Ученые создали прототип первого в истории науки «атомного» накопителя данных

Учёные из Дельфтского технологического института (Kavli Institute of Nanoscience) в Нидерландах, сумели создать уникальный накопитель данных 20 июля 2016, 11:51
Учёные из Дельфтского технологического института (Kavli Institute of Nanoscience) в Нидерландах, сумели создать уникальный накопитель данных, каждый бит информации в котором кодируется на уровне атомов. Это значит, что в 1 квадратном дюйме таких ячеек можно будет заключить до 502 терабит информации, а в чипе, размером с почтовую марку — все книги, написанные человечеством за всю историю его существования. О новой разработке и открывающихся в этой связи перспективах мы расскажем в нашей сегодняшней публикации.
Согласно данным статистики, предоставленной специалистами компании IBM, ежесуточный объем информации, сохраняемой человечеством на различных носителях составляет 2.5 миллиона терабайт. Сами накопители занимают достаточно много места и потребляют массу энергии. С другой стороны, выраженная тенденция к миниатюризации электронных схем и компонентов на основе кремния и определенные объективные технологическике трудности, возникающие на пути решения этой задачи активно стимулируют ученых на поиск альтернативных способов и средств хранения информации. Так, к примеру, совсем недавно специалисты из Microsoft сумели использовать для этой цели молекулы ДНК, закодировав в цепочке 200 мегабайт данных. И теперь свой альтернативный способ предложили голландские физики.

Впервые идея записи информации с помощью отдельных атомов родилась у физика Ричарда Фейнмана и озвучена на лекции «There's Plenty of Room at the Bottom» в 1959 году. К сожалению, технологии того времени не позволили претворить теорию в реальность. Сделать это при помощи сканирующего туннельного микроскопа (scanning tunneling microscope, STM), реализующего эффект квантового туннелирования ученым удалось в наши дни. 

Физикам из Института нанонаук Кавли (Дельфт, Нидерланды) удалось создать самое компактное средство хранения информации, каждый бит в котором кодируется местоположением одного атома хлора. Емкость устройства-прототипа пока что невелика и составляет всего один килобайт. Но расчетная плотность записи, составляющая 502 терабит на квадратный дюйм, превосходит аналогичный показатель традиционных твердотельных накопителей на три порядка, что позволяет записать все написанные человечеством книги на одной почтовой марке, отмечается в публикации на страницах Nature Nanotechnology.
«Представьте себе пятнашки. Каждый бит можно задать двумя позициями, используя два атома меди и один атом хлора, который возможно перемещать между этими позициями. Если атом хлора расположить в верхней позиции, а «дырку» — под ним, то такая комбинация может быть принята за единицу. Обратное местоположение — ноль», — поясняет руководитель проекта Сандер Отте (Sander Otte). Очень важно, что вакансии хлора оказываются стабильными при температурах ниже 77К, сохраняя возможность расширения до крупномасштабной атомной сборки в соответствии с поставленными целями.
«Атомная» память состоит из блоков по восемь байт каждый (64 бита). Каждый блок помечен собственным маркером, функционирующим подобно миниатюрному QR-коду. Маркер идентифицирует точное местоположение блока на медной поверхности подложки и доносит информацию о любых изменениях. Таким образом, реализуя возможность сохранения информации с поверхностной плотностью 502 терабит на квадратный дюйм память может быть прочитана и переписана автоматически с помощью маркеров атомарных размеров. 
На сегодняшний день исследователи сумели структурировать атомную решётку размером менее 100 нанометров, закодировав на ней всего 1 кбайт данных (8000 бит). Размер логического элемента составляет 96 на 126 нанометров, что приблизительно в 800 раз меньше площади сечения человеческого волоса. Манипуляция атомами в процессе формирования элемента осуществлялось при помощи иглы сканирующего туннельного микроскопа. Концы строк и отдельных файлов помечались определенными комбинациями атомов. 

Задачи, которые предстоит решить

Слабое звено новой технологии хранения данных — повышенная требовательность к внешним условиям. На сегодняшний день для поддержания требуемой функциональности устройство должно быть помещено в вакуум при температуре жидкого азота 77К (273 — 77 = минус 196 градусов по Цельсию). При превышении этого температурного порога сохранность данных оказывается под вопросом. Наконец, большую работу предстоит проделать и для увеличения скорости перезаписи крошечных блоков, на что нынешнее технологическое решение требует до нескольких минут.

Другая проблема, которую предстоит решить ученым — обеспечить возможность контролируемой интеграции отдельных функциональных атомов в пределах протяженных, масштабируемых атомных цепей. 

Ясно, что предсказать день и даже год появления коммерческих накопителей с описанными возможностями на прилавках сетевых магазинов электроники пока невозможно. Но, судя по темпам внедрения технологий, доказавших свою жизнеспособность и перспективных в коммерческом отношении, возможно, мы станем свидетелями этого события уже в обозримом будущем.