[本周存储特写]

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《无论如何也想不到的存储技术》 文 / DOSTOR原创 崔昊

大约在52年前，一块硬盘由50个24英寸盘片组成，重量足以让人打消带着这块硬盘走来走去的念头，而其存储容量有多少呢？是令人惊奇的5MB——对于64k内存时代来说，5MB确实是一个极为令人惊奇的存储容量，而对于我现在使用的笔记本电脑来说，也是一个令人惊奇的数据，因为我的硬盘有160个GB，相当于差不多三万倍。又过了17个年头，IBM研制成功了一种新型的硬盘IBM 3340。这种硬盘拥有几个同轴的金属盘片，盘片上涂着磁性材料。它们和可以移动的磁头共同密封在一个盒子里面，磁头能从旋转的盘片上读出磁信号的变化--这就是我们今天是用的硬盘的祖先，IBM把它叫做温彻斯特硬盘——我不打算披露这块硬盘的存储容量，不仅因为我们在Google上可以随时查到——从这个角度上看起来，我有些多此一举，而是因为，我不想让你的心脏再次经受一次小小的刺激。

今天，尽管我们的硬盘能够储存数十甚至上百GB的信息，它们的实质与1973年IBM发明的温彻斯特硬盘没有区别。那个盛有高速旋转的碟子的方盒，仍然是快速大量存取数据的最好选择。不过，大量的未来技术正在提醒我们，这样的生活或许会在不远的将来改变，因为我们现在看到了太多新奇的存储技术。

在此，我们将一一为大家介绍。

Racetrack：IBM颠覆自己

IBM研究部发明过诸多颠覆业界规则的技术，包括内存芯片、硬盘驱动器和关系数据库等，因此，对于开拓因探测性研究而产生的全新市场十分熟悉，现在，他们又打算做些颠覆性的工作了。

今年4月，IBM的研究员斯图尔特帕金（StuartParkin）及其同事在当月的《科学》杂志上发表了他们的最新研究成果，他们介绍了一种新的存储设备，并预计将在10年内问世，这种存储设备拥有闪存芯片一样的运行速度和效率，但容量高于普通的传统磁盘片，而且价格比传统磁盘片低廉得多。

在将近15年的时间里，科学家们一直探索在磁畴壁（magnetic domain wall）内存储信息的可能性，磁畴壁是磁性材料内不同磁域（或"畴"）之间的界面。目前，控制磁畴壁十分复杂且花费不菲，并且需要耗费大量的能量来产生实现这一切所需的电场，而IBM的技术基于磁移位寄存器的基本理念，利用自旋动量转移现象来移动一系列紧密相连的磁畴壁，从而存储大量数据。

未来这款存储产品的开发代号为"Racetrack"，它的容量密度达到了目前硬盘技术的100倍以上，其核心技术将用比人的头发丝细10000倍的纳米线来实现记录和检索数据——无论是内存还是硬盘未来可能都会应用这项技术。

除此以外，以浦项理工大学教授金光洙为首的研究小组研制出的一种新型自旋阀设备能有效加强对单层石墨纳米带中磁场的控制，这是一种能够使存储设备在体积变小的同时储存更多数据的新技术。我们相信，这也是一项未来很有可能成功的技术。

气体、细菌和蛋白质也能存储数据？

前几天，以色列的科学家称，他们成功地在原子蒸气上实现了图像存储，尽管存储的时间只有短短的30微秒，但这是人类首次成功地利用气体充当存储媒介。这些以色列的科学家们，利用特殊方法来捕获、存储和恢复复杂的三维光场，并在一束光脉冲中将一幅图片减速到每秒8000米的群速度。这一群速度使得图片能够存储于原子状态的气体之中长达数微秒之久。

在存储期间，整个实验系统中没有任何光场。光线携带的所有信息被转换为气体中所有原子的量子态。如果能够很容易地检测出原子的量子态的稳定水平，人们将能够看到一幅鲜明的"图像"存在于该气体之中。

气体存储图像的技术，将在图像处理及相关领域有着广泛的应用。科学家们预测，利用这种方法将可能存储更为清晰的图像，包括即时图像或电影等数据。当然，这种光存储技术并不仅仅局限应用于图像存储方面。

与此同时，更不可想象的另一种技术也在发展之中，日本的分子生物学家已经成功地把“E = mc21905！”（爱因斯坦的相对论及他阐明该理论的那一年）编码到枯草杆菌这种常见的土壤细菌里面。

去年7月，日本庆应大学一个研究小组开发出一种可长期保存数据的新技术：利用活细菌替代磁盘和光盘等存储媒介，从而将数据保存数百年甚至数千年时间。将信息编成密码并植入细菌的基因组，它们将永久性地得以保存并复制下去。

这群“疯狂”的科学家相信，在某些极端情况下，细菌就显出它的优势了。比如当遇到毁灭性的核灾难时，一些信息基础设施（光盘、硬盘）都会因辐射和大火而瘫痪或毁灭。如果提前把关键的援救信息植入到某些细菌（如耐辐射球菌）里面，人类就会获得拯救。

美国的科学家却比较相信蛋白质的存储功能，美国康涅狄格州大学的研究人员发现，通过使用激光在微生物蛋白上刻蚀数据，可制造一种可擦除的全息存储器。研究人员将他们的全息存储系统构建在重新处理过的蛋白质上，这些蛋白质由盐沼中常见的像细菌一样的有机体构成。用蓝光照射就可以擦除蛋白质上存储的所有数据。

做为全息系统的一部分，这种蛋白质悬浮在一种高分子凝胶中。绿色激光束分成两部分，其中一束对数据进行编码。激光束调制凝胶，用干涉图样印记在蛋白质上来存储数据。读取数据时，系统发出一个单一的、低功率的红色激光束回溯干涉图样。蓝色激光用来擦除数据。

Longmont全息技术公司营销副总裁莉斯证实，全息存储设备每平方英尺可存储高达500GB的数据，一些产品即将完成。它至少具备一个优点就是可重复擦写，这在现有的媒体存储设备中并不常见。不过美中不足的是写入需要红色光，而擦除则是蓝光。

从CD，蓝光/HD-DVD技术的发展来看--"存储密度增加是伴随着波长的减小"。因此采用红色波作为写入光的全息存储存在局限性。这一点降低了它在高密度数据存储应用上的吸引力。

纳米与单原子：只有更小

有趣的是，我们又在“没有最小，只有更小”的存储技术里面看到了IBM的身影。

很可惜的是，即使是当今存储密度最高的硬盘，要想保存一比特的信息也需要大约100万个磁性原子，而位于加州圣何塞的IBM Almaden研究中心已经成功地在一个单独的原子上保存了一比特信息。 与此同时，IBM苏黎世研究实验室则拿出了分子开关，有望取代当今的硅芯片技术制造超微型的处理器，一台超级计算机的体积也许只会相当于一粒尘埃。

IBM称，单原子存储技术实用后可以得到超高密度的存储设备，至少相当于目前硬盘的1000倍，可以在一部iPod的体积内存储3万部全尺寸电影。

IBM Almaden研究中心扫描隧道显微镜实验室主管Andreas Heinrich介绍说："我们已经可以测量出单个磁原子具有同样的(磁各向异性)属性，然后让另一个原子靠近它，看看对(第一个原子的)磁各向异性有何影响，由此开发出一种具备超高存储密度的新型材料。"

不过有一群科学家显然还不太满意，要知道，1纳米“只是”1米的十亿分之一，才相当于45个原子排列起来的长度。

去年夏天，美国布朗大学和Sandia国家实验室的科学家公布了几种制造铁铂纳米棒和纳米线的新方法。使用这些方法合成的新型纳米粒子，能够显著增加未来几代以磁技术为基础的计算机硬盘的数据存储空间。这些材料使制造更密集磁介质成为可能，而且，使用这些新材料生产出的设备将可能不再受到常规磁存储技术所遇到的限制。

磁介质将信息存储在由磁性一致的钴、铂和铬合金制造的粒子组成的细小扇区上。要想在更小的空间中存储更多信息，制造商需要将扇区做得更小。但问题是，如果进一步缩小传统材料制造的粒子，那么它们就会在室温下失去磁性方向，进而损坏存储的数据。 要继续增加存储容量，以便存储更多的歌曲、电影和其他多媒体文件，就必须寻找新材料。铁铂材料非常重要，因为它在纳米级别能保持磁性，即这种材料的纳米棒和纳米线能够在受控的情况下保持极性一致，每个粒子都指向同一个方向。如果铁铂粒子能够按照要求的规格制造，就可以用作磁介质，而且能使存储密度提高到原来的10倍。

希捷公司最新的SOMA技术可以使磁颗粒的直径缩小到3nm，实现未来高达每平方英寸50TB的惊人存储密度。磁颗粒在制造过程中可自主整齐排列，不会杂乱无章。铁铂就是新一代的磁存储材料，是铁元素和铂元素的结合体。它的特点是在高温条件下可以保持很好的磁性，并且表面均匀、排列整齐，制造上比较容易实现。由于不需要再考虑超级顺磁的影响，理论上铁铂颗粒的尺寸可以进一步缩小。如果铁铂颗粒的直径缩小到6nm，那么硬盘的存储密度就可以达到每平方英寸20TB，达到现有硬盘存储密度的200倍；而如果该直径缩小到3nm，那么硬盘的存储密度将达到惊人的每平方英寸50TB，相当于单碟60TB的超级容量。 

昊观存储：

单碟60TB？你是否想象过这样的“恐怖的”数据存储能力？估计当这个技术实现之后，谈及我的GB级硬盘，应该就像现在我们讨论5MB的世界上第一款硬盘一样让人吃惊。虽然人们总是对于这些前瞻科技有些不知可否，或者没有太大的兴趣，但是我们却觉得，我们有必要对这些可能会再次改变我们生活的技术和他们的发明人表示敬意，或许，在几年之后，我们就能够默默的享受到这些技术带来的好处——因为，我们越来越生活在一个数据的海洋和信息的社会之中了。

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