12-26 22:57:21 浏览次数:419次 栏目：电脑硬件知识
镜（AFM-atomic force microscope）在内的高精度实验设备，它们在实验室中成功证明了探针存储的原理可行性。以区域发射探针作为数据的读写头，借助扫描隧道显微镜和原子力显微镜实现了原子尺度的寻址操作—如果要实现数据写入，只要给区域发射探针施加电压，探针尖就会发射出一束电子到指定的区域上，这束电子将对目标位置的原子群产生加热效应，使之从一种状态变成另外一种状态（如从无晶态到结晶态），这样就实现了二进制数据的写入操作。而如果要将数据读取出来，探针可通过检测目标原子群的一些电相关特征值（如电阻），由此产生对应的反激电流，数据就这样被成功读取。
相比全息技术和蛋白质存储，探针存储目前还停留在概念阶段，距离实际原型产品仍然相当遥远，未来还有大量的问题需要解决。例如要找到一种可在室温下保持稳定、且具一定温差耐受力的存储材料，该种材料同时要求具有两个明显的状态；工作部件要求在真空或受控的环境下，以减少电子散失和数据点之间的热流动，确保数据安全可靠；存储器件必须同计算机的电子电路集成在一起，实现与计算机系统的协作。不过最大的麻烦也许是速度问题，探针存储的速度非常缓慢，性能水平甚至还远落后于现在的硬盘，这将成为其实用化的最大挑战。
Millipede存储器的工作原理示意：读写头阵列通过加热灼烧方式记录数据，并通过存储介质作X-Y方向的平面运动实现寻址
相比之下，IBM的Millipede技术是一个更现实的方案。在基本原理上，Millipede与研究中的探针存储有些类似，都是在纳米尺度对存储介质进行加热烧熔来记录数据，但二者的实现方式截然不同。Millipede存储器有一个特殊的读写头阵列，该阵列由32×32个独立的读写头构成，读写头最尖端的直径只有10纳米，相当于头发丝粗细的万分之一，其对应的存储介质则是一种由双层有机材料薄膜和硅基层联合构成的多层结构。如果要写入数据，读写头的尖端会在几毫秒时间内被加热电阻快速加热到400摄氏度高温，同时读写头向下运动接触到存储介质的有机材料薄膜表面，瞬间即灼烧出一个直径 10纳米的凹坑—每个凹坑都代表一个二进制数据。若要将数据读取出来，只要将读写头插入到这些数据凹坑，接着读写头尖端被加热电阻加热到300摄氏度左右，此时便可在不破坏凹坑结构的条件下将数据读出。另外，为了实现数据的寻址，Millipede采用一种读写头阵列固定，存储介质则以一定的频率和振幅作“X-Y”方向的平面移动。
相对而言，Millipede的存储密度比探针存储要小一些，它可以在1平方英寸（约6.45平方厘米）大小的芯片上获得125GB的数据容量，密度达到现有硬盘技术的十几倍之多。只要加大存储器的面积或采用立体结构，实现1TB以上的大容量完全可能。此外，Millipede也具有探针存储技术低能耗的优点，在非工作状态下无需消耗能源，很适合用于移动设备中。但不幸的是，尽管以读写头阵列实现并行工作，Millipede存储器还是无法摆脱读写速度慢的缺陷，这也是IBM未来的技术重点。
在实用化研究方面，Millipede远远超越还停留在原理实验阶段的探针存储。早在2002年，IBM就拿出Millipede存储器原型，从外观上看它只是一枚小小的芯片，存储密度达到每平方英寸400Gb，速度仅有可怜的32Kbps。IBM表示，Millipede技术在未来十年内可能都不会投入到实际应用中，它更多是作为一种前瞻性的基础研究，一旦该系统能得到完善将产生巨大的影响力。
图6：IBM Millipede存储器芯片类型
结语：尽管都存在不同程度的困难，但以全息存储、蛋白质存储、探针存储/Millipede、多层光盘为代表的新概念存储技术都努力朝向实用化迈进。与其它应用型技术不同，这些前卫的存储技术都是从零起步，提出最基本的原理，科研人员在实验室中证明其可行性之后才能进入到原型样品的研究，并一一解决凸现出的大量技术难题。最后，才是考虑如何进入批量生产阶段。当这些工作都完成之后，上述技术才可能真正从概念走入现实。然而，这其中的每一个环节都需要耗费大量的精力和漫长的时间，几乎没有多少企业愿意在一种不确定的技术上“浪费时间”，大学实验室和一些科研机构往往承担起这个职责，在某项技术可获得预期实用化之后企业才会跟进。由于每一种概念技术的研究都极具挑战性，在研究过程中往往会出现许多戏剧化的转折，以全息存储为例，早在上个世纪70年代人们就试图让其进入实用，但在实验室研究多年之后依然没有突破性进展，导致人们对它的可行性提出广泛质疑，美国政府干脆就放弃了对该项目的赞助。峰回路转，InPhase 公司的卓越成就让全息存储获得飞跃，它也由此成为最早可进入应用阶段的“概念存储技术”，并极有机会完全代替硬盘、成为计算机的主力存储系统。相比之下，蛋白质存储、探针存储就没那么幸运，它们都停留在原理论证和实验原型的设计阶段，距离实用尚有非常遥远的距离。IBM的Millipede固然是领先一步，但它仍然存在巨大的技术难题需要解决，估计10年之内都无法付诸实用。
让我们一起见证计算存储技术的下一次飞越！
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