随机存储器实验报告

A. 使用量子力学技术的新型超低功耗存储器或将取代DRAM和Flash

看到了当前的数字技术能源危机，兰开斯特大学的研究人员开发出了一种可以解决这一问题的新型计算机并申请了专利。

这种新型的存储器有望取代动态随机存取存储器（DRAM）和闪存（Flash）驱动器。强大且超低能耗计算时代即将来临，你准备好了吗？

研究人员对这一进展有充分的理由感到兴奋。物联网在家庭和办公室的出现在很大程度上方便了我们的智能生活，但以数据为中心也将消耗大量的能源。无论是互联智能设备、音箱还是其它的家用设备将需要能量来处理所有“数据”以提供最佳功能。

事实上，能源消耗是一个非常令人关切的问题，而高效率的照明和电器节省的能源实际上可以通过更多地使用计算机和小工具。根据一个研究预测，到2025年，数据洪流预计将消耗全球电力的五分之一。

新开发的电子存储设备能够以超低的能耗为服务所有人日常生活。这种低功耗意味着，存储设备不需要启动，甚至在按键切换时也可以立即进入节能模式。

正如兰开斯特大学物理学教授Manus Hayne 所说，“通用存储器稳定的存储数据，轻易改存储的数据被广泛认为是不可行，甚至是不可能的，新的设备证明了其矛盾性。”

“理想的是结合两者的优点而没有缺点，这就是我们已经证明的。我们的设备有一个固有的数据存储时间，预计超过宇宙的年龄，但它可以用比DRAM少100倍的能量存储或删除数据。” Manus Hayne表示。

为了解决和创造这种新的存储设备，研究人员使用量子力学来解决稳定的长期数据存储和低能量写入和擦除之间选择的困境。

刚刚获得专利的新设备和研究已经有几家公司表示对此感兴趣，新的存储设备预计将取代1000亿美元的动态随机存取存储器（DRAM）市场。

上述这种技术到底如何实现？雷锋网找到了兰开斯特大学的研究人员发表的《Room-temperature Operation of Low-voltage, Non-volatile, Compound-semiconctor Memory Cells》的论文，可以再进一步了解这个技术。

文章中指出，虽然不同形式的传统（基于电荷）存储器非常适合应用于计算机和其他电子设备，静态随机存取存储器（SRAM），动态随机存取存储器（DRAM）和闪存（Flash）具有互补的特性，它们分别非常适合在高速缓存、动态存储器和数据存储中的发挥作用。然而，他们又都有自身的缺点。这就意味着市场需要新的存储器，特别是，同时实现稳定性和快速、低压（低能量）的矛盾要求已证明是具有挑战性的。

研究团队报告了一种基于III-V半导体异质结构的无氧化浮栅存储器单元，其具有无结通道和存储数据的非破坏性读取。非易失性数据保留至少100000s ，通过使用InAs/AlSb的2.1eV导带偏移和三势垒共振隧穿结构，可以实现与≤2.6V的开关相结合。低电压操作和小电容的组合意味着每单位面积的固有开关能量分别比动态随机存取存储器和闪存小100和1000倍。因此，该设备可以被认为是具有相当大潜力的新兴存储器。

具体结构方面，这是一种新型低压，化合物半导体，基于电荷的非易失性存储器件的概念进行设计、建模、制造适合室温运行。利用AlSb / InAs惊人的导带阵列进行电荷保持，以及形成谐振隧道势垒，使研究团队能够证明低压（低能耗）操作与非易变储存。该器件是由InAs / AlSb / GaSb异质结构构成的FG存储器结构，其中InAs用作FG和无结通道。研究团队通过仿真验证了器件的工作原理，并给出了器件的关键存储特性，如编程/擦除状态的保留特性，并给出了在单个元件上的实验结果。

雷锋网编译，via interestingengineering、nature

B. 《单片机》课程学习总结

《单片机》课程学习总结

篇一：《单片机》课程学习总结

《单片机》这门课程我已经学了一个学期了，在这一个学期的学习过程中，我一开始不怎么懂得编程，但慢慢的我现在已经不仅会读程序还会写程序了。真为自己一个学期来努力学到的单片机知识只是而感到高兴。

怎么学单片机？也常看到有人说学了好几个月可就是没有什么进展。当然，受限于每个人受到的教育水平不同和个人理解能力的差异，学习起来会有快慢之分，但我感觉最重的就是学习方法。一个好的学习方法，能让你事半功倍，这里说说我学习单片机的经历和方法。

我觉得学习单片机首先要懂得C语言，因为单片机大多说都是靠程序来实现的，如果看不懂程序或则不懂的编程是很难学会单片机的。学习单片机首先要明白一个程序是怎么走的，要完全懂得程序每一个步骤的意思。其次要懂得每一条指令的意思，不能盲目地去靠背指令，这是记得不牢靠的，最主要的还是靠了解。学习单片机最主要的对89C51芯片内部结构有全方面的，只要了解了89C51才能知道单片机实现什么样的功能和作用，才能对单片机有更深一步的了解。 通过一个学期《单片机》这门课程的学习，我也从中有了不少心

得和体会想和大家分享一下。

万事开头难、要勇敢迈出第一步。开始的时候，不要老是给自己找借口，不要说单片机的程序全是英文，自己看不懂。遇到困难要一件件攻克，不懂指令就要勤奋看书，不懂程序就先学它，这方面网上教程很多，随便找找看一下，做几次就懂了。然后可以参考别的人程序，抄过来也无所谓，写一个最简单的，让它运行起来，先培养一下自己的感觉，知道写程序是怎么一回事，无论写大程序还是小程序，要做的工序不会差多少。然后建个程序，加入项目中，再写代码、编译、运行。必须熟悉这一套工序。个人认为，一块学习板还是必要的，写好程序在上面运行一下看结果，学习效果会好很多，仿真器就看个人需要了。单片机是注重理论和实践的，光看书不动手，是学不会的。

知识点用到才学，不用的暂时丢一边。厚厚的一本书，看着人头都晕了，学了后面的，前面的估计也快忘光了，所以，最好结合实际程序，用到的时候才去看，不必说非要把书从第一页看起，看完它才来写程序。比如你写流水灯，完全就没必要看中断的知识，专心把流水灯学好就是了，这是把整本书化整为零，一小点一小点的啃。 程序不要光看不写，一定要自己写一次。最开始的时候，什么都不懂，可以抄人家的程序过来，看看每一句是干什么用的，达到什么目的，运行后有什么后果。看明白了之后，就要自己写一次，你会发现，原来看明白别人的程序很容易，但到自己写的时候却一句也写不出来，这就是差距。当你自己能写出来的时候，说明你就真的懂了。

必须学会掌握调试程序的方法。不少人写程序，把代码写好了，

然后一运行，不是自己想要的结果，就晕了，然后跑到论坛上发个帖子，把程序一贴，问：为什么我的程序不能正常运行？然后就等别人来给自己分析。这是一种很不好的行为，应该自己学会发现问题和学会如何解决问题。这就需要学习调试程序的方法，比如KEIL里，可以下断点啦，查看寄存器内容等等，这些都是调试程序的手段，当你发现你写的程序运行结果和你想象中不一样的时候，你可以单步，也可以下断点，然后跟踪，查看各相关寄存器内容，看看程序运行过中是不是有什么偏差，找出影响结果的地方，改正过来。这一个过程非常重要，通过程序的排错，你可以学到的知识是书上得不到的。

找到解决问题思路比找到代码更重要。我们用单片机来控制周边器件，达到我们想到的目的，这是一个题目，而如何写出一个程序，来控制器件按你想要的结果去运作，这个就是解题的思路。要写程序，就得先找到解决问题的思路，你学会找出这个解题思路，比你找到代码更为重要。不少人很喜欢找人家的代码，有的人甚至有了代码就直接复制到自己的程序中，可以说，这不是一种学习的态度，无助于你编程水平的提高。

我几乎不怎么看人家的代码，多数时候是看别人的思路，有方框图最好，没有的话文字说明也可以。要从代码中看出别人处理问题的思路，是相当困难的，特别是大型的程序，看起来是非常的累人。所以现在我也明白了，以前读书时说的程序流程图很重要，现在算是知道了。当你知道一个问题怎么去解决了，那么剩下的只是你安排代码去完成，这就已经不是什么问题了。

开动脑筋，运用多种方法，不断优化自己的程序。想想用各种不同方法来实现同一功能。这是一个练习和提高的过程，一个问题，你解决了，那么你再想想，能不能换种写法，也可以实现同一功能，或者说，你写出来的代码，能不能再精简一点，让程序执行效率更高，这个过程，就是一个进步的过程。很多知识和经验的获得，并不是直接写在书让你看就可以得到的，需要自己去实践，开动脑筋，经验才能得到积累，编程水平才能有所提高。

看别人的程序，学习人家的思路。这个在学习初期是很有用，通过看别人的程序，特别是老师写出的具有一定水平的程序，可以使自己编程水平得到迅速的提高。同时，也可以结合别人的编程手法，与自己的想法融合在一起，写出更高水平的程序，从中得到进步。但要注意，切忌将学习变成抄袭，更不是抄袭完了就认为自己学会了，这样做只会使你退步。

尝试编写一下综合应用的程序。从流水灯学起，到动态扫描，再到中断，那么，你可以试试写一下时钟这种综合性应用的程序，不要小看时钟，要写好它不是一件容易的事情，它包括了单片机大部分的知识，比如有按键（IO读取）、动态扫描（IO输出）、中断等，如何协调好各功能模块正常工作，才是编程者需要学习的地方，当你单独写一个功能的时候，比如按键读取，你可能感觉很容易，因为你的程序什么也不做，只是读按键。但把它和其它功能混合在一起，如何在整个程序运行中使每一部分都正常工作，这就不是写一个按键读取这么容易的事情，功能模块之间有可能会互相影响，比如你需要让数码管既能显示，又要去处理按键读取，怎么使这两部分都正常工作，这就是一个协调过程。当你有了这个处理协调能力，你就算是入门了。

着重于培养解决问题的能力，而不是具体看自己编写了多少程序或者做过什么。“学单片机重点在于学习解决问题的思路，而不是局限于具体的芯片类型和语言”这一直是我的座右铭，是我学单片机学习单片机之后感悟出来的。真正的能力不是你曾经编写过多少个可以实现的程序，而应该是：“遇到没有解决过的问题，能利用自己已学的知识，迅速找到解决问题的方法。”这个才是能力。

面对一个新程序时，多自己开动脑筋，不要急于找别人的程序。

有不少人面对一个新程序时，第一步想到的就是网上找别人写过的程序，然后抄一段，自己再写几句，凑在一起就完成任务，这虽然可能是省时间，但绝对不利你的学习。当你接到一个程序时，应该先自己构思一下整个程序的架构，想想如何来完成。有可能的话，画一个流程图，简单的可以画在脑子里，对程序中用到的数据、变量有一个初步的安排，然后自己动手去写，遇到实在没办法解决的地方，再去请教老师或同学，或看别人是怎么处理的，这样首先起码你自己动过脑想过，自己有自己的思路。如果你一开始就看别人的程序，你的思维就会受限在别人的思维里，自己想再创新就更难了，这样你自己永远也没办法提高，因为你是走在别人的影子里。

学会提问题。一般来说，学习过程中，你遇上的问题，多数人也有遇上的，所以如果有什么不懂，你可以去问老师。我觉得学习单片机最主要的要多提问，对于一个自己不是太懂的程序，自己一定要多提问几遍，这样不但有利于加深自己的印象还能从中学到不少别人的方法。

经过一个学期我对《单片机》这门课程的学习，不仅让我懂得了很多程序的编写，还让我学到了很多对自己有用的学习方法。总结这个学期来的我自己的学习情况，我觉得自己对编程进步了不少，懂得运用正确的学习方法学习单片机程序，不再去死记硬背指令了。所以我觉得学习要不断总结学习方法，才能让自己学习不断进步。

交通信号灯设计报告

实验目的： P1口的使用方法，延时程序的编写

实验要求：在一个十字路口分为东西南北走向，信号等按以下的状态顺序工作：

（1） 初始状态0，东西、南北红灯全亮。延时一定时间；

（2） 状态1，南北绿灯亮通车，东西红灯，延时一定时间；

（3） 状态2，南北绿灯闪烁几次转黄灯，东西仍然红灯，延时一定

时间；

（4） 状态3，南北红灯，东西绿灯通车，延时一定时间；

（5） 状态4，南北仍然红灯，东西绿灯闪烁几次转黄灯，延时一定

时间；

（6） 循环至状态1，继续

实验电路和流程框架图：

（1） 硬件电路

交通灯实训设备用最小系统板和信号灯组合而成。

2、软件编程

若各路口灯亮灭的时间间隔为2s钟，灯光闪烁时间间隔为0.5s。用软件延时的方法，晶振频率12MHz时，一个机器周期为1us。

编写交通信号灯程序：

编写主程序，由R7做主程序的计数器，确定调用延时时间为0.5s，从而获得交通灯的亮灭时间。

篇二：《单片机》课程学习总结

时光飞逝，一转眼，一个学期又进尾声了，本学期的单片机课程也结束，但通过这次单片机的学习，我不仅加深了对单片机理论的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。创新可以是在原有的基础上进行改进，使之功能不断完善，成为真己的东西。

当今社会随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么可编程控制器的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面。本学期我们就学习了单片机这门课程，感觉是有点难呢。也不知道整个学习过程是怎么过来得，可是时间不等人。

刚开始学习的时候，对单片机没有什么认识，不知道什么是单片机，更不知道它有什么作用。通过学习才大体知道了单片机的一些知识。单片机是一块在集成电路芯片上集成了一台有一定规模的微型计算机。简称为：单片微型计算机或单片机。单片机的应用到处可见，应用领域广泛，主要应用在智能仪表、实时控制、通信、家电等方面。由中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口、定时器/计数器以及串行通信接口等集成在一块芯片上，构成了一个单片微型计算机，简称为单片机。它的应用范围很广，在工业自动化中应用有数据采集、测控技术。

在智能仪器仪表中应用有数字示波器、数字信号源、自动取款机等。在消费类电子产品中应用有空调机、电视机、微波炉、手机、IC卡、汽车电子设备等。在通讯方面应用有手机、小灵通等。在武器装备方面应用有飞机、坦克、导弹、航天飞机、智能武器等。刚开始学习时只能抄写别人做成功的程序，一遍一遍的写，从简单的入手，逐步的积累，一步步的能够将小的程序结合到一起，拼接成较为复杂一些的程序。但是程序不要只是看别人得，一定要自己写过才是自己的。只有当你自己能写出来的时候说明你真懂了。刚接触KEIL时确实很让人头疼，使用 KEIL不会建项目、不会使用实验板。然后可以参考已经成功的程序，抄过来，写一个最简单的，让它运行起来，先培养一下自己的感觉，先建个项目，再配置一下项目，然后建个程序，加入项目中，再写代码、编译、生成HEX，刷进单片机中、运行。其实当遇到问题一定要自己尝试着解决，不能遇到问题就去问别人，自己一定要掌握解决问的方法和思路。对一个新项目时，自己一定要多想想，不要急着去看别人是怎么写的。应该先想一下程序的构架，想想如何来完成。然后自己动手去写，理清自己的思路这样更容易提高自己。

熟悉单片机的人都知道，要学好单片机可不是一件容易的事，倒不是因为单片机很难学，而是很难找到一本专为单片机入门者而编写的教材。翻一下身边的单片机教材，都好像是为已经懂单片机的人而写的，一般先介绍单片机的硬件结构和指令系统，再是系统扩展和外围器件，顺便讲一些应用设计（随便说一下，很多书中的电路设计已经过时，并且有些程序还是错误的`）。如果按照此种学习方法，想进行产品开发，就必须先把所有的知识全部掌握了才可以进行实际应用。学习使用单片机只能靠循序渐进的积累，虽然单片机的课程只上了几节就去上班了，但在学习的过程中有了一定的了解。下面就本人学习单片机的过程和经验做简要介绍。

首先，学习单片机要有一定的基础：电子技术方面要有数字电路和模拟电路等方面的理论基础，特别是数字电路；编程语言要求汇编语言或C语言。要想成为单片机高手，建议初学者首先学习汇编语言，学的差不多的时候，转入C语言学习。尽管汇编语言属于低级语言，编程效率低，但是较C语言具有目标代码简短，占用内存少，执行速度快等优点，更重要的是能使初学者尽快熟悉单片机的内部结构，并能对其进行精确的控制。汇编语言在单片机教材里面都会涉及，不需要单独购买教材和学习。C语言是一门学问,有很多专业书籍来讲解,并且对我们今后的编程生涯有绝对的好处,因此要深入学习,千万不要自以为看了某某的视频教程就以为掌握了C语言，那只是C语言的一部分。在这里给大家推荐一本单片机C语言程序设计参考书，马忠梅等着，北京航空航天大学出版社出版的《单片机的C语言应用程序设计》，要求C语言基础。如果没学过C语言，建议学习清华大学谭浩强编写的C语言程序设计，这本书写的不错，通俗易懂。

其次，是单片机教材选择。单片机是一门非常重视实践的技术，不能总是看书，但要学习它首先应看书，对单片机引脚、内部结构、寄存器和原理有一定地了解和感官认识，它的是怎样工作的，能干些什么？刚开始时，也许你看不明白，但这并不要紧，因为你还缺乏实践经验。现在单片机应用广泛,因此各个厂家分别推出了自己的单片机，我们没必要每样都学!因为他们的编程方法和调试过程以及内部指令结构有一定的相似,只要学精通一款就OK了!尤其是用C语言编程,就几乎不用分什么派系,但是我们要选择一款有代表性的知识范围广,并且入门容易,书籍多。一般来说，MCS-51系列单片机已经得到广泛的普及和应用，市场上它的资料也比较多，用的人也很多。给大家推荐一些参考书，学习时只需要一本就足够拉。书名：《新编MCS-51单片机应用设计》，哈尔滨工业大学出版，作者：张毅刚；书名：《单片机原理及应用》，高等教育出版社，作者：张毅刚等；书名：《单片机高级教程:应用与设计》，北京航空航天大学出版社，作者：何立民。相关教材还有很多，在这不一一列举。

然后，是开发工具和开发环境的选择。选择一块合适的学习板，对于初学者来说一般无力接受，如果经济条件允许、本人又对单片机很感兴趣、有从事相关工作意向的话，鼓励大家购买。随便说一句，学习板功能要求太全，具有流水灯、数码管、独立键盘、矩阵键盘、AD或DA、液晶、蜂鸣器等就差不多啦，毕竟，功能齐全的价格比较高。仿真器对单片机初学者来说既是那么耳熟，同时又有些陌生，这主要是因为市场上传统的仿真器价格都在千元以上，对经济不是非常宽裕的人来说是不小的开支。同时仿真器是用来提高调试程序效率的，也不是非需不可的，如果你没有仿真器，遇到程序出错的时候，只好苦思冥想，反复烧写调试。

随便推荐一下，学林电子的51tracer仿真器，有兴趣的朋友可关注一下。有了单片机教程板以后，先看下指导说明书，熟悉一下学习板，开卷有益。以后就得靠自己多练习了，将学习板与电脑连接好，先学会开发软件的使用，然后从最简单的流水灯实验做起，按照你自己的意愿控制流水灯，当你完成时，你会发现这是多么惬意的事情。太好玩了，你会觉得这不是在学习，而是在玩，当你发现，单片机能够按照你编写的程序工作时，你会觉得非常兴奋，比做什么事情都开心，这样你会慢慢迷上单片机，真的。不少网站上说搞定某个实验，就恭维的告诉你一声”恭喜你,学会了”自己学会了单片机，这有点可笑，这只能说明你算过关了，对单片机有了一定了解和会使用它了。但是单片机能完成的功能太多了,尤其是对外围器件的控制,综合起来能设计出许多意想不到的产品.因此除了入门外,精通可千万别轻易说出口。

最后，在熟练掌握和应用后，那可以说对于单片机方面的硬件你已经入门了，剩下的就是自己练习设计开发各种课题，不断的积累经验。最终，自己完全设计具有个人风格的课题，产品，这样你就是单片机高手拉。只要过了第一关，后面的路就好走多了，万事开头难，这大家可能都听过。

有时候单片机的学习很单调，有些知识学起来很抽象，不容易理解，只能慢慢适应，一边学习理论知识，一边编写程序，将程序刷入单片机进行调试，通过这种方式才能更快速的学习单片机。要坚定自己的学习信心，在付出持之以恒的努力，我相信自己能进一步加深对单片机的了解，在单片机的学习道路上走得更远！

C. 圆偏振光是如何改变电子自旋的它们之间是如何作用的

探索自旋晶体管
The Quest for the Spin Transistor
■Glenn Zorpette
微电子研究人员研究自旋至少已有20年历史了。事实上，他们的发现已经为硬盘驱动器带来了革命，从1998年起硬盘已经采用基于自旋的机制来实现更大的容量。在未来三年里，Motorola公司和IBM公司有望再进一步，推出第一款利用自旋特性的商用半导体芯片，一种称为M（意指磁性）RAM的新型随机存储器。MRAM速度快且是非易失性的，有望在美国每年106亿美元的闪存市场上占有相当的份额。如果工程师们可将成本降到足够低，MRAM甚至最终会侵入到每年350亿美元的RAM市场。

自旋方面的权威人士称存储器应用仅仅是自旋技术应用的开始。他们已将目标瞄准逻辑应用，这主要是受到过去两三年中获得的实验结果的鼓舞，实验显示这一自旋新技术与现有基于电荷机制的半导体电子学器件的制造材料和方法有非常好的兼容性。2000年2月份，美国国防部高级研究项目机构宣布了一项持续五年，每年投入1500万美元的计划，致力于推进各种利用自旋的半导体材料和器件的研究。

亚原子世界的奇特性质

目前自旋研究的支持者们预见了一种全新的电子学形式，称为自旋电子学。自旋电子学器件将利用电子的自旋来控制电荷的移动。再进一步，研究人员甚至可成功地制造出利用自旋本身（而不需要进行电荷的移动）来存储和处理数据的器件。自旋电子学比传统电子学设备消耗更少的能源，因为改变自旋所需要的能量仅是推动电荷移动所需要能量的很小一部分。

自旋电子学的另一个优点是其非挥发性：当电源关闭后，自旋不会变化。自旋的特定性能以及描述它的量子理论还指出自旋所具有的其它神奇的可能性，如每秒可变化10亿次的逻辑门功能（与、或、非等等）；可直接利用偏振光或电压信号进行工作的自旋电子学器件；可同时处于两种不同状态的存储器单元。加利福尼亚州立大学领导自旋电子学和量子计算中心的David D. Awschalom说："自旋提供了完全不同的功能。最令人激动的可能是那些我们还没有想到的。"

神秘的量子机制

自旋的奇特之处在于它直接涉及到做为现代物理学基础的量子理论的核心。于20世纪初发展起来的量子理论是非常精密的理论，其基本概念是在亚原子水平上，能量的交换必须以一定的最小量为单位，即是量子化的。

狄拉克于1920年代晚期预见了自旋的存在。在其获得诺贝尔奖的工作中，他统一了量子理论的能量和动量方程和爱因斯坦的狭义相对论。
自旋比较难于理解，这是因为在我们熟悉的宏观世界里缺少一个准确的对照物。其名字是按照宏观世界与之最接近的概念--旋转物体的角动量命名的。但通常的行星角动量，或旋转的球体，在停止运动后，角动量也消失了，因此是外在的。但自旋是一种粒子无法获得或失去的内在角动量。

事实上，角动量和自旋之间的类比不能走得再远了。粒子自旋并不是由于粒子的旋转，而电子也没有物理的维度，如半径。因此在经典的意义上说电子具有角动量严格来说是没有意义的。

最小的磁体

幸运的是，为了理解新近的进展，并不需要深入地了解自旋的特性。这时，通常用来使人们理解量子世界意义的不完善的类比还是很有用的，至少在自旋在磁性机制产生方面的作用而言是如此。

首先我们了解这样的事实，自旋使电子成为一个微小的磁体，具有南极和北极。小磁体南北极轴的朝向依赖于粒子的自旋轴。在普通物质的原子中，一些自旋轴指向"上"（相对于周围磁场而言）而同样数量的自旋指向"下"。粒子的自旋与磁矩相关，这可以想象为偏转电子自旋轴的方向柄。因此在普通物质中，向上的磁矩抵消了向下的，因此不能产生宏观磁性。

为了得到宏观磁性，需要铁磁材料，如铁，镍或钴。这些材料具有很多小的称为磁畴的区域，其中的电子自旋指向上或指向下的更多一些（至少在温度处于居里温度以下，热效应破坏磁性机制以前是这样）。通常这些磁畴是随机指向的，并且总自旋向上或向下的数量一样多。但适加的外部磁场可打破磁畴间的界限，使所有的磁畴沿着磁场的方向排列，即它们都指向同一方向。结果就形成永久磁体。

铁电材料是许多自旋电子器件的核心。利用电压差驱动电子流通过铁电材料，其中铁电材料起到自旋极化器的作用，将通过其中的电子自旋轴对齐，使它们都指向一个方向（上或下）。最基本和最重要的自旋电子器件之一是磁隧道结，其构造为两层铁电材料，中间用极薄的非导体层隔开（参见图）。该器件是由法国物理学家M. Julli re于1970年代中期展示的。

相对论晶体管

研究人员现在特别热衷探索的是类似传统晶体管（甚至可以产生增益）的基于自旋的器件。这方面的研究有几种不同的思路。最先提出的一种称为自旋场效应晶体管（FET）。最近的一种方法则将自旋与物理学家几十年来一起追求的一种器件--共振隧道晶体管，联系在一起。
1990年 Supriyo Datta 和 Biswajit A. Das（后来两人同时到了Pure大学）在一篇后来发表于Applied Physics Letters杂志上的文章中提出了自旋FET的概念。两人建议的自旋FET器件，源极和漏极都是铁电材料，其中的电子自旋相同。可将电子注入源极，注入电子的自旋轴会取与源极和漏极同样的方向。这些自旋极化的电子将从源极以光速1%左右的速度贯穿到漏极。

这一速度很重要，因为以相对论速度移动的电子受某些效应的影响。其中一种效应是施加的电场看起来会象是一个磁场。因此施加在栅极上的电压会改变从源极向漏极移动的自旋极化的电子的自旋，从而使其自旋方面反转。因此电子的自旋会变得与漏极中的方向相反，从而使其不那么容易穿透到漏极。这样从源极进入漏极的电流会大大减小。

然而，在Datta和Das的文章发表11年之后，仍然没有人制造出可工作的自旋FET。

最近在德国柏林进行的工作可能会改变所有这些。去年7月Paul Drude大学的Klaus H. Ploog 及其同事研制的结果表明，他们采用一层在砷化镓上生长的铁薄膜来使注入GaAs的电子自旋实现极化。这一实验是在室温下进行的，其注入速度为2%，这一速度比同类实验要高。

NRL的Johnson说，这一工作"非常重要,它将为这一领域带来革命。从现
在起一年多以后，许多自旋FET研究人员都会利用铁来进行研究。"
另一类自旋晶体管制造方法则使用了称为共振隧穿的量子现象。利用此现象的器件将是共振隧穿二极管的扩展。此类器件的核心是一个极小的称为量子阱的区域，其中电子被限制于内。然后，在与量子阱能量相应的特定共振电压下，电子可以穿出封闭量子阱的势垒，术语称之?quot;隧穿"。

通常，电子的自旋状态与隧道效应无关，因为自旋向上和向下的电子具有同样的能量。但采用不同的方法，研究人员可以设计出这样的器件，其中自旋向上和自旋向下的电子能级是不同的，因此存在两种不同的隧穿途径。这两种隧道可通过不同的电压控制；每种电压对应一种自旋状态。在一种电压下，可由自旋向下的电子产生一定的电流。在另一其它电压下，可由自旋向上的电子穿透量子阱的势垒产生一定的电流。

分开能级的一种方法是在量子阱的两边势垒中采用不同的材料，从而使得将电子限制在量子阱中的两端势垒能量在量子阱的两端不同。这一束缚势垒的差异对于移动中的电子来说可看成量子阱内存在两个区域，互相具有不同的磁场。这一非对称的磁场使得自旋向上和向下的状态具有不同的共振能级。

另一种分开能级的方法是简单地将器件置于磁场中。这一方法被由纽约Buffalo大学的研究小组所采用。

两个小组都还没有制造出可工作的器件，但此类器件的前景使得研究兴趣仍然很高。

希望之光

在这些研究人员进行上述器件研究的同时，他们还注意到另外一些科学家提出了全新一类实验器件。这一新兴的研究方法中采用的器件可以在半导体材料中建立或探测自旋极化的电子束，而不是采用铁电金属材料。在这些实验中，研究人员利用激光来克服将极化自旋的电子注入半导体中的困难。通过利用极化的激光光束照射普通的半导体材料，如砷化镓和硒化锌，他们得到了自旋极化的电子簇。

一些观察家认为依靠激光束非常不利。他们认为很难想象此类器件如何微型化到能够与目前的传统电子器件可比的程度，更不用说与传统电子器件在同一集成电路上协调工作了。而且，在某些半导体中，如GaAs，自旋极化只能在低温下持续存在。

在过去三年中，一系列突破性发现使这一领域成为一个活跃的学科。在Awschalom领导的实验室中取得了几项重要结果。他和其同事展示了自旋极化的电子簇保持他们极化的时间比预期的要长很多，可达到几百纳秒。Awschalom、Oestreich以及其它研究人员独立地制造出来自旋极化的电子簇，并在不失去电子极化的情况下使电子跨越半导体边界进行移动。

如果做不到这些，自旋在电子学方面根本没有发展潜力。请注意，实用的器件是通过改变自旋的方面进行工作的。这意味着自旋相干持续的时间至少要比改变自旋极化所需要的时间要长一些。而且，就象传统的电子器件一样，自旋电子器件，必须采用多层半导体材料制造，因此在不失去相干性的情况下，使自旋极化的电子簇通过半导体结就至关重要。

令人迷惑的进动 正如以前，Awschalom进行的实验中电子簇不仅自旋极化了，而且还显示出进动。进动发生在自旋极化的电子簇被置于一个磁场中时：磁场导致它们的自旋轴绕着磁场的方向旋转进动。旋转的频率和方面与磁场的强度以及进动发生时所处的材料性质有关。

这一合作小组利用圆极化光脉冲在GaAs中制造自旋相干的电子簇。然后施加磁场使电子进动，然后利用一个电压将进动的电子拉过半导体结，使其进入另一种半导体材料ZnSe中。研究人员发现，如果他们采用较低的电压将电子拉到ZnSe中，电子会在越过结后迅速具有ZnSe中的进动特征。然而，如果他们采用较高的电压将电子拉过结，电子就会保持其进动状态，就象仍然在GaAs中一样（见图2）。

"根据采用的电场不同，你可调节电流的行为。"Awschalom在一次采访中说，"这也使我们感到非常奇怪。"该小组在6月14日那期的Nature杂志上报告了其结果，等待全世界的理论学者解释这一现象。

这一合作中得到的其它结果更令人迷惑。研究人员进行了类似的实验，采用的是p型GaAs和n型ZnSe。N型材料依靠电子导电，而P型依靠空穴。由于采用两种不同的载流子类型的材料，在结附近存在一个电场。而且，这一电场已经足够强，以致可迅速将GaAs中的自旋相干电子簇拉到ZnSe中，并且其自旋相干性可保持数百纳秒。

这一结果在两个方面都令人鼓舞。正如Awschalom所说，"这表明您可制造由n型和p型材料构成的结器件，而自旋可顺利地通过两者的界面。"同样重要的是，试验表明，自旋可在不需要外加电场的情况下从一种半导体材料进入另一种半导体，这在商业器件中是不可能的。

此类器件至少还要数年才会出现。但即使是研究人员能够获得可在实验室条件下工作的自旋晶体管，仍然需要更大的突破才能使器件进入实用阶段。例如，器件需要圆极化的激光脉冲使其看起来不很方便实现，尽管Awschalom认为是有利的。他认为关键是光子将用于芯片间的通信，磁性单元用作存储器，而基于自旋的器件用来完成快速低功耗的逻辑功能。

这一切离现在都还太远，但这并不比在三极真空管占领导地位的日子里想象1GB DRAM来得更远。

D. 存储器的发展史

存储器设备发展

1.存储器设备发展之汞延迟线

汞延迟线是基于汞在室温时是液体，同时又是导体，每比特数据用机械波的波峰（1）和波谷（0）表示。机械波从汞柱的一端开始，一定厚度的熔融态金属汞通过一振动膜片沿着纵向从一端传到另一端，这样就得名“汞延迟线”。在管的另一端，一传感器得到每一比特的信息，并反馈到起点。设想是汞获取并延迟这些数据，这样它们便能存储了。这个过程是机械和电子的奇妙结合。缺点是由于环境条件的限制，这种存储器方式会受各种环境因素影响而不精确。

1950年，世界上第一台具有存储程序功能的计算机EDVAC由冯.诺依曼博士领导设计。它的主要特点是采用二进制，使用汞延迟线作存储器，指令和程序可存入计算机中。

1951年3月，由ENIAC的主要设计者莫克利和埃克特设计的第一台通用自动计算机UNIVAC-I交付使用。它不仅能作科学计算，而且能作数据处理。

2.存储器设备发展之磁带

UNIVAC-I第一次采用磁带机作外存储器，首先用奇偶校验方法和双重运算线路来提高系统的可靠性，并最先进行了自动编程的试验。

磁带是所有存储器设备发展中单位存储信息成本最低、容量最大、标准化程度最高的常用存储介质之一。它互换性好、易于保存，近年来，由于采用了具有高纠错能力的编码技术和即写即读的通道技术，大大提高了磁带存储的可靠性和读写速度。根据读写磁带的工作原理可分为螺旋扫描技术、线性记录（数据流）技术、DLT技术以及比较先进的LTO技术。

根据读写磁带的工作原理，磁带机可以分为六种规格。其中两种采用螺旋扫描读写方式的是面向工作组级的DAT（4mm）磁带机和面向部门级的8mm磁带机，另外四种则是选用数据流存储技术设计的设备，它们分别是采用单磁头读写方式、磁带宽度为1/4英寸、面向低端应用的Travan和DC系列，以及采用多磁头读写方式、磁带宽度均为1/2英寸、面向高端应用的DLT和IBM的3480/3490/3590系列等。

磁带库是基于磁带的备份系统，它能够提供同样的基本自动备份和数据恢复功能，但同时具有更先进的技术特点。它的存储容量可达到数百PB，可以实现连续备份、自动搜索磁带，也可以在驱动管理软件控制下实现智能恢复、实时监控和统计，整个数据存储备份过程完全摆脱了人工干涉。

磁带库不仅数据存储量大得多，而且在备份效率和人工占用方面拥有无可比拟的优势。在网络系统中，磁带库通过SAN（Storage Area Network，存储区域网络）系统可形成网络存储系统，为企业存储提供有力保障，很容易完成远程数据访问、数据存储备份或通过磁带镜像技术实现多磁带库备份，无疑是数据仓库、ERP等大型网络应用的良好存储设备。

3.存储器设备发展之磁鼓

1953年，随着存储器设备发展，第一台磁鼓应用于IBM 701，它是作为内存储器使用的。磁鼓是利用铝鼓筒表面涂覆的磁性材料来存储数据的。鼓筒旋转速度很高，因此存取速度快。它采用饱和磁记录，从固定式磁头发展到浮动式磁头，从采用磁胶发展到采用电镀的连续磁介质。这些都为后来的磁盘存储器打下了基础。

磁鼓最大的缺点是利用率不高， 一个大圆柱体只有表面一层用于存储，而磁盘的两面都利用来存储，显然利用率要高得多。 因此，当磁盘出现后，磁鼓就被淘汰了。

4.存储器设备发展之磁芯

美国物理学家王安1950年提出了利用磁性材料制造存储器的思想。福雷斯特则将这一思想变成了现实。

为了实现磁芯存储，福雷斯特需要一种物质，这种物质应该有一个非常明确的磁化阈值。他找到在新泽西生产电视机用铁氧体变换器的一家公司的德国老陶瓷专家，利用熔化铁矿和氧化物获取了特定的磁性质。

对磁化有明确阈值是设计的关键。这种电线的网格和芯子织在电线网上，被人称为芯子存储，它的有关专利对发展计算机非常关键。这个方案可靠并且稳定。磁化相对来说是永久的，所以在系统的电源关闭后，存储的数据仍然保留着。既然磁场能以电子的速度来阅读，这使交互式计算有了可能。更进一步，因为是电线网格，存储阵列的任何部分都能访问，也就是说，不同的数据可以存储在电线网的不同位置，并且阅读所在位置的一束比特就能立即存取。这称为随机存取存储器（RAM），在存储器设备发展历程中它是交互式计算的革新概念。福雷斯特把这些专利转让给麻省理工学院，学院每年靠这些专利收到1500万～2000万美元。

最先获得这些专利许可证的是IBM，IBM最终获得了在北美防卫军事基地安装“旋风”的商业合同。更重要的是，自20世纪50年代以来，所有大型和中型计算机也采用了这一系统。磁芯存储从20世纪50年代、60年代，直至70年代初，一直是计算机主存的标准方式。

5.存储器设备发展之磁盘

世界第一台硬盘存储器是由IBM公司在1956年发明的，其型号为IBM 350 RAMAC（Random Access Method of Accounting and Control）。这套系统的总容量只有5MB，共使用了50个直径为24英寸的磁盘。1968年，IBM公司提出“温彻斯特/Winchester”技术，其要点是将高速旋转的磁盘、磁头及其寻道机构等全部密封在一个无尘的封闭体中，形成一个头盘组合件（HDA），与外界环境隔绝，避免了灰尘的污染，并采用小型化轻浮力的磁头浮动块，盘片表面涂润滑剂，实行接触起停，这是现代绝大多数硬盘的原型。1979年，IBM发明了薄膜磁头，进一步减轻了磁头重量，使更快的存取速度、更高的存储密度成为可能。20世纪80年代末期，IBM公司又对存储器设备发展作出一项重大贡献，发明了MR（Magneto Resistive)磁阻磁头，这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感，使得盘片的存储密度比以往提高了数十倍。1991年，IBM生产的3.5英寸硬盘使用了MR磁头，使硬盘的容量首次达到了1GB，从此，硬盘容量开始进入了GB数量级。IBM还发明了PRML（Partial Response Maximum Likelihood）的信号读取技术，使信号检测的灵敏度大幅度提高，从而可以大幅度提高记录密度。

目前，硬盘的面密度已经达到每平方英寸100Gb以上，是容量、性价比最大的一种存储设备。因而，在计算机的外存储设备中，还没有一种其他的存储设备能够在最近几年中对其统治地位产生挑战。硬盘不仅用于各种计算机和服务器中，在磁盘阵列和各种网络存储系统中，它也是基本的存储单元。值得注意的是，近年来微硬盘的出现和快速发展为移动存储提供了一种较为理想的存储介质。在闪存芯片难以承担的大容量移动存储领域，微硬盘可大显身手。目前尺寸为1英寸的硬盘，存储容量已达4GB，10GB容量的1英寸硬盘不久也会面世。微硬盘广泛应用于数码相机、MP3设备和各种手持电子类设备。

另一种磁盘存储设备是软盘，从早期的8英寸软盘、5.25英寸软盘到3.5英寸软盘，主要为数据交换和小容量备份之用。其中，3.5英寸1.44MB软盘占据计算机的标准配置地位近20年之久，之后出现过24MB、100MB、200MB的高密度过渡性软盘和软驱产品。然而，由于USB接口的闪存出现，软盘作为数据交换和小容量备份的统治地位已经动摇，不久会退出存储器设备发展历史舞台。

6. 存储器设备发展之光盘

光盘主要分为只读型光盘和读写型光盘。只读型指光盘上的内容是固定的，不能写入、修改，只能读取其中的内容。读写型则允许人们对光盘内容进行修改，可以抹去原来的内容，写入新的内容。用于微型计算机的光盘主要有CD-ROM、CD-R/W和DVD-ROM等几种。

上世纪60年代，荷兰飞利浦公司的研究人员开始使用激光光束进行记录和重放信息的研究。1972年，他们的研究获得了成功，1978年投放市场。最初的产品就是大家所熟知的激光视盘（LD，Laser Vision Disc）系统。

从LD的诞生至计算机用的CD-ROM，经历了三个阶段，即LD-激光视盘、CD-DA激光唱盘、CD-ROM。下面简单介绍这三个存储器设备发展阶段性的产品特点。

LD-激光视盘，就是通常所说的LCD，直径较大，为12英寸，两面都可以记录信息，但是它记录的信号是模拟信号。模拟信号的处理机制是指，模拟的电视图像信号和模拟的声音信号都要经过FM（Frequency Molation）频率调制、线性叠加，然后进行限幅放大。限幅后的信号以0.5微米宽的凹坑长短来表示。

CD-DA激光唱盘 LD虽然取得了成功，但由于事先没有制定统一的标准，使它的开发和制作一开始就陷入昂贵的资金投入中。1982年，由飞利浦公司和索尼公司制定了CD-DA激光唱盘的红皮书（Red Book）标准。由此，一种新型的激光唱盘诞生了。CD-DA激光唱盘记录音响的方法与LD系统不同，CD-DA激光唱盘系统首先把模拟的音响信号进行PCM（脉冲编码调制）数字化处理，再经过EMF（8～14位调制）编码之后记录到盘上。数字记录代替模拟记录的好处是，对干扰和噪声不敏感，由于盘本身的缺陷、划伤或沾污而引起的错误可以校正。

CD-DA系统取得成功以后，使飞利浦公司和索尼公司很自然地想到利用CD-DA作为计算机的大容量只读存储器。但要把CD-DA作为计算机的存储器，还必须解决两个重要问题，即建立适合于计算机读写的盘的数据结构，以及CD-DA误码率必须从现有的10-9降低到10-12以下，由此就产生了CD-ROM的黄皮书(Yellow Book)标准。这个标准的核心思想是，盘上的数据以数据块的形式来组织，每块都要有地址，这样一来，盘上的数据就能从几百兆字节的存储空间上被迅速找到。为了降低误码率，采用增加一种错误检测和错误校正的方案。错误检测采用了循环冗余检测码，即所谓CRC，错误校正采用里德－索洛蒙(Reed Solomon)码。黄皮书确立了CD-ROM的物理结构，而为了使其能在计算机上完全兼容，后来又制定了CD-ROM的文件系统标准，即ISO 9660。

在上世纪80年代中期，光盘存储器设备发展速度非常快，先后推出了WORM光盘、磁光盘（MO）、相变光盘（Phase Change Disk，PCD）等新品种。20世纪90年代，DVD-ROM、CD-R、CD-R/W等开始出现和普及，目前已成为计算机的标准存储设备。

光盘技术进一步向高密度发展，蓝光光盘是不久将推出的下一代高密度光盘。多层多阶光盘和全息存储光盘正在实验室研究之中，可望在5年之内推向市场。

7.存储器设备发展之纳米存储

纳米是一种长度单位，符号为nm。1纳米=1毫微米，约为10个原子的长度。假设一根头发的直径为0.05毫米，把它径向平均剖成5万根，每根的厚度即约为1纳米。与纳米存储有关的主要进展有如下内容。

1998年，美国明尼苏达大学和普林斯顿大学制备成功量子磁盘，这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系。一个量子磁盘相当于我们现在的10万～100万个磁盘，而能源消耗却降低了1万倍。

1988年，法国人首先发现了巨磁电阻效应，到1997年，采用巨磁电阻原理的纳米结构器件已在美国问世，它在磁存储、磁记忆和计算机读写磁头等方面均有广阔的应用前景。

2002年9月，美国威斯康星州大学的科研小组宣布，他们在室温条件下通过操纵单个原子，研制出原子级的硅记忆材料，其存储信息的密度是目前光盘的100万倍。这是纳米存储材料技术研究的一大进展。该小组发表在《纳米技术》杂志上的研究报告称，新的记忆材料构建在硅材料表面上。研究人员首先使金元素在硅材料表面升华，形成精确的原子轨道；然后再使硅元素升华，使其按上述原子轨道进行排列；最后，借助于扫瞄隧道显微镜的探针，从这些排列整齐的硅原子中间隔抽出硅原子，被抽空的部分代表“0”，余下的硅原子则代表“1”，这就形成了相当于计算机晶体管功能的原子级记忆材料。整个试验研究在室温条件下进行。研究小组负责人赫姆萨尔教授说，在室温条件下，一次操纵一批原子进行排列并不容易。更为重要的是，记忆材料中硅原子排列线内的间隔是一个原子大小。这保证了记忆材料的原子级水平。赫姆萨尔教授说，新的硅记忆材料与目前硅存储材料存储功能相同，而不同之处在于，前者为原子级体积，利用其制造的计算机存储材料体积更小、密度更大。这可使未来计算机微型化，且存储信息的功能更为强大。

以上就是本文向大家介绍的存储器设备发展历程的7个关键时期

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