中國(guó)研究人員展示支持100TB+容量的自加密分子HDD技術(shù)

中國(guó)研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種高密度分子存儲(chǔ)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用有機(jī)分子來(lái)存儲(chǔ)和加密數(shù)據(jù)，Blocks & Files報(bào)道。根據(jù) Nature 的描述，使用專(zhuān)門(mén)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(chǔ)數(shù)據(jù)。雖然該技術(shù)有可能實(shí)現(xiàn)超高密度存儲(chǔ)設(shè)備，從而降低存儲(chǔ)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(gè)主要障礙。

傳統(tǒng) HDD 將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁性材料上，這些磁性材料使用磁性寫(xiě)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(chǔ)和處理數(shù)據(jù)，這些分子在暴露于電壓時(shí)會(huì)改變其電特性。研究人員使用了 200 個(gè)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(guò)施加小電壓來(lái)控制這些分子變化來(lái)寫(xiě)入和讀取數(shù)據(jù)，允許每個(gè)單元 96 種不同的電導(dǎo)態(tài)（6 位存儲(chǔ)），這有點(diǎn)類(lèi)似于多級(jí)單元 NAND。

據(jù)研究人員稱(chēng)，由于該系統(tǒng)不需要強(qiáng)磁場(chǎng)，也不需要加熱介質(zhì)，因此它以極低的讀取和寫(xiě)入功耗（pW/位范圍）運(yùn)行，這對(duì)于大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可能非常有效。然而，由于科學(xué)家們?cè)O(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(shí)際驅(qū)動(dòng)器的功耗可能會(huì)與傳統(tǒng) HDD 相當(dāng)，因?yàn)殡姍C(jī)仍然會(huì)消耗功率。

研究人員估計(jì) SAM 層的厚度估計(jì)為 ~ 2.54nm。如果我們假設(shè)每個(gè) Ru LPH 分子的寬度和長(zhǎng)度相似，大約為幾納米，那么 200 個(gè)分子排列在一個(gè)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(zhǎng)度）。然后，餐巾紙數(shù)學(xué)表明，每 200 個(gè)自組裝的 Ru LPH 分子存儲(chǔ) 6 位數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)換為大約 9.6Gbit/英寸^2（請(qǐng)記住，餐巾紙數(shù)學(xué)可能是錯(cuò)誤的），這與 HDD 制造商對(duì)傳統(tǒng)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器熱輔助寫(xiě)入和位模式介質(zhì) （BPM） 的期望一致。預(yù)計(jì)此類(lèi)采用 HDMR 技術(shù)的 HDD 有時(shí)會(huì)在 2030 年代出現(xiàn)，每個(gè) 3.5 英寸 HDD 的容量將超過(guò) 120 TB。

雖然 HDMR 有其自身的特點(diǎn)（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(huì)使分子 HDD 研究過(guò)時(shí)，因?yàn)楫?dāng)它可能達(dá)到成熟并準(zhǔn)備好用于商業(yè)應(yīng)用時(shí)，HDMR 將進(jìn)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(yùn)算實(shí)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(fǎng)問(wèn)。這通過(guò)加密莫高窟壁畫(huà)圖像來(lái)證明，其中每個(gè)像素的信息都使用 XOR 邏輯進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后解密。此外，Molecular HDD 可以直接在存儲(chǔ)單元內(nèi)執(zhí)行 AND、OR 和 XOR 等邏輯運(yùn)算，從而減少對(duì)額外計(jì)算能力的需求。

盡管具有潛力，但該系統(tǒng)存在一個(gè)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(shí)持續(xù)50到200小時(shí)，在連續(xù)模式下只能持續(xù)5到50小時(shí)，根據(jù)Blocks & Files的數(shù)據(jù)。這種限制使得長(zhǎng)期、大規(guī)模的儲(chǔ)存應(yīng)用變得不切實(shí)際，除非可以開(kāi)發(fā)出更耐用的尖端。如果這個(gè)問(wèn)題得到解決，分子存儲(chǔ)的密度可能會(huì)達(dá)到甚至超過(guò)下一代 HDD 和存檔磁帶存儲(chǔ)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(chǔ)方法的可行替代方案的障礙。