Uutta maata rikkomassa: Kuinka timanttien ‘värikeskusten’ manipulointi voisi mullistaa tietojen tallennuksen?

Timanttien värikeskukset ovat jotain, josta tutkijat ja tieteellinen yhteisö ovat olleet viime aikoina erittäin kiinnostuneita. Ennen kuin syvennymme tarkemmin siihen, miten ne voisivat auttaa täyttämään kasvavat tallennustarpeemme, otetaan lyhyt ymmärrys siitä, mitä nämä timanttien värikeskukset ovat. 

Mitä ovat värikeskukset?

Värikeskukset ovat epäkohtia materiaalin sidossrakenteessa. Sidokset tässä yhteydessä tarkoittavat pitkäaikaista vetovoimaa atomien tai ionien välillä molekyylissä. Atomeja tai ioneja sitova voima voi olla vastakkaisesti varautuneiden ionien välinen elektrostattinen voima. Se voi myös johtua elektronien jakamisesta. 

Sidossrakenteen epäkohdat voivat ilmetä eri muodoissa, kuten reikiä, eksitoneja, tyhjiöitä tai epäpuhtauksia. Eksitonit ovat käytännössä elektronit, jotka ovat jääneet kiinteisiin virittyneisiin tiloihin. 

Värikeskukset esiintyvät paikallisina pisteinä materiaalissa, joissa sidossrakenteet ovat muuttuneet. Värikeskusten muodostuminen johtaa materiaalin moolisen taitekerroinmuutokseen. Kuitenkin timanttien tapauksessa värikeskukset ovat hyödyllisiä kvanttikäytöissä. 

Entistä tärkeämpää on, että tieteellinen yhteisö on tutkinut värikeskuksia viime vuosina niiden parantuneiden optisten ominaisuuksien vuoksi. He havaitsivat typpi‑tyhjiökeskuksen olevan erityisen hyödyllinen korkean spini‑perustilan ja suotuisan spini‑koherenssiajan ansiosta, joka toimii sekä kriogeenisissa että huoneenlämpötiloissa. 

Äskettäin New Yorkin City College (CCNY) -fysiikat ovat kehittäneet tekniikan joka voi mahdollisesti vahvistaa ja laajentaa timanttien tietojen tallennuskapasiteettia. 

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista pilvipalveluyrityksistä.

Optinen tietojen tallennuksen läpimurto: Värikeskukset timanteissa ja tieteellinen läpimurto

Tutkimus, jonka otsikko on “Reversible Optical Data Storage (DTST ) below the Diffraction Limit”, perustuu spektrialueen tallennuksen multipleksaus‑teknologiaan. Tämä tarkoittaa mahdollisuutta tallentaa monia erilaisia kuvia samaan kohtaan timantissa. Tarvitaan vain hieman erivärinen laser. Tämän seurauksena erilainen tieto voidaan tallentaa eri atomeihin, jotka jakavat saman mikroskooppisen pisteen. 

Tom Delordin, CCNY:n postdoc‑tutkijatohtorin, mukaan menetelmä pystyy löytämään tiensä “laskentasovelluksiin”, jotka vaativat “korkean kapasiteetin tallennusta”.

Saavuttaakseen tähän mennessä saavutetun, CCNY:n tutkijoiden täytyi hallita värikeskusten sähkövarausta. He onnistuivat siinä käyttämällä kapeakaista laseria ja kriogeenisia olosuhteita erittäin tarkasti. On syytä mainita, että kriogeniikka on tieteellinen tutkimusala, joka tutkii materiaaleja ja niiden käyttäytymistä äärimmäisen alhaisissa lämpötiloissa. 

Tutkijoiden mukaan menetelmä auttoi heitä:

“Kirjoittaa ja lukea pieniä tietobittejä paljon hienovaraisemmalla tasolla kuin aiemmin mahdollista, jopa yksittäiseen atomiin asti.” 

Miksi läpimurto on tärkeä?

Pohjimmiltaan tutkimus näyttää meille tavan tallentaa enemmän dataa rajalliselle tilalle. Tämä on yhä tärkeämpää, koska tutkimus ja siihen liittyvät kehitykset ovat äärimmäisen merkittäviä nykyajalle. Näiden kehitysten kiireellisyyttä korostaa se, että tallennettavan datan määrä kasvaa eksponentiaalisesti päivittäin.

Kontekstissa, viimeisimmän tutkimuksen mukaan, maailmassa on 64 zettatavua dataa pelkästään digitaalisessa muodossa, missä yksi zettatavu on yhtä kuin biljoona gigatavua. Huomattavaa on, että 90 % maailman datasta on luotu viimeisten kahden vuoden aikana. Arvioiden mukaan vuoteen 2025 mennessä globaalin datamäärän odotetaan nousevan 150‑175 zettatavuun, joista IoT‑laitteet vastaavat 90 zettatavua.

Kun otetaan huomioon tämä valtava datan luomisen kasvu, timanttien värikeskuksiin perustuva ratkaisu voi auttaa tallentamaan enemmän dataa ilman ylimääräistä vaivaa, mikä johtaa merkittävään fyysisen tallennustilan laajentumiseen. Tämä edistys on ajoissa, kun otetaan huomioon kasvava tarve merkittävälle fyysiselle tallennustilalle eri sektoreilla.

Esimerkiksi Facebook tuottaa 4 petatavua dataa päivässä, missä 1 petatavu on 1 miljioni gigatavua dataa. Tukeakseen tätä Facebook omistaa ja ylläpitää 18 datakeskusta maailmanlaajuisesti, jotka kattavat 40 miljoonaa neliöjalkaa tilaa. Silti Facebook on vain yksi teknologiayritys, joka kamppailee valtavien datamäärien kanssa. Googlen hakukone käsittelee 3,5 miljardia hakukyselyä päivittäin, WhatsAppin käyttäjät vaihtavat yli 65 miljardia viestiä päivässä, ja internetin käyttäjät maailmanlaajuisesti tuottavat lähes 2,5 kvintillionia tavua dataa joka päivä. Tämä korostaa jatkuvaa tarvetta tallennukselle, tallennukselle ja lisää tallennukselle.

Epäilemättä CCNY:n timanttivärikeskuksiin perustuva tieto olisi mullistavaa, kun se skaalataan. 

Aikaisempi tutkimus germanium‑tyhjiö‑yksivärikeskuksista timanteissa

Samankaltaista tutkimusta timanttivärikeskuksista on tehty myös aiemmin. Vuonna 2015 julkaistu tutkimus auttoi ymmärtämään atomikokoisia fluoresoivia epäkohtia timanteissa lupaavana kiinteän tilan alustana kvanttisalaukselle ja kvanttitiedon käsittelyyn, toimien perustavana askeleena myöhemmille tutkimuksille tällä alalla.

Tutkimus testasi yhden fotonin lähteiden toteutettavuutta korkean intensiteetin ja toistettavien valmistusmenetelmien avulla tähän tarkoitukseen. Tutkimus huomasi timantissa uudenlaisen värikeskuksen, joka koostui germaniumista ja tyhjiöstä, ja tutkijat nimittivät sen GeV‑keskukseksi. 

Toinen tutkimus, joka julkaistiin vuonna 2022, ja jonka tekivät Saga‑universiteetin ja Adamant Namiki Precision Jewelry -tutkijat, johti uuden menetelmän kehittämiseen ultra‑korkealaatuisten timantiviilujen valmistamiseksi. Nämä timantiviilut ovat 5 cm leveitä. 

Niiden datatiheyden ansiosta nämä viilut voivat tallentaa vastaavan määrän kuin miljardi Blu‑ray‑levyä. Vertailun vuoksi tyypillinen Blu‑ray‑levy voi tallentaa enintään 25 GB dataa. Näin ollen miljardi Blu‑ray‑levyä vastaisi huikeaa 25 exatavua dataa. Saavuttaakseen tämän tutkimus käytti typpi‑tyhjiökeskusta datan tallentamiseen muodossa superjohtava kvanttitavuiksi (qubits).

Lisätietoa Adamant Namiki Precision Jewelry -yrityksestä tai Orbraystä

Adamant Namiki Precision Jewelry muutti nimensä muotoon Orbray Co., Ltd., joka astui voimaan 1. tammikuuta 2023. Yrityksellä on laaja valikoima tuotteita, mukaan lukien tarkkuuskorut, kuitu‑optiset komponentit ja pienet moottorit. Sovelluksiltaan yritys palvelee tietoliikennettä, puolijohteita, teollisuuskoneita, robotteja, autoja, optisia ohjauslaitteita, äänentoistoa ja paljon muuta. 

Vuonna 1939 perustettu ja Tokiossa, Japanissa päämajaansa, Orbray on yksityinen yhtiö. 

Yritykset, jotka työskentelevät timantti‑viiluteknologian parissa

Vaikka Orbray on tunnettu timantti‑viilujen valmistamisesta erityisesti tallennusta varten, alalla on muutamia muita, jotka ovat kehittäneet vastaavan tallennusratkaisun. On kuitenkin huomionarvoista, että monet muut yritykset valmistavat timantti‑viiluja erilaisiin tarkoituksiin. Tämä ansaitsee huomiota, sillä nämä yritykset saattavat lähitulevaisuudessa laajentaa toimintaansa myös tallennusratkaisuihin, koska ne hallitsevat perus teknologian.

#1. Stanford Advanced Materials

Toinen timantti‑viilujen valmistuksesta tunnettu yritys on Stanford Advanced Materials. He tarjoavat tuotetta nimeltä CVD Diamond Wafer, joka on tunnettu huippuluokan optisista ja lämpöominaisuuksistaan. Lisäksi he väittävät, että nämä timantti‑viilut omaavat erinomaiset fyysiset ja kemialliset ominaisuudet. Merkittävää on, että niissä on lähes jatkuva optisen läpinäkyvyyden kaista UV‑alueelta THz‑alueelle, mikä tekee niistä yhteensopivia useiden aallonpituusalueiden, kuten röntgen, ultravioletti, infrapuna, mikroaaltot ja muut, kanssa.

CVD diamond wafers omaa monia ominaisuuksia, jotka ovat lähes mahdottomia saavuttaa yleisille optisille materiaaleille. Esimerkiksi ne voivat toimia keskeisissä rooleissa suurissa energiansyötöissä, alhaisessa dielektrinen häviössä, korkeassa Raman‑vahvistuksessa, alhaisessa säteen vääristymisessä, kulutuskestävyydessä ja muissa asioissa. 

Stanfordin CVD‑timantti‑viilut palvelevat monia teollisuudenaloja, mukaan lukien ilmailu, sotilasala ja muut. Ne ovat erittäin tehokkaita lämmönhallinnassa, erityisesti suuritehoisissa, korkeataajuisissa, pienikokoisissa ja vahvasti integroiduissa elektronisissa komponenteissa. 

Pääkonttori sijaitsee Lake Forestissa, Kaliforniassa, Yhdysvallat, ja Stanford Advanced Materials on toiminut vuodesta 1994 lähtien ja on yksityinen yhtiö. 

#2. AKHAN Semiconductors

Toinen puolijohdeyritys, joka menestyy erinomaisesti timantti‑viilujen valmistuksessa, on Akhan Semiconductors. Vuonna 2021 se valmisti ensimmäiset 300 mm:n täydentävät metalli‑oksidi‑puolijohde (CMOS) -timantti‑viilut. Tekniikka kehitettiin alun perin parantamaan elektronisten laitteiden teho‑käsittelyä, lämmönhallintaa ja kestävyyttä. Se palvelee kuitenkin monia teollisuudenaloja ja valmistusprosesseja. Akhan Semiconductor -yrityksen toimitusjohtajan Adam Khanin mukaan Akhanin timantti‑viilut auttavat rakentamaan voimakkaampia ja kestävämpiä laitteita. 

Pääkonttori sijaitsee Illinoisissa, Yhdysvallat, ja Akhan Semiconductor on yksityinen yhtiö, joka perustettiin vuonna 2012. Viimeisimpien saatavilla olevien uutisten mukaan yritys keräsi 20 miljoonaa Yhdollista dollaria 17. helmikuuta 2022. 

Muut tietojen tallennusratkaisut

Vaikka timanttien värikeskusten tutkiminen on ehdottomasti pelin muuttava innovaatio tietojen tallennuksen alalla, ratkaisu on vielä skaalaamatta. 

Teknologiajättiläinen, joka jatkuvasti kokeilee uusia ja parannettuja tietojen tallennusteknologioita, on Intel (INTC ). Sillä on useita innovatiivisia tallennusteknologioita tarjottavanaan. 

#1. Intel Storage Technologies 

Sen Optane Technology auttaa esimerkiksi poistamaan datakeskusten tallennuspulmia, jolloin käyttäjät voivat käsitellä suurempia ja edullisempia tietoaineistoja. Sen 3D NAND -teknologian tuotteet tunnetaan kapasiteetistaan ja luotettavuudestaan. Sen EDSFF SSD -ratkaisut auttavat saavuttamaan paremman kapasiteetin alhaisemmilla kustannuksilla.

Intelin 2022‑tulo oli 63,1 miljardia dollaria, 16,0 miljardia dollaria tai 20 % vähemmän kuin 2021. Yritys investoi 17,5 miljardia dollaria T&K:hon, teki 24,8 miljardia dollaria pääomainvestointeja ja tuotti 15,4 miljardia dollaria kassavirtaa toiminnasta sekä (4,1) miljardia dollaria korjattua vapaata kassavirtaa.

#2. Seagate

Seagate on toinen edelläkävijä tietojen tallennuksen alalla, ja se on äskettäin esitellyt merkittävän innovaation. Sen uusin tuote on korkean suorituskyvyn, tehokas ja kestävä monipetatavuisen kapasiteetin lohkitallennusjärjestelmä, joka tunnetaan nimellä Exos® CORVAULT™. 

Tämän järjestelmän korkean tiheyden ominaisuudet varmistavat optimaalisen tilankäytön, pidennetyt elinkaaret ja vähennetyn energian kulutuksen per petatavu. 

Lisäksi se auttaa vähentämään datakeskusten hiilijalanjälkeä, koska se vaatii vähemmän laskenta‑ ja verkkoresursseja. Tällä hetkellä ratkaisu on saatavilla kahdessa versiossa: ensimmäinen versio tarjoaa jopa 2,5 PB tallennustilaa 1,2‑metrin hyllyissä, kun taas toinen tarjoaa 1,5 PB 1,0‑metrin syvissä hyllyissä.

Tilikaudella, joka päättyi 30. kesäkuuta 2023, Seagate rekisteröi yli US$7,3 miljardia tuloa, mikä oli huomattavasti vähemmän kuin edellisen vuoden yli US$11,5 miljardia.

Tulevaisuuden tutkimus timanttivärikeskuksissa

Paljon tutkimusta on käynnissä timanttivärikeskusten tutkimiseksi ja ymmärtämiseksi paremmin. Tutkijoita motivoi monia syitä, erityisesti koska värikeskukset osoittavat parannettuja optisia ominaisuuksia spektrin stabiilisuuden, aallonpituuden ja spini‑ominaisuuksien osalta. Vaikka timanteissa on yleisesti runsaasti optisia keskuksia, näiden keskusten tarkka alkuperä on usein tuntematon. Odotetaan, että tuleva tutkimus tarjoaa epäilemättä lisäymmärrystä.

Timantti‑viilut ovat olleet merkittävä läpimurto suurten tietomäärien tallennuksessa. Tämä on yksi alue, jossa tällä hetkellä tehdään paljon tutkimusta. Timantti‑viilujen tunteminen paremmin auttaisi epäilemättä parantamaan niiden ominaisuuksia tallennusjärjestelminä.

Vaikka seuraavan sukupolven puolijohteiden voimanlähteeksi, japanilaiset Chiban yliopiston tutkijat ovat kehittäneet menetelmän, jossa laseria käytetään timantti‑viilujen luomiseen. Kuten Hirofumi Hidai, Chiban yliopiston School of Engineering -professori, sanoi:

“Timantin leikkaus mahdollistaa korkealaatuisten viilujen tuotannon alhaisilla kustannuksilla, ja se on korvaamaton puolijohdelaitteiden valmistuksessa.” 

Tämä äskettäin kehitetty menetelmä on tärkeä myös timantin käytön ulkopuolella puolijohteina. Se auttaa kehittämään mekanismeja hallitsemaan halkeamien muodostumista timanteissa, jotta ne voidaan kasvattaa haluttuun tasoon. 

Tänä vuonna huhtikuussa Amazon Web Services solmi yhteistyön De Beersin tytäryhtiön Element Sixin kanssa kehittääkseen synteettisiä timantteja, joita käytetään kvanttiavainten jakelussa. Tässä yhteistyössä erottuu heidän menetelmänsä, jossa luodaan värikeskuksia timanttiin. Nämä värikeskukset absorboivat kvanttitietoa sisältäviä fotoneja ja lähettävät ne myöhemmin uudelleen.

Kuten Antia Lamas‑Linares, AWS Center for Quantum Networking -johtaja, sanoi:

“Me [Amazon] pystymme jo tekemään joitakin asioita suhteellisen pienessä mittakaavassa, mutta viedäksemme sen todella globaaliksi – AWS on globaali yritys – on muutamia asioita, jotka täytyy kehittää.”

Lopuksi, maailma näkee lisää tutkimusta, jonka tavoitteena on hyödyntää timanttivärikeskuksia. Kaikki eivät paranna tietojen tallennusta, mutta monet tekevät. Data on polttoaine, jonka avulla nykypäivän maailmamme toimii. On täysin luonnollista, että johtavat yritykset investoivat tulevaisuudessa enemmän ratkaisuihin, jotka auttavat ratkaisemaan eksponentiaalisesti kasvavia tallennustarpeita.