Пользователи компьютеров все чаще предпочитают использовать твердотельную память в качестве основного устройства хранения данных. Многие прогнозируют постепенный отказ от жёстких дисков в пользу мощных флешек. Однако существует несколько разработок, которые в ближайшее десятилетие могут полностью изменить ситуацию в сфере хранения данных.
Учёные из университета Лидса (Великобритания) и Токийского университета агрикультуры и технологий придумали, как сделать «живой» жёсткий диск. Они нашли определенный вид бактерий, которые поглощают железо, преобразуют его в магнетит — один из наиболее сильных магнитов в природе — и используют его для ориентации в пространстве с помощью магнитного поля Земли. Учёные смогли выделили белок, отвечающий за преобразование железа в магнетит, и решили применить его для создания магнитного паттерна. Для этого на покрытый золотом субстрат в шахматном порядке наносятся вещества, связывающие и отталкивающие белок, затем он опускается в белок, и, наконец, в раствор железа, который покрытые белком «клетки» превращают в магнетит.
Таким образом, получается сетка, где каждая клетка может хранить один бит информации. К сожалению, размер клетки сейчас получается 20 микрометров, или 20 тысяч нанометров. При том, что в современных жестких дисках размер магнитных доменов составляет 10 нанометров, такая плотность записи явно недостаточна, чтобы составить конкуренцию обычному жесткому диску. Впрочем, учёные намерены уже в ближайшее время протестировать варианты с клетками 20 нанометров. Идеальная же цель проекта — отработать процесс так, чтобы можно было создавать сетку, где один бит информации будет передаваться одной молекулой магнетита: тогда плотность записи будет составлять примерно 1 терабайт на квадратный дюйм — больше, чем любой доступный сейчас жёсткий диск.
Будет ли возможно производить чтение и запись подобных систем, не знают даже сами создатели — сейчас информацию считывают сканирующим туннельным микроскопом. Предстоит ещё очень много работы, прежде чем эта технология станет коммерчески выгодной. Между тем, производители традиционных систем хранения данных уже вплотную приблизились к «заветной» цифре 1 терабайт на дюйм.
В конце марта 2012 года Seagate, крупнейшая в мире компания по производству жёстких дисков, представил рабочий образец диска с плотностью записи 1 терабайт на дюйм, работающего по технологии термоассистируемой магнитной записи (HAMR). Размер магнитной области, хранящей один бит информации — это основной фактор, ограничивающий плотность записи жёсткого диска. При достижении некоего минимального размера бита, появляется супермагнитный эффект — магнетизм начинает воздействовать на соседние биты, и может вызвать их спонтанную переориентацию, и как следствие, потерю данных.
Некоторые материалы, например, железо-платиновый сплав, позволяют записать один бит информации на гораздо меньшей площади без возникновения супермагнитного эффекта, но для того, чтобы изменить их магнитную ориентацию, им требуется нагрев. Здесь-то на помощь и приходит термоассистируемая запись. К считывающей головке жёсткого диска добавляется лазер, который при записи нагревает необходимое место на диске, а при считывании головка работает как у обычного диска. С помощью этой технологии Seageate рассчитывает в ближайшее время выпустить 3.5-дюймовый жёсткий диск ёмкостью 6 терабайт и 2.5-дюймовый — емкостью 2 терабайта, при максмальной на сегодняшней день ёмкости 3.5-дюймовых дисков в 3 терабайта и 2.5-дюймовых — 750 гигабайт. Инженеры компании считают, что плотность записи в будущем можно будет увеличить до 10 терабайт на дюйм — это будет означать 60-терабайтные жёсткие диски для настольных компьютеров.
Однако и такая плотность записи — не предел. Международная команда учёных, среди которых есть и представители Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе Российской академии наук, в феврале 2012 года продемонстрировала революционную технологии записи информации с помощью лазера, работающую в 200 раз быстрее, чем магнитная.
Исследователи открыли, что возможно менять полярность определенного магнита с помощью короткого лазерного импульса. Вместо обычного ферромагнитного материала и магнитной головки, как в жёстких дисках, в их системе используются особые ферримагнитные «нано-островки» из сплава железа и гадолиния, которые облучаются 60 фемтосекундным лазером. Эти «нано-островки» меняют свою полярность (то есть записывают один бит информации) за 5 пикосекунд, или за 0.005 наносекунд, тогда как для жёсткого диска та же операция занимает 1 наносекунду. Больше того, их маленький размер позволяет записать больше 6 терабайт на дюйм. К сожалению, инженеры пока не придумали эффективного способа считывать информацию — у «островков» нет магнитного поля, поэтому сейчас приходится использовать сканирующий туннельный микроскоп. Но если задачу считывания удастся решить, то лазерные системы смогут составить серьезную конкуренцию жестким дискам и твердотельной памяти, особенно в промышленных условиях.
Самым реальным будущим конкурентом флеш-памяти на данный момент является фазовая память (Phase-Change Memory, или PCM). Принцип её работы основан на том, что халькогенидовый сплав из германия, сурьмы и теллура, обычно аморфный, под воздействием тепла приобретает кристаллическую структуру и начинает проводить ток. Эти изменения проводимости легко зарегистрировать — а соответственно с их помощью можно хранить информацию. Больше того, последние исследования учёных из университета Джона Хопкинса показали, что если прикладывать к халькогениду давление алмазным инструментом, то можно достичь больше, чем два состояния: не только аморфное и кристаллическое, но и переходные между ними этапы с разной степенью электропроводности. Таким образом, существует теоретическая возможность значительно увеличить и без того высокую плотность записи на PCM-устройства.
Скорость чтения и записи прототипов фазовой памяти достигает 1,1 гигабайта в секунду и 371 мегабайт в секунду соответственно — значительно быстрее, чем флеш-память. Компания IBM, в том числе занимающаяся разработками PCM-памяти. одним из главных достоинств считает жизненный цикл: фазовая память может выдержать пят миллионов циклов перезаписи, против 100 тысяч циклов у флэш-памяти. Это особенно важно для промышленного применения.
Все перечисленные проекты еще достаточно далеки от выхода на рынок. Самые большие шансы выйти первым, пожалуй, у HAMR-дисков, но сложно предсказать, как использование лазеров скажется на цене и энергопотреблении. Проекты же лазерной и «бактериальной» записи вряд ли стоит ждать в ближайшее время: до тех пор, пока не придумано способа считывать с них данные, а сканирующие туннельные микроскопы занимают целую комнату, эти технологии будут скорее фантастикой.
