中國研究人員展示支持100TB+容量的自加密分子HDD技術(shù)

中國研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種高密度分子存儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用有機分子來存儲和加密數(shù)據(jù)，Blocks & Files報道。根據(jù) Nature 的描述，使用專門的原子力顯微鏡記錄和檢索信息，該顯微鏡縱分子狀態(tài)以存儲數(shù)據(jù)。雖然該技術(shù)有可能實現(xiàn)超高密度存儲設(shè)備，從而降低存儲空間要求和功耗（例如，容量為 100TB 或更高的 HDD），但原子顯微鏡尖端的短壽命仍然是一個主要障礙。

傳統(tǒng) HDD 將數(shù)據(jù)存儲在磁性材料上，這些磁性材料使用磁性寫入磁頭改變其特性。分子 HDD 技術(shù)的工作原理是使用微小分子存儲和處理數(shù)據(jù)，這些分子在暴露于電壓時會改變其電特性。研究人員使用了 200 個自組裝的 Ru LPH 分子，這些分子排列在薄單層 （SAM） 中，其中釕離子在氧化態(tài)和離子積累態(tài)之間切換，使用導(dǎo)電原子力顯微鏡 （C-AFM） 尖端改變材料的電導(dǎo)。半徑為 25nm 的 （C-AFM） 針尖通過施加小電壓來控制這些分子變化來寫入和讀取數(shù)據(jù)，允許每個單元 96 種不同的電導(dǎo)態(tài)（6 位存儲），這有點類似于多級單元 NAND。

據(jù)研究人員稱，由于該系統(tǒng)不需要強磁場，也不需要加熱介質(zhì)，因此它以極低的讀取和寫入功耗（pW/位范圍）運行，這對于大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲可能非常有效。然而，由于科學(xué)家們設(shè)想將他們的創(chuàng)新用于基于玻璃基板的旋轉(zhuǎn)介質(zhì)的 HDD 外形尺寸，因此實際驅(qū)動器的功耗可能會與傳統(tǒng) HDD 相當(dāng)，因為電機仍然會消耗功率。

研究人員估計 SAM 層的厚度估計為 ~ 2.54nm。如果我們假設(shè)每個 Ru LPH 分子的寬度和長度相似，大約為幾納米，那么 200 個分子排列在一個緊湊的單層中，將占據(jù)大約幾十平方納米的面積（即 10-20nm 的寬度和長度）。然后，餐巾紙數(shù)學(xué)表明，每 200 個自組裝的 Ru LPH 分子存儲 6 位數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)換為大約 9.6Gbit/英寸^2（請記住，餐巾紙數(shù)學(xué)可能是錯誤的），這與 HDD 制造商對傳統(tǒng)硬盤驅(qū)動器熱輔助寫入和位模式介質(zhì) （BPM） 的期望一致。預(yù)計此類采用 HDMR 技術(shù)的 HDD 有時會在 2030 年代出現(xiàn)，每個 3.5 英寸 HDD 的容量將超過 120 TB。

雖然 HDMR 有其自身的特點（例如，使用光刻技術(shù)的完全圖案化介質(zhì)），但至少該技術(shù)被 HDD 制造商所理解，這可能會使分子 HDD 研究過時，因為當(dāng)它可能達到成熟并準(zhǔn)備好用于商業(yè)應(yīng)用時，HDMR 將進行大規(guī)模生產(chǎn)。然而，分子 HDD 技術(shù)似乎有一張王牌。

Molecular HDD 可以使用按位 XOR 運算實現(xiàn)內(nèi)置加密。這意味著系統(tǒng)可以在分子水平上安全地編碼數(shù)據(jù)，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問。這通過加密莫高窟壁畫圖像來證明，其中每個像素的信息都使用 XOR 邏輯進行轉(zhuǎn)換，然后解密。此外，Molecular HDD 可以直接在存儲單元內(nèi)執(zhí)行 AND、OR 和 XOR 等邏輯運算，從而減少對額外計算能力的需求。

盡管具有潛力，但該系統(tǒng)存在一個嚴(yán)重缺陷 - C-AFM 針尖的使用壽命短。這些尖端在間歇性使用時持續(xù)50到200小時，在連續(xù)模式下只能持續(xù)5到50小時，根據(jù)Blocks & Files的數(shù)據(jù)。這種限制使得長期、大規(guī)模的儲存應(yīng)用變得不切實際，除非可以開發(fā)出更耐用的尖端。如果這個問題得到解決，分子存儲的密度可能會達到甚至超過下一代 HDD 和存檔磁帶存儲的密度。然而，就目前而言，重大的工程挑戰(zhàn)仍然是它成為現(xiàn)有存儲方法的可行替代方案的障礙。