פתיחת סודות הנתונים הנצחיים עם סיליקון קרביד

צוות מציג נתיב חדש לאחסון נתונים ארוך טווח המבוסס על פגמים בקנה מידה אטומי.

עם התפתחות האינטרנט, המדיה החברתית ומחשוב הענן, כמות הנתונים שנוצרת ברחבי העולם על בסיס יומי מרקיעה שחקים. זה דורש טכנולוגיות חדשות שיכולות לספק צפיפות אחסון גבוהה יותר בשילוב עם ארכיון נתונים מאובטח לטווח ארוך הרבה מעבר ליכולות של התקני אחסון נתונים מסורתיים. צוות מחקר בינלאומי בראשות ה הלמהולץ-מרכז דרזדן-רוסנדורף (HZDR) מציעה כעת קונספט חדש של אחסון נתונים לטווח ארוך המבוסס על פגמים בקנה מידה אטומי בסיליקון קרביד, חומר מוליך למחצה. פגמים אלה נוצרים על ידי אלומת יונים ממוקדת, המספקת רזולוציה מרחבית גבוהה, מהירות כתיבה מהירה ואנרגיה נמוכה לאחסון סיביות בודדת, כפי שהצוות מדווח ביומן חומרים פונקציונליים מתקדמים.

ההערכות האחרונות מניחות בסביבות 330 מיליון טרה-בייט של נתונים חדשים שנוצרים בכל יום, כאשר 90 אחוז מהנתונים בעולם נוצרו בשנתיים האחרונות בלבד. אם המספרים העצומים כבר מצביעים על הצורך בטכנולוגיות מתקדמות לאחסון נתונים, זו בהחלט לא הבעיה היחידה הקשורה להתפתחות זו. "זמן האחסון המוגבל של מדיית האחסון הנוכחית דורש העברת נתונים תוך מספר שנים כדי למנוע אובדן נתונים. מלבד היותו לכוד בהליכי העברת נתונים תמידיים, זה מגדיל באופן משמעותי את צריכת האנרגיה, מכיוון שכמות משמעותית של אנרגיה נצרכת בתהליך", אומר ד"ר ג'ורג'י אסטחוב מהמכון לפיזיקה של אלומת יונים וחקר חומרים ב-HZDR.

כדי למתן את המשבר הממשמש ובא זה, הצוות של אסטחוב מציג כעת קונספט חדש של אחסון נתונים לטווח ארוך המבוסס על פגמים בקנה מידה אטומי בסיליקון קרביד. פגמים אלו נגרמות על ידי קרן ממוקדת של פרוטונים או יוני הליום ונקראים באמצעות מנגנוני הארה הקשורים לפגמים.

התקני אחסון מסורתיים המונעים על ידי הפיזיקה

נכון לעכשיו, זיכרון מגנטי הוא הבחירה העיקרית בכל הנוגע לפתרונות אחסון נתונים המכוונים ליכולות גדולות, בעוד שחוקי הפיזיקה מציבים את הגבולות לצפיפות האחסון הניתנות להשגה. כדי להגדיל אותם, גודלם של החלקיקים המגנטיים חייב להתכווץ. אבל אז, תנודות תרמיות ותהליכי דיפוזיה בחומר מקבלים חשיבות, עם השפעה מתדרדרת על זמן האחסון. כוונון תכונות מגנטיות של החומר עשוי לדכא את האפקט הזה, אבל זה מגיע עם תג מחיר: אנרגיה גבוהה יותר לאחסון מידע. באופן דומה, הביצועים של מכשירים אופטיים מסוכלים גם על ידי חוקי הפיזיקה. בשל מה שנקרא מגבלת עקיפה, סיבית ההקלטה הקטנה ביותר מוגבלת בגודלה: היא לא יכולה להיות קטנה יותר ממחצית אורך גל האור, מה שמגדיר את הגבול של קיבולת האחסון המקסימלית. הדרך החוצה היא הקלטה אופטית רב מימדית.

סיליקון קרביד כולל פגמים בקנה מידה אטומי, במיוחד היעדר אטומי סיליקון באתר הסריג. הפגמים נוצרים על ידי קרן פרוטון או הליום ממוקדת, המספקת רזולוציה מרחבית גבוהה, מהירות כתיבה מהירה ואנרגיה נמוכה לאחסון סיביות בודדת. "מגבלת העקיפה של צפיפות האחסון הטבועה במדיה אופטית חלה גם במקרה שלנו. אנחנו מתגברים על זה על ידי סכימות קידוד 4D. כאן, שלושת הממדים המרחביים ומימד עוצמה רביעי נוסף מתממשים על ידי שליטה על המיקום והעומק לרוחב, כמו גם על מספר הפגמים. לאחר מכן אנו קוראים באופן אופטי את הנתונים המאוחסנים באמצעות פוטו-לומינסנציה המעוררת על ידי עירור אופטי. יתרה מזאת, ניתן לשפר באופן משמעותי את צפיפות האחסון השטחית באמצעות עירור ממוקד של אלומת אלקטרונים הגורמת לקתודו-לומיננסנציה ניתנת לצפייה," אסטחוב מדגיש כמה מאפיינים בולטים של השיטה שלו.

אחסון נתונים לדורות

המידע המאוחסן עלול להישמט שוב ​​מהפגמים, בהתאם לתנאי הסביבה שבהם המדיום נשמר, אבל למדענים יש חדשות טובות בהתחשב בחומר שלהם: "השבתה תלוית הטמפרטורה של הפגמים הללו מעידה על זמן שמירה מינימלי לאורך זמן. כמה דורות בתנאי סביבה", אומר אסטחוב. ויש עוד. עם עירור לייזר קרוב לאינפרא אדום, טכניקות קידוד מודרניות ואחסון נתונים רב-שכבתי, כלומר הערמה של עד עשר שכבות סיליקון קרביד זו על גבי זו, הצוות מגיע לצפיפות אחסון שטחית המתאימה לזו של תקליטורי Blu-ray. מעבר לעירור קרן אלקטרונים במקום עירור אופטי עבור קריאת הנתונים, הגבול שניתן להשיג באופן זה תואם לצפיפות אחסון שטחי שיא המדווחת כרגע של סרט מגנטי, אשר עם זאת, זמן אחסון קצר יותר וצריכת אנרגיה גבוהה יותר .

לעבודה זו, המדענים רוסנדורף איחדו כוחות עם חוקרים מאוניברסיטת יוליוס-מקסימיליאן וירצבורג (גרמניה), מעבדת הנעה סילון, המכון הטכנולוגי של קליפורניה (ארה"ב), המכונים הלאומיים למדע וטכנולוגיה קוונטית (יפן), ואוניברסיטת טוהוקו (יפן) . הגישה הרעיונית של הצוות אינה מוגבלת לסיליקון קרביד וניתנת להרחבה לחומרים אחרים עם פגמים פעילים אופטית, כולל חומרים דו מימדיים.