Физики из Дельфтского технологического университета создали атомное хранилище данных
Команда специалистов из Дельфтского технологического университета (Нидерланды) создали хранилище данных, способное хранить информацию на уровне атомов. Данные можно записывать и стирать, устройство перезаписываемое. Каждый атом в хранилище представляет собой один бит информации.
Технология, принцип работы которой ученые опубликовали в авторитетном издании Nature Nanotechnology, позволяет записывать данные с очень высокой плотностью — около 500 ТБ на квадратный дюйм (6.5 см2). Теоретически такое хранилище данных в форме куба с длиной стороны в 0,1 мм может хранить все содержимое Библиотеки Конгресса США. Ученые уже продемонстрировали прототип рабочего устройства с емкостью в 1 КБ.
Физики могут работать с единичными атомами вот уже четверть века. Не новая и идея субатомного хранилища данных. Но реализация такого проекта была невозможна в силу ряда причин, одна из которых — отсутствие необходимых технологий. Кроме того, атомы большинства элементов склонны менять свое местоположение под воздействием положительных температур. Поэтому ученым потребовалось много времени для поиска подходящего материала и процесса, позволяющих идентифицировать отдельные атомы и работать с ними.
В 90-х годах группа ученых смогла выложить из 35 отдельных атомов ксенона слово «IBM». Сейчас идею развили и усовершенствовали. Вместо ксенона взяли хлор, и расположили атомы этого элемента на подложке из меди.
Ученые сформировали ячейку памяти из массива прямоугольных блоков. Размер массива — 12×12. Каждый блок содержит атомы хлора, расположенные на подложке из меди. Блоки заполнены не полностью, между атомами хлора есть пустые места. Комбинация этих пустых мест и атомов позволяет записывать данные в двоичном коде. Атомы и пустые места можно менять местами примерно так, как это делается в «пятнашках». Таким образом, записанную информацию можно менять или вовсе стирать.
Память такого типа состоит из блоков емкостью 8 байт. Каждый блок помечается собственным маркером, который позволяет идентифицировать расположение блока на медной подложке. Изменения в расположении фиксируются. Таким образом, память такого типа может быть прочитана и перезаписана в автоматическом режиме при помощи маркеров размером с атом.
У такого метода записи информации есть несколько преимуществ. Одно из них — возможность использования жидкого азота вместо жидкого гелия. В этом случае работать можно с температурой не -210°C, а -196°C. Таким образом, затраты на поддержание температуры жидкого азота несколько ниже, чем затраты на поддержание температуры жидкого гелия. Второе преимущество — высокая надежность записи данных (в сравнении с другими схожими методами). Здесь этот показатель достигает 99%.
Как считываются данные? «Промежутки» между атомами определяются при помощи мощного туннельного сканирующего электронного микроскопа. Система получает «картинку», которая анализируется и переводится в «цифру». Компьютер показывает, что именно записано в массиве атомов хлора. Если нужно перезаписать данные, дается специальная команда, и через 10 минут структура блоков и атомов меняется, в конце процесса данные можно считать записанными.
Размер опытного образца, созданного учеными — около 100 нанометров. Размер такого элемента составляет 96×126 нанометров. Атомами манипулируют при помощи иглы сканирующего электронного туннельного микроскопа.
Пока что предложенная технология далека от возможности коммерческого использования. Во-первых, дата-центрам будет сложно работать с жидким азотом. Это сложно организовать и с технической точки зрения, плюс довольно высокие затраты энергии на поддержание сверхнизких температур. Кроме того, цикл чтения или записи занимает целых 10 минут. Это очень много. Но ученые говорят, что это как раз не проблема, процесс можно ускорить до показателя в 1 мегабит в секунду.
Напомним, что корпорация IBM уже довольно давно научилась работать с отдельными атомами на медной подложке. В 2013 году наши специалисты сняли целый мультик, двигая молекулы (монооксид углерода) в нужные места. Результат — видео, получившее название «Мальчик и его атом» (A Boy and His Atom).
Каждая точка в мультике — это молекула того самого монооксида углерода, СО. Это соединение еще называют «угарным газом». Молекулы СО расположены на поверхности меди. Для увеличения используется туннельный электронный микроскоп. В рамках проделанной работы в IBM создали 242 отдельных кадра, которые и были затем преобразованы в это видео. Все объекты, по словам создателей мультика, были увеличены в 100 миллионов раз.
В работе участвовало 4 человека, на все было потрачено около 10 дней. При этом никакой автоматизации не было, все делалось вручную.
Вот так создавался мультик:
