理解新近的進展，並不需要深入地了解自旋的特性。這時，通常用來使人們理解量子世界意義的不完善的類比還是很有用的，至少在自旋在磁性機制產生方面的作用而言是如此。
首先我們了解這樣的事實，自旋使電子成為一個微小的磁體，具有南極和北極。小磁體南北極軸的朝向依賴於粒子的自旋軸。在普通物質的原子中，一些自旋軸指向"上"（相對於周圍磁場而言）而同樣數量的自旋指向"下"。粒子的自旋與磁矩相關，這可以想像為偏轉電子自旋軸的方向柄。因此在普通物質中，向上的磁矩抵消了向下的，因此不能產生宏觀磁性。
為了得到宏觀磁性，需要鐵磁材料，如鐵，鎳或鈷。這些材料具有很多小的稱為磁疇的區域，其中的電子自旋指向上或指向下的更多一些（至少在溫度處於居里溫度以下，熱效應破壞磁性機制以前是這樣）。通常這些磁疇是隨機指向的，並且總自旋向上或向下的數量一樣多。但適加的外部磁場可打破磁疇間的界限，使所有的磁疇沿著磁場的方向排列，即它們都指向同一方向。結果就形成永久磁體。
鐵電材料是許多自旋電子器件的核心。利用電壓差驅動電子流通過鐵電材料，其中鐵電材料起到自旋極化器的作用，將通過其中的電子自旋軸對齊，使它們都指向一個方向（上或下）。最基本和最重要的自旋電子器件之一是磁隧道結，其構造為兩層鐵電材料，中間用極薄的非導體層隔開（參見圖）。該器件是由法國物理學家M. Julli re於1970年代中期展示的。
相對論晶體管
研究人員現在特別熱衷探索的是類似傳統晶體管（甚至可以產生增益）的基於自旋的器件。這方面的研究有幾種不同的思路。最先提出的一種稱為自旋場效應晶體管（FET）。最近的一種方法則將自旋與物理學家幾十年來一起追求的一種器件--共振隧道晶體管，聯系在一起。
1990年 Supriyo Datta 和 Biswajit A. Das（後來兩人同時到了Pure大學）在一篇後來發表於Applied Physics Letters雜志上的文章中提出了自旋FET的概念。兩人建議的自旋FET器件，源極和漏極都是鐵電材料，其中的電子自旋相同。可將電子注入源極，注入電子的自旋軸會取與源極和漏極同樣的方向。這些自旋極化的電子將從源極以光速1%左右的速度貫穿到漏極。
這一速度很重要，因為以相對論速度移動的電子受某些效應的影響。其中一種效應是施加的電場看起來會象是一個磁場。因此施加在柵極上的電壓會改變從源極向漏極移動的自旋極化的電子的自旋，從而使其自旋方面反轉。因此電子的自旋會變得與漏極中的方向相反，從而使其不那麼容易穿透到漏極。這樣從源極進入漏極的電流會大大減小。
然而，在Datta和Das的文章發表11年之後，仍然沒有人製造出可工作的自旋FET。
最近在德國柏林進行的工作可能會改變所有這些。去年7月Paul Drude大學的Klaus H. Ploog 及其同事研製的結果表明，他們採用一層在砷化鎵上生長的鐵薄膜來使注入GaAs的電子自旋實現極化。這一實驗是在室溫下進行的，其注入速度為2%，這一速度比同類實驗要高。
NRL的Johnson說，這一工作"非常重要,它將為這一領域帶來革命。從現
在起一年多以後，許多自旋FET研究人員都會利用鐵來進行研究。"
另一類自旋晶體管製造方法則使用了稱為共振隧穿的量子現象。利用此現象的器件將是共振隧穿二極體的擴展。此類器件的核心是一個極小的稱為量子阱的區域，其中電子被限制於內。然後，在與量子阱能量相應的特定共振電壓下，電子可以穿出封閉量子阱的勢壘，術語稱之?quot;隧穿"。
通常，電子的自旋狀態與隧道效應無關，因為自旋向上和向下的電子具有同樣的能量。但採用不同的方法，研究人員可以設計出這樣的器件，其中自旋向上和自旋向下的電子能級是不同的，因此存在兩種不同的隧穿途徑。這兩種隧道可通過不同的電壓控制；每種電壓對應一種自旋狀態。在一種電壓下，可由自旋向下的電子產生一定的電流。在另一其它電壓下，可由自旋向上的電子穿透量子阱的勢壘產生一定的電流。
分開能級的一種方法是在量子阱的兩邊勢壘中採用不同的材料，從而使得將電子限制在量子阱中的兩端勢壘能量在量子阱的兩端不同。這一束縛勢壘的差異對於移動中的電子來說可看成量子阱內存在兩個區域，互相具有不同的磁場。這一非對稱的磁場使得自旋向上和向下的狀態具有不同的共振能級。
另一種分開能級的方法是簡單地將器件置於磁場中。這一方法被由紐約Buffalo大學的研究小組所採用。
兩個小組都還沒有製造出可工作的器件，但此類器件的前景使得研究興趣仍然很高。
希望之光
在這些研究人員進行上述器件研究的同時，他們還注意到另外一些科學家提出了全新一類實驗器件。這一新興的研究方法中採用的器件可以在半導體材料中建立或探測自旋極化的電子束，而不是採用鐵電金屬材料。在這些實驗中，研究人員利用激光來克服將極化自旋的電子注入半導體中的困難。通過利用極化的激光光束照射普通的半導體材料，如砷化鎵和硒化鋅，他們得到了自旋極化的電子簇。
一些觀察家認為依靠激光束非常不利。他們認為很難想像此類器件如何微型化到能夠與目前的傳統電子器件可比的程度，更不用說與傳統電子器件在同一集成電路上協調工作了。而且，在某些半導體中，如GaAs，自旋極化只能在低溫下持續存在。
在過去三年中，一系列突破性發現使這一領域成為一個活躍的學科。在Awschalom領導的實驗室中取得了幾項重要結果。他和其同事展示了自旋極化的電子簇保持他們極化的時間比預期的要長很多，可達到幾百納秒。Awschalom、Oestreich以及其它研究人員獨立地製造出來自旋極化的電子簇，並在不失去電子極化的情況下使電子跨越半導體邊界進行移動。
如果做不到這些，自旋在電子學方面根本沒有發展潛力。請注意，實用的器件是通過改變自旋的方面進行工作的。這意味著自旋相干持續的時間至少要比改變自旋極化所需要的時間要長一些。而且，就象傳統的電子器件一樣，自旋電子器件，必須採用多層半導體材料製造，因此在不失去相乾性的情況下，使自旋極化的電子簇通過半導體結就至關重要。
令人迷惑的進動 正如以前，Awschalom進行的實驗中電子簇不僅自旋極化了，而且還顯示出進動。進動發生在自旋極化的電子簇被置於一個磁場中時：磁場導致它們的自旋軸繞著磁場的方向旋轉進動。旋轉的頻率和方面與磁場的強度以及進動發生時所處的材料性質有關。
這一合作小組利用圓極化光脈沖在GaAs中製造自旋相乾的電子簇。然後施加磁場使電子進動，然後利用一個電壓將進動的電子拉過半導體結，使其進入另一種半導體材料ZnSe中。研究人員發現，如果他們採用較低的電壓將電子拉到ZnSe中，電子會在越過結後迅速具有ZnSe中的進動特徵。然而，如果他們採用較高的電壓將電子拉過結，電子就會保持其進動狀態，就象仍然在GaAs中一樣（見圖2）。
"根據採用的電場不同，你可調節電流的行為。"Awschalom在一次采訪中說，"這也使我們感到非常奇怪。"該小組在6月14日那期的Nature雜志上報告了其結果，等待全世界的理論學者解釋這一現象。
這一合作中得到的其它結果更令人迷惑。研究人員進行了類似的實驗，採用的是p型GaAs和n型ZnSe。N型材料依靠電子導電，而P型依靠空穴。由於採用兩種不同的載流子類型的材料，在結附近存在一個電場。而且，這一電場已經足夠強，以致可迅速將GaAs中的自旋相干電子簇拉到ZnSe中，並且其自旋相乾性可保持數百納秒。
這一結果在兩個方面都令人鼓舞。正如Awschalom所說，"這表明您可製造由n型和p型材料構成的結器件，而自旋可順利地通過兩者的界面。"同樣重要的是，試驗表明，自旋可在不需要外加電場的情況下從一種半導體材料進入另一種半導體，這在商業器件中是不可能的。
此類器件至少還要數年才會出現。但即使是研究人員能夠獲得可在實驗室條件下工作的自旋晶體管，仍然需要更大的突破才能使器件進入實用階段。例如，器件需要圓極化的激光脈沖使其看起來不很方便實現，盡管Awschalom認為是有利的。他認為關鍵是光子將用於晶元間的通信，磁性單元用作存儲器，而基於自旋的器件用來完成快速低功耗的邏輯功能。
這一切離現在都還太遠，但這並不比在三極真空管佔領導地位的日子裡想像1GB DRAM來得更遠。
D. 存儲器的發展史
存儲器設備發展
1.存儲器設備發展之汞延遲線
汞延遲線是基於汞在室溫時是液體，同時又是導體，每比特數據用機械波的波峰（1）和波谷（0）表示。機械波從汞柱的一端開始，一定厚度的熔融態金屬汞通過一振動膜片沿著縱向從一端傳到另一端，這樣就得名「汞延遲線」。在管的另一端，一感測器得到每一比特的信息，並反饋到起點。設想是汞獲取並延遲這些數據，這樣它們便能存儲了。這個過程是機械和電子的奇妙結合。缺點是由於環境條件的限制，這種存儲器方式會受各種環境因素影響而不精確。
1950年，世界上第一台具有存儲程序功能的計算機EDVAC由馮.諾依曼博士領導設計。它的主要特點是採用二進制，使用汞延遲線作存儲器，指令和程序可存入計算機中。
1951年3月，由ENIAC的主要設計者莫克利和埃克特設計的第一台通用自動計算機UNIVAC-I交付使用。它不僅能作科學計算，而且能作數據處理。
2.存儲器設備發展之磁帶
UNIVAC-I第一次採用磁帶機作外存儲器，首先用奇偶校驗方法和雙重運算線路來提高系統的可靠性，並最先進行了自動編程的試驗。
磁帶是所有存儲器設備發展中單位存儲信息成本最低、容量最大、標准化程度最高的常用存儲介質之一。它互換性好、易於保存，近年來，由於採用了具有高糾錯能力的編碼技術和即寫即讀的通道技術，大大提高了磁帶存儲的可靠性和讀寫速度。根據讀寫磁帶的工作原理可分為螺旋掃描技術、線性記錄（數據流）技術、DLT技術以及比較先進的LTO技術。
根據讀寫磁帶的工作原理，磁帶機可以分為六種規格。其中兩種採用螺旋掃描讀寫方式的是面向工作組級的DAT（4mm）磁帶機和面向部門級的8mm磁帶機，另外四種則是選用數據流存儲技術設計的設備，它們分別是採用單磁頭讀寫方式、磁帶寬度為1/4英寸、面向低端應用的Travan和DC系列，以及採用多磁頭讀寫方式、磁帶寬度均為1/2英寸、面向高端應用的DLT和IBM的3480/3490/3590系列等。
磁帶庫是基於磁帶的備份系統，它能夠提供同樣的基本自動備份和數據恢復功能，但同時具有更先進的技術特點。它的存儲容量可達到數百PB，可以實現連續備份、自動搜索磁帶，也可以在驅動管理軟體控制下實現智能恢復、實時監控和統計，整個數據存儲備份過程完全擺脫了人工干涉。
磁帶庫不僅數據存儲量大得多，而且在備份效率和人工佔用方面擁有無可比擬的優勢。在網路系統中，磁帶庫通過SAN（Storage Area Network，存儲區域網路）系統可形成網路存儲系統，為企業存儲提供有力保障，很容易完成遠程數據訪問、數據存儲備份或通過磁帶鏡像技術實現多磁帶庫備份，無疑是數據倉庫、ERP等大型網路應用的良好存儲設備。
3.存儲器設備發展之磁鼓
1953年，隨著存儲器設備發展，第一台磁鼓應用於IBM 701，它是作為內存儲器使用的。磁鼓是利用鋁鼓筒表面塗覆的磁性材料來存儲數據的。鼓筒旋轉速度很高，因此存取速度快。它採用飽和磁記錄，從固定式磁頭發展到浮動式磁頭，從採用磁膠發展到採用電鍍的連續磁介質。這些都為後來的磁碟存儲器打下了基礎。
磁鼓最大的缺點是利用率不高， 一個大圓柱體只有表面一層用於存儲，而磁碟的兩面都利用來存儲，顯然利用率要高得多。 因此，當磁碟出現後，磁鼓就被淘汰了。
4.存儲器設備發展之磁芯
美國物理學家王安1950年提出了利用磁性材料製造存儲器的思想。福雷斯特則將這一思想變成了現實。
為了實現磁芯存儲，福雷斯特需要一種物質，這種物質應該有一個非常明確的磁化閾值。他找到在新澤西生產電視機用鐵氧體變換器的一家公司的德國老陶瓷專家，利用熔化鐵礦和氧化物獲取了特定的磁性質。
對磁化有明確閾值是設計的關鍵。這種電線的網格和芯子織在電線網上，被人稱為芯子存儲，它的有關專利對發展計算機非常關鍵。這個方案可靠並且穩定。磁化相對來說是永久的，所以在系統的電源關閉後，存儲的數據仍然保留著。既然磁場能以電子的速度來閱讀，這使互動式計算有了可能。更進一步，因為是電線網格，存儲陣列的任何部分都能訪問，也就是說，不同的數據可以存儲在電線網的不同位置，並且閱讀所在位置的一束比特就能立即存取。這稱為隨機存取存儲器（RAM），在存儲器設備發展歷程中它是互動式計算的革新概念。福雷斯特把這些專利轉讓給麻省理工學院，學院每年靠這些專利收到1500萬～2000萬美元。
最先獲得這些專利許可證的是IBM，IBM最終獲得了在北美防衛軍事基地安裝「旋風」的商業合同。更重要的是，自20世紀50年代以來，所有大型和中型計算機也採用了這一系統。磁芯存儲從20世紀50年代、60年代，直至70年代初，一直是計算機主存的標准方式。
5.存儲器設備發展之磁碟
世界第一台硬碟存儲器是由IBM公司在1956年發明的，其型號為IBM 350 RAMAC（Random Access Method of Accounting and Control）。這套系統的總容量只有5MB，共使用了50個直徑為24英寸的磁碟。1968年，IBM公司提出「溫徹斯特/Winchester」技術，其要點是將高速旋轉的磁碟、磁頭及其尋道機構等全部密封在一個無塵的封閉體中，形成一個頭盤組合件（HDA），與外界環境隔絕，避免了灰塵的污染，並採用小型化輕浮力的磁頭浮動塊，碟片表面塗潤滑劑，實行接觸起停，這是現代絕大多數硬碟的原型。1979年，IBM發明了薄膜磁頭，進一步減輕了磁頭重量，使更快的存取速度、更高的存儲密度成為可能。20世紀80年代末期，IBM公司又對存儲器設備發展作出一項重大貢獻，發明了MR（Magneto Resistive)磁阻磁頭，這種磁頭在讀取數據時對信號變化相當敏感，使得碟片的存儲密度比以往提高了數十倍。1991年，IBM生產的3.5英寸硬碟使用了MR磁頭，使硬碟的容量首次達到了1GB，從此，硬碟容量開始進入了GB數量級。IBM還發明了PRML（Partial Response Maximum Likelihood）的信號讀取技術，使信號檢測的靈敏度大幅度提高，從而可以大幅度提高記錄密度。
目前，硬碟的面密度已經達到每平方英寸100Gb以上，是容量、性價比最大的一種存儲設備。因而，在計算機的外存儲設備中，還沒有一種其他的存儲設備能夠在最近幾年中對其統治地位產生挑戰。硬碟不僅用於各種計算機和伺服器中，在磁碟陣列和各種網路存儲系統中，它也是基本的存儲單元。值得注意的是，近年來微硬碟的出現和快速發展為移動存儲提供了一種較為理想的存儲介質。在快閃記憶體晶元難以承擔的大容量移動存儲領域，微硬碟可大顯身手。目前尺寸為1英寸的硬碟，存儲容量已達4GB，10GB容量的1英寸硬碟不久也會面世。微硬碟廣泛應用於數碼相機、MP3設備和各種手持電子類設備。
另一種磁碟存儲設備是軟盤，從早期的8英寸軟盤、5.25英寸軟盤到3.5英寸軟盤，主要為數據交換和小容量備份之用。其中，3.5英寸1.44MB軟盤占據計算機的標准配置地位近20年之久，之後出現過24MB、100MB、200MB的高密度過渡性軟盤和軟碟機產品。然而，由於USB介面的快閃記憶體出現，軟盤作為數據交換和小容量備份的統治地位已經動搖，不久會退出存儲器設備發展歷史舞台。
6. 存儲器設備發展之光碟
光碟主要分為只讀型光碟和讀寫型光碟。只讀型指光碟上的內容是固定的，不能寫入、修改，只能讀取其中的內容。讀寫型則允許人們對光碟內容進行修改，可以抹去原來的內容，寫入新的內容。用於微型計算機的光碟主要有CD-ROM、CD-R/W和DVD-ROM等幾種。
上世紀60年代，荷蘭飛利浦公司的研究人員開始使用激光光束進行記錄和重放信息的研究。1972年，他們的研究獲得了成功，1978年投放市場。最初的產品就是大家所熟知的激光視盤（LD，Laser Vision Disc）系統。
從LD的誕生至計算機用的CD-ROM，經歷了三個階段，即LD-激光視盤、CD-DA激光唱盤、CD-ROM。下面簡單介紹這三個存儲器設備發展階段性的產品特點。
LD-激光視盤，就是通常所說的LCD，直徑較大，為12英寸，兩面都可以記錄信息，但是它記錄的信號是模擬信號。模擬信號的處理機制是指，模擬的電視圖像信號和模擬的聲音信號都要經過FM（Frequency Molation）頻率調制、線性疊加，然後進行限幅放大。限幅後的信號以0.5微米寬的凹坑長短來表示。
CD-DA激光唱盤 LD雖然取得了成功，但由於事先沒有制定統一的標准，使它的開發和製作一開始就陷入昂貴的資金投入中。1982年，由飛利浦公司和索尼公司制定了CD-DA激光唱盤的紅皮書（Red Book）標准。由此，一種新型的激光唱盤誕生了。CD-DA激光唱盤記錄音響的方法與LD系統不同，CD-DA激光唱盤系統首先把模擬的音響信號進行PCM（脈沖編碼調制）數字化處理，再經過EMF（8～14位調制）編碼之後記錄到盤上。數字記錄代替模擬記錄的好處是，對干擾和雜訊不敏感，由於盤本身的缺陷、劃傷或沾污而引起的錯誤可以校正。
CD-DA系統取得成功以後，使飛利浦公司和索尼公司很自然地想到利用CD-DA作為計算機的大容量只讀存儲器。但要把CD-DA作為計算機的存儲器，還必須解決兩個重要問題，即建立適合於計算機讀寫的盤的數據結構，以及CD-DA誤碼率必須從現有的10-9降低到10-12以下，由此就產生了CD-ROM的黃皮書(Yellow Book)標准。這個標準的核心思想是，盤上的數據以數據塊的形式來組織，每塊都要有地址，這樣一來，盤上的數據就能從幾百兆位元組的存儲空間上被迅速找到。為了降低誤碼率，採用增加一種錯誤檢測和錯誤校正的方案。錯誤檢測採用了循環冗餘檢測碼，即所謂CRC，錯誤校正採用里德－索洛蒙(Reed Solomon)碼。黃皮書確立了CD-ROM的物理結構，而為了使其能在計算機上完全兼容，後來又制定了CD-ROM的文件系統標准，即ISO 9660。
在上世紀80年代中期，光碟存儲器設備發展速度非常快，先後推出了WORM光碟、磁光碟（MO）、相變光碟（Phase Change Disk，PCD）等新品種。20世紀90年代，DVD-ROM、CD-R、CD-R/W等開始出現和普及，目前已成為計算機的標准存儲設備。
光碟技術進一步向高密度發展，藍光光碟是不久將推出的下一代高密度光碟。多層多階光碟和全息存儲光碟正在實驗室研究之中，可望在5年之內推向市場。
7.存儲器設備發展之納米存儲
納米是一種長度單位，符號為nm。1納米=1毫微米，約為10個原子的長度。假設一根頭發的直徑為0.05毫米，把它徑向平均剖成5萬根，每根的厚度即約為1納米。與納米存儲有關的主要進展有如下內容。
1998年，美國明尼蘇達大學和普林斯頓大學制備成功量子磁碟，這種磁碟是由磁性納米棒組成的納米陣列體系。一個量子磁碟相當於我們現在的10萬～100萬個磁碟，而能源消耗卻降低了1萬倍。
1988年，法國人首先發現了巨磁電阻效應，到1997年，採用巨磁電阻原理的納米結構器件已在美國問世，它在磁存儲、磁記憶和計算機讀寫磁頭等方面均有廣闊的應用前景。
2002年9月，美國威斯康星州大學的科研小組宣布，他們在室溫條件下通過操縱單個原子，研製出原子級的硅記憶材料，其存儲信息的密度是目前光碟的100萬倍。這是納米存儲材料技術研究的一大進展。該小組發表在《納米技術》雜志上的研究報告稱，新的記憶材料構建在硅材料表面上。研究人員首先使金元素在硅材料表面升華，形成精確的原子軌道；然後再使硅元素升華，使其按上述原子軌道進行排列；最後，藉助於掃瞄隧道顯微鏡的探針，從這些排列整齊的硅原子中間隔抽出硅原子，被抽空的部分代表「0」，餘下的硅原子則代表「1」，這就形成了相當於計算機晶體管功能的原子級記憶材料。整個試驗研究在室溫條件下進行。研究小組負責人赫姆薩爾教授說，在室溫條件下，一次操縱一批原子進行排列並不容易。更為重要的是，記憶材料中硅原子排列線內的間隔是一個原子大小。這保證了記憶材料的原子級水平。赫姆薩爾教授說，新的硅記憶材料與目前硅存儲材料存儲功能相同，而不同之處在於，前者為原子級體積，利用其製造的計算機存儲材料體積更小、密度更大。這可使未來計算機微型化，且存儲信息的功能更為強大。
以上就是本文向大家介紹的存儲器設備發展歷程的7個關鍵時期
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