中国研究人员展示支持100TB+容量的自加密分子HDD技术

中国研究人员已经开发出一种高密度分子存储系统，该系统使用有机分子来存储和加密数据，Blocks & Files报道。根据 Nature 的描述，使用专门的原子力显微镜记录和检索信息，该显微镜纵分子状态以存储数据。虽然该技术有可能实现超高密度存储设备，从而降低存储空间要求和功耗（例如，容量为 100TB 或更高的 HDD），但原子显微镜尖端的短寿命仍然是一个主要障碍。

传统 HDD 将数据存储在磁性材料上，这些磁性材料使用磁性写入磁头改变其特性。分子 HDD 技术的工作原理是使用微小分子存储和处理数据，这些分子在暴露于电压时会改变其电特性。研究人员使用了 200 个自组装的 Ru LPH 分子，这些分子排列在薄单层 （SAM） 中，其中钌离子在氧化态和离子积累态之间切换，使用导电原子力显微镜 （C-AFM） 尖端改变材料的电导。半径为 25nm 的 （C-AFM） 针尖通过施加小电压来控制这些分子变化来写入和读取数据，允许每个单元 96 种不同的电导态（6 位存储），这有点类似于多级单元 NAND。

据研究人员称，由于该系统不需要强磁场，也不需要加热介质，因此它以极低的读取和写入功耗（pW/位范围）运行，这对于大规模数据存储可能非常有效。然而，由于科学家们设想将他们的创新用于基于玻璃基板的旋转介质的 HDD 外形尺寸，因此实际驱动器的功耗可能会与传统 HDD 相当，因为电机仍然会消耗功率。

研究人员估计 SAM 层的厚度估计为 ~ 2.54nm。如果我们假设每个 Ru LPH 分子的宽度和长度相似，大约为几纳米，那么 200 个分子排列在一个紧凑的单层中，将占据大约几十平方纳米的面积（即 10-20nm 的宽度和长度）。然后，餐巾纸数学表明，每 200 个自组装的 Ru LPH 分子存储 6 位数据可转换为大约 9.6Gbit/英寸^2（请记住，餐巾纸数学可能是错误的），这与 HDD 制造商对传统硬盘驱动器热辅助写入和位模式介质 （BPM） 的期望一致。预计此类采用 HDMR 技术的 HDD 有时会在 2030 年代出现，每个 3.5 英寸 HDD 的容量将超过 120 TB。

虽然 HDMR 有其自身的特点（例如，使用光刻技术的完全图案化介质），但至少该技术被 HDD 制造商所理解，这可能会使分子 HDD 研究过时，因为当它可能达到成熟并准备好用于商业应用时，HDMR 将进行大规模生产。然而，分子 HDD 技术似乎有一张王牌。

Molecular HDD 可以使用按位 XOR 运算实现内置加密。这意味着系统可以在分子水平上安全地编码数据，防止未经授权的访问。这通过加密莫高窟壁画图像来证明，其中每个像素的信息都使用 XOR 逻辑进行转换，然后解密。此外，Molecular HDD 可以直接在存储单元内执行 AND、OR 和 XOR 等逻辑运算，从而减少对额外计算能力的需求。

尽管具有潜力，但该系统存在一个严重缺陷 - C-AFM 针尖的使用寿命短。这些尖端在间歇性使用时持续50到200小时，在连续模式下只能持续5到50小时，根据Blocks & Files的数据。这种限制使得长期、大规模的储存应用变得不切实际，除非可以开发出更耐用的尖端。如果这个问题得到解决，分子存储的密度可能会达到甚至超过下一代 HDD 和存档磁带存储的密度。然而，就目前而言，重大的工程挑战仍然是它成为现有存储方法的可行替代方案的障碍。