Чи з'являться на горизонті молекулярні жорсткі диски?

Китайські вчені розробили органічний так званий молекулярний жорсткий диск для архівування даних з багатобітовими зашифрованими молекулами, які записуються і зчитуються за допомогою атомно-силового мікроскопа.

Присвячена цій ідеї концепція представлена в статті Nature «Молекулярна логіка жорсткого диска для шифрованого зберігання масивних даних», опублікованій у лютому, і говорить, що «молекулярна електроніка вирізняється надзвичайним потенціалом для зберігання інформації надвисокої щільності та логічних додатків».

Стандартний магнітний HDD проти концепції молекулярного HDD

Основний блок HDD складається з ~200 металоорганічних комплексних молекул (OCM), розгорнутих у конфігурації моношару самозбірки (SAM). Вони зчитуються і записуються за допомогою провідного наконечника атомно-силового мікроскопа (C-AFM), радіус передньої частини якого становить 25 нм. Цифрова інформація записується шляхом зміни фізико-хімічних станів молекул, які зберігаються у вигляді їхнього окиснювально-відновного стану і стану накопичення іонів, а зчитується шляхом вимірювання крихітних бітових струмів у матеріалі.

C-AFM наконечник і схема поверхні запису

Наконечник C-AFM використовується в скануванні з високою роздільною здатністю для торкання і вимірювання висоти поверхні матеріалу в наномасштабі, а також його електропровідності. Наконечник знаходиться на кінці кантилевера та переміщається вгору і вниз у міру проходження поверхні під ним. Дзеркало на вершині кантилевера переміщується, змінюючи положення відбитого лазерного променя, спрямованого на нього, що вказує на відхилення наконечника. Відбите лазерне світло вимірюється фотодіодом.

Між наконечником і досліджуваним матеріалом прикладається напруга, і вимірюються локальні електричні струми в пікоамперах і мікроамперах.

Молекули, що несуть інформацію, виготовлені з «редокс-активного катіона перехідного металу (Rux+), органічних лігандів карбазолілтерпіридину (CTP) і терпіріділфосфонату (TPP), а також аніонів галогенів (Cl-), що дрейфують», позначених як RuXLPH.

Ліганди - це іони або нейтральні молекули, які зв'язуються з центральним атомом або іоном металу. Іон - це атом або молекула, яка втратила або набула один або кілька електронів і тому має чистий електричний заряд. Катіон - це позитивно заряджений іон, а аніон - негативно заряджений. Це означає, що окисно-відновний катіон перехідного металу - це позитивно заряджений іон перехідного металу, в цьому випадку рутенію (RU), який може набирати або втрачати електрони в окисно-відновній реакції. Вираз «Rux+» позначає позитивний заряд (+), а X вказує на стан окиснення від +2 до +8.

Ця молекула може мати до 96 станів провідності, що приблизно відповідає станам напруги в багаторівневих комірках NAND. У шестирівневій комірці NAND 6 біт і 64 стани, а у флешпам'яті гептарівня - 7 біт і 128 станів. 96 станів провідності «дають змогу зберігати щонайменше 6 біт для додатків архівування даних високої щільності». За словами дослідників, «об'єм диска, необхідний для зберігання тієї самої кількості інформації за допомогою молекулярного жорсткого диска на основі моношару RuXLPH, може бути ефективно скорочений до 16,7% (1/6) порівняно з традиційними бінарними магнітними жорсткими дисками». Це в розрахунку на одну пластину.

Можна домогтися ще більшої кількості станів провідності, що ще більше підвищить рівень бітів. Пристрій, створений дослідниками, має «наднизьке енергоспоживання в діапазоні пВт/біт».

У статті розглядається застосування шифрування до збережених даних для підвищення безпеки. Крім того, вони припускають створити нову дискету. «У майбутньому, поєднуючи продуману стратегію синтезу молекул, складання молекул за розділами та використання гнучких підкладок, молекулярні HDD можуть навіть перетворитися на дискети для портативних цифрових ґаджетів із високою щільністю і високим ступенем захисту».

За всіх переваг запропонованої концепції у неї є і низка спірних моментів, які ставлять під сумнів її реалізованість. Дійсно, дослідники відкривають перспективу створення дискової системи зберігання даних, яка за щільністю зрівняється зі стрічковими архівами або навіть перевершить їх. Однак термін служби наконечника атомно-силового мікроскопа нині вимірюється 50-200 годинами в режимі переривчастого торкання (постукування) проти 5-50 годин у режимі безперервного торкання.

Якщо не вдасться створити довговічний наконечник C-AFM, то це, видно, стане фатальним недоліком концепції молекулярного жорсткого диска.

Другий момент полягає в тому, що пристрій має «наднизьке енергоспоживання в діапазоні пВт/біт», але це для читання і запису, а не для обертання диска, яке вимагало б більше енергії.

Комп’ютерний розум: генеративний штучний інтелект у рішеннях AWS