Warum herkömmliche Speicher nicht mit KI Schritt halten können: Der Fall für mechanische Datenspeicherung

Heute fortschrittliche Computer‑ und KI‑Systeme benötigen mehr Speicher als je zuvor. Deshalb gab es in den letzten Jahren zahlreiche Fortschritte im Bereich der Datenspeicherung. Diese Fortschritte umfassen die Nutzung bahnbrechender Materialien und neuer Methoden. Hier ein Blick auf einige der neuesten Datenspeichermethoden, die das Potenzial haben, den Markt zu revolutionieren.

Nachfrage nach Datenspeicherung steigt.

Demand for data storage solutions continues to expand across the industry, with more than 9,000 data centers worldwide. Notably, the US leads the pack in terms of data centers, with over 5,000 in operation currently. These facilities serve a vital role in enabling businesses, users, and governments to keep track of crucial information.

Cloud‑Speicher führt das Feld an

Analysten prognostizieren, dass der Cloud‑Speichermarkt von 61 Mrd. $ im Jahr 2020 auf 390 Mrd. $ bis 2028 wachsen wird. Dieses Wachstum ist auf viele Faktoren zurückzuführen. Die verstärkte Nutzung leistungsstarker KI‑Algorithmen ist jedoch einer der Hauptgründe, warum Cloud‑Computing‑Dienste so stark nachgefragt werden. Diese Dienste erfordern, dass große Datenmodelle gespeichert und während des Betriebs abgerufen werden. Insbesondere benötigen KI‑Systeme größere Modelle, um mehr Dienste bereitzustellen. Daher wird erwartet, dass der Bedarf an Datenspeicherung weiter steigt.

Probleme mit den heutigen Datenspeichermethoden

Heutige Speichergeräte funktionieren gut für Nicht‑KI‑Systeme, können jedoch nicht die Skalierbarkeit bieten, die erforderlich ist, um die effektivsten Algorithmen zu beherbergen und zu betreiben. Solid‑State‑Laufwerke sind durch ihr magnetisches Korn begrenzt, während Flash‑Laufwerke ihre physischen Skalierungsgrenzen erreicht haben. Selbst digitale Speichermethoden wie CDs leiden unter physischen Beschränkungen hinsichtlich des Speicherplatzes.

Mechanische Speicherung

Eine Speicherform, die in letzter Zeit erhebliches Interesse geweckt hat, sind mechanische Speichermethoden. Diese Methode nutzt kleine Vertiefungen, die Daten repräsentieren. Diese Speicherart wurde in der Vergangenheit von IBM und Intel (INTC ) untersucht, weil sie interessante Eigenschaften und dichte Speicherkapazitäten bietet.

Probleme mit heute verwendeten mechanischen Speichermethoden

In der Vergangenheit wurde viel Forschung in die Entwicklung und das Testen mechanischer Speichergeräte investiert. Die Geräte funktionierten gut und boten höhere Dichte. Sie wiesen jedoch zahlreiche Nachteile auf, darunter Schwierigkeiten bei der Synthese, niedrige Löschtemperaturen und mangelnde Stabilität. Der Einsatz einer erhitzten Sonde erschwerte das Verfahren zusätzlich, da die Sonde mehr Energie benötigte und die Sicherheit reduzierte.

Studie zur hochdichten Polymer‑Datenspeicherung

Eine aktuelle Studie¹ im Journal Advanced Science stellt eine neuartige Methode vor, hochdichten Polymer als Speichermedium zu erzeugen und zu nutzen. Der Polymer ist aus mehreren Gründen ideal für diese Aufgabe. Erstens bietet er die notwendige physische Vielseitigkeit und chemischen Eigenschaften, die für die Durchführung erforderlich sind.

Quelle – Advanced Science

Beispielsweise haben bestimmte Polymere eine geringe Oberflächenrauheit und können ihre Form unter den richtigen Bedingungen ohne Verzerrung beibehalten. Diese Studie stellt eine neue Polymerform vor, die speziell für Datenspeicherungsaufgaben entwickelt wurde und Flinders‑Polymer genannt wird, benannt nach der Hochschule, an der sie entwickelt wurde. Bemerkenswert ist, dass dieses Material mittels inverser Vulkanisierung hergestellt wurde, um Schwefel und Dicyclopentadien zu kombinieren.

Diese Materialien sind kostengünstig und erneuerbar. Daher eignen sie sich ideal für das ständige Schreiben, Löschen und Neuschreiben, das das Datenspeichersystem durchführen muss. Zusätzlich bieten sie eine höhere Speicherdichte, da die Daten in den Polymer codiert werden.

Nanoskalige Vertiefungen für die Datenspeicherung

Forscher nutzten nanoskalige Vertiefungen, um Datenkennzeichnungen auf mikroskopischer Ebene zu speichern. Ein Rasterkraftmikroskop wurde verwendet, um diese Vertiefungen zu erzeugen. Die Vertiefungen hatten eine Tiefe von <1 bis 30 nm, wobei jede Tiefe einen anderen Datenpunkt darstellte. Bemerkenswert ermöglicht dieser Ansatz eine vierfache Speicherdichte im Vergleich zu herkömmlichen Festplatten.

Ternäres numerisches Kodierungssystem

Im Kern der zusätzlichen Speicherkapazität steht das ternäre Kodierungsmethode. Diese Methode übertrifft binäre Systeme, die auf 2 Zustände, 8 Zellen und 256 Zeichen beschränkt sind. Das ternäre Kodieren fügt einen weiteren Zustand hinzu, wodurch 6561 Zeichen über 8 Zellen dargestellt werden können. Bemerkenswert erlaubt die Tiefe der Vertiefung die Übermittlung zusätzlicher Informationen.

Löschen von Polymer‑Datenspeicherung

Ein weiteres zentrales Anliegen der Forscher war sicherzustellen, dass der Polymer leicht gelöscht und neu beschrieben werden kann. Das Team stellte fest, dass der Polymer hervorragende Speichereigenschaften und thermische S─S‑Metathese bietet. Außerdem bemerkten sie, dass bei präziser Wärmezufuhr eine thermische Reorganisation des dynamischen Polysulfid‑Netzwerks stattfand.

Testen der Polymer‑Datenspeicherung

Die Forscher führten mehrere Testphasen durch, um die optimale Polymermischung und die Prozesse für die Aufgaben zu finden. Sie prüften jede Polymerzusammensetzung, um zu sehen, ob sie auf nanoskaliger Ebene modifizierbar ist. Zusätzlich überwachte das Team, wie der AFM‑Cantilever mit den Materialien arbeitet.

Sie fanden heraus, dass der Cantilever ein breites Kraftspektrum (0,6–3,8 µN) anwenden kann und den Energiebedarf reduziert. Bemerkenswert ist, dass der breiteste Teil der Vertiefungen nur 15 ± 1 nm maß, was sie nanoskalig macht.

Testen des Löschens

Die Forscher mussten bestätigen, dass der neue Polymer das Löschen und erneute Schreiben neuer Daten mehrfach erfolgreich durchführen kann. Um dieses Merkmal zu testen, erstellten sie ein 4 × 4‑Array von Vertiefungen mit Tiefen von 18–27 nm. Anschließend fertigten sie 7 Duplikatproben, die auf ein Silizium‑Substrat getropft und gehärtet wurden. Alle Vertiefungen wurden beim ersten Test in weniger als 2 Minuten gelöscht.

Ergebnisse

Die Testergebnisse zeigen die Effizienz des neuen Datenspeichersystems. Die Ingenieure stellten fest, dass das Löschen und Neuschreiben von Daten mit Filmers‑Polymer und Wärmeschüben nur Sekunden dauerte. Die Wärmeschübe waren deutlich geringer als bei früheren mechanischen Speichermethoden, die oft Hochleistungserhitzer benötigten.

Die Ingenieure benötigten Monate, um die Vertiefungen jeder Speichereinheit zu untersuchen und deren Genauigkeit sicherzustellen. Das Team nutzte AFM‑Bildgebung, um etwaige Änderungen an den Vertiefungen und den Daten zu überwachen. Sie entdeckten, dass ihre Methode auch auf dünne Polymerschichten anwendbar ist und mithilfe anderer Verfahren wie einem Rasterelektronenmikroskop erfasst werden kann.

Vorteile mechanischer Speichergeräte

Es gibt mehrere Vorteile, die mechanische Speichergeräte von der Konkurrenz abheben. Erstens sind sie betrieblich einfach. In den meisten Fällen gibt es eine Markierung, die Daten repräsentiert. Heute arbeiten mechanische Batterien auf nanoskaliger Ebene und schaffen ein neues Dichte‑Level.

Hohe Dichte

Der Hauptvorteil dieser Batterietyp ist die höhere Dichte. Diese Geräte können dank des ternären Codes mehr auf weniger Raum speichern. Die Nutzung der Tiefe der Vertiefung als Kodierungsmethode fügt eine weitere Dimension hinzu. Zusätzlich können diese Systeme mehrere Cantilever und Scanner integrieren, um paralleles Lesen und Schreiben zu ermöglichen.

Kostengünstig

Diese alternative Datenspeicherungsstrategie bietet eine kostengünstige Alternative zum Status quo. Die Hauptbestandteile des Polymers, Schwefel und Dicyclopentadien, sind erschwinglich und leicht verfügbar. Die geringeren Kosten dieses Ansatzes ermöglichen den Einsatz dieser Systeme in einer Vielzahl von Branchen.

Niedriger Energieverbrauch

Ein weiterer großer Vorteil dieser neuen mechanischen Speichermethode ist der reduzierte Energieverbrauch. Im Gegensatz zu ihrem Vorgänger kann diese Speicherart bei Raumtemperatur durchgeführt werden. Dadurch ist sie sicherer, verbraucht deutlich weniger Energie und ist nachhaltiger.

Gelöscht und wiederverwendbar

Filmers‑Polymer hat sich als äußerst robust erwiesen und kann in Sekunden gelöscht und neu geschrieben werden. Er ist leicht und kann seine Struktur auf nanoskaliger Ebene halten, was mehr Datenspeicherung auf weniger Raum ermöglicht.

Umweltfreundlich

Bemerkenswert erzeugt diese Speichermethode nur sehr wenige Nebenprodukte. Die Materialien zur Herstellung des Speichers geben beim Schmelz‑ und Neuschreibvorgang kein Schwefel ab. Dieser Ansatz gewährleistet zudem echte Nachhaltigkeit und trägt dazu bei, dass die nächste Generation von KI‑Systemen nützliche Dienste anbieten kann, ohne irreversible Schäden am Ökosystem zu verursachen.

Zu adressierende Probleme

Es gibt einige Probleme, die Ingenieure lösen müssen, um ihre mechanischen Speichergeräte für die breite Masse verfügbar zu machen. Erstens kann das System nur in Umgebungen unterhalb der Löschtemperatur betrieben werden. Wird der Speicher Temperaturen über dem festgelegten Löschpunkt ausgesetzt, gehen alle Daten verloren. Dieser Verlust kann bei nahezu jedem überhitzten Speichergerät auftreten. Allerdings verschärft die niedrige Temperatur des Polymer‑Datenspeichers das Problem und stellt für die zukünftige Forschung ein Hauptanliegen dar.

Forscher

Das Chalker‑Labor der Flinders University leitete die Studie, wobei Abigail Mann als Erstautorin genannt wird. Die Tests wurden in den hauseigenen Forschungseinrichtungen der Hochschule durchgeführt. Jetzt will das Team seine Arbeit ausbauen, um hochdichte mechanische Batterien auf den Markt zu bringen. Im Rahmen dieses Schrittes werden sie weiterhin verschiedene Polymere erforschen und alternative Schreibmethoden untersuchen, darunter den Einsatz von Lasern und Nano‑Imprint‑Lithografie.

Unternehmen, die von der Studie zur mechanischen Datenspeicherung profitieren können

Der Markt für Datenspeicherung ist wettbewerbsintensiv, wobei mehrere Hauptakteure dominieren. Diese Unternehmen bieten wertvolle Speicheroptionen, die Forschern, Unternehmen und Privatpersonen helfen, das Beste aus ihren Berechnungen herauszuholen. Hier ist ein Unternehmen, das klug positioniert ist, um diese Technologie zu integrieren und den Umsatz zu steigern.

Data Storage Corporation

Die Data Storage Corporation (DTST ) trat 2001 in den Markt ein mit dem Ziel, fortschrittliche Speicheroptionen bereitzustellen. Dieses in Delaware ansässige Technologieunternehmen entstand durch eine Fusion mit Emergent LLC. Diese Fusion erweiterte das Angebot des Unternehmens und half ihm, im Breitband‑Dienstleistungssektor Fuß zu fassen.

Heute ist die Data Storage Corporation ein führender Anbieter von Datendienstleistungen, einschließlich Offsite‑Backup und mehr. Die Dienste des Unternehmens haben Unternehmen geholfen, sich von erheblichen Verlusten und sogar Naturkatastrophen zu erholen. Daher hat es eine starke Marktposition beibehalten und strategische Partnerschaften mit großen Technologieunternehmen wie Microsoft.

Die Produkte des Unternehmens umfassen eine Vielzahl skalierbarer Unternehmens‑Ressourcen, darunter ezHost. Die exVault‑Option bietet Unternehmen Redundanz und fortschrittliche Verschlüsselung, wodurch sie ihre Operationen ausbauen und Benutzerdaten sicher halten können. Es gibt zudem die ezRecovery‑Option, die das Wiederaufsetzen des Geschäfts nach größeren Katastrophen oder Ereignissen vereinfacht.

Wenn die Data Storage Corp die neueste mechanische Batterietechnologie in ihr Angebot integrieren könnte, würden ihre Kunden bessere Dienste erhalten und das Unternehmen könnte Kosten senken. Die erhöhte Speicherdichte würde es dem Unternehmen ermöglichen, das Vierfache des aktuellen Speichers anzubieten und die Renditen auf ein neues Niveau zu heben.

Weitere Batterien, die es wert sind, kennengelernt zu werden

Es mangelte nicht an Versuchen von Forschern, das perfekte Speichergerät zu entwickeln. Obwohl keiner die Perfektion erreicht hat, gab es erhebliche Innovationen. Hier sind einige weitere coole Speichermethoden, die den Markt in Zukunft neu gestalten und heutigen Elektronikgeräten ein Super‑Gedächtnis verleihen könnten.

Sauerstoffbasierter Speicher

Diese Speichermethode nutzt Sauerstoffmoleküle, die zwischen vorgegebenen Speicherschichten wandern. Diese Schichten bestehen aus Tantaloxid, Metalltantal und drei Platinelektroden, die das O₂ zwischen den Schichten bewegen. Diese mechanische Speichermethode hat den großen Vorteil, dass Temperaturen sie nicht löschen, was sie für extreme Bedingungen ideal macht, in denen Hitze normalerweise problematisch wäre.

Kristalle

Forscher haben kürzlich untersucht, Kristalle als Speichergeräte zu verwenden. Kristalle besitzen Eigenschaften, die die Speicherkapazität verbessern könnten. Erstens sind sie sehr starr und auf atomarer Ebene strukturiert. Dieses System nutzt ultraschnelle Laser, um Daten präzise in nano‑strukturierte Hohlräume innerhalb von Siliziumkristallen einzuschreiben, was einen hitzebeständigen Speicher bietet.

Diamanten

Ein Team innovativer Forscher stellte fest, dass Diamanten ähnliche Speicherkapazitäten wie Kristalle bieten können. Im Gegensatz zu Kristallen beruht die Diamantspeicherung darauf, die Farbzentrums des Diamanten mittels elektrischer Ladung zu verändern. Wie bei Kristallen ist diamantkodierte Daten extrem hitze‑ und zeitbeständig.

Mechanische Datenspeicherung – ist sie die Zukunft?

Es gibt viele Gründe, warum mechanische Speicherung die Zukunft sein könnte. Erstens ermöglicht die erhöhte Dichte mehr Speicher bei weniger Platz. Dadurch können Elektronikgeräte kleiner und leistungsfähiger werden. Außerdem sind diese Geräte nachhaltig und kostengünstiger als Alternativen. All diese Faktoren treiben das Interesse an neuen Datenspeichermethoden und deren Herstellern weiter an.

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Studienreferenz:

^{1. Kim, S., et al. (2025). Akrobatik im Insektmaßstab: Ein langlebiger, präziser und agiler mikro‑Luftfahrzeug‑Roboter. Science Robotics, 10, eadp4256. https://doi.org/10.1126/scirobotics.adp4256}