Hvorfor tradisjonell lagring ikke kan holde tritt med AI: Argumentet for mekanisk datalagring

Dagens avanserte databehandling og AI-systemer krever mer lagring enn noen gang. Som følge av dette har det vært mange fremskritt i datalagringssektoren de siste årene. Disse fremskrittene inkluderer bruk av banebrytende materialer og nye metoder. Her er en titt på noen av de nyeste datalagringsmetodene med potensial til å endre markedet.

Etterspørselen etter datalagring øker.

Etterspørselen etter datalagringsløsninger fortsetter å vokse i hele bransjen, med mer enn 9 000 datasentre verden over. Merk at USA leder an når det gjelder datasentre, med over 5 000 i drift i dag. Disse fasilitetene spiller en viktig rolle i å gjøre det mulig for bedrifter, brukere og myndigheter å holde oversikt over kritisk informasjon.

Skylagring leder an

Analytikere spår at skylagringsmarkedet vil vokse fra 61 milliarder dollar i 2020 til 390 milliarder dollar innen 2028. Denne veksten kan tilskrives mange faktorer. En av hovedgrunnene til den store etterspørselen etter skytjenester er den økte bruken av høyytelses‑AI‑algoritmer. Disse tjenestene krever store datamodeller som skal lagres og hentes under drift. Merk at AI‑systemer trenger større modeller for å levere flere tjenester. Dermed forventes etterspørselen etter datalagring å fortsette.

Problemer med dagens datalagringsmetoder

Dagens lagringsenheter fungerer bra for ikke‑AI‑systemer, men de kan ikke tilby den skalerbarheten som trengs for å lagre og kjøre de mest effektive algoritmene. Solid‑state‑disker er begrenset av sin magnetiske kornstruktur, mens flash‑drivere har nådd sine fysiske skaleringsgrenser. Selv digitale lagringsmetoder som CD‑er lider av fysiske begrensninger når det gjelder lagringskapasitet.

Mekanisk lagring

En lagringsform som har fått betydelig interesse nylig er mekaniske lagringsmetoder. Denne metoden bruker små innrykk som representerer data. Mekanisk lagring har blitt undersøkt av IBM og Intel (INTC ) tidligere på grunn av sine interessante egenskaper og høye lagringstetthet.

Problemer med mekaniske lagringsmetoder som brukes i dag

Det ble gjort mye forskning på utvikling og testing av mekaniske lagringsenheter tidligere. Enhetene fungerte bra og ga høyere tetthet. Imidlertid hadde de mange ulemper, inkludert utfordringer med syntese, lave slettemperaturer og mangel på stabilitet. Bruken av en oppvarmet probe kompliserte prosedyren ytterligere, da proben krevde mer energi og reduserte sikkerheten.

Studie av høy‑tetthets polymer‑datalagring

En nylig studie¹ publisert i tidsskriftet Advanced Science introduserer en ny metode for å lage og bruke høy‑tetthets polymer som lagringsmedium. Polymeret er ideelt for oppgaven av flere grunner. For det første gir det den nødvendige fysiske allsidigheten og kjemiske egenskapene som trengs for å fullføre jobben.

For eksempel har spesifikke polymerer lav overflateruhet og kan beholde formen uten forvrengning under riktige forhold. Denne studien introduserer en ny type polymer som ble laget spesielt for datalagringsoppgaver, kalt Flinders Polymer, oppkalt etter skolen der den ble utviklet. Merk at dette materialet ble fremstilt ved hjelp av invers vulkanisering for å kombinere svovel og dicyklopentadien.
Disse materialene er rimelige og fornybare. Derfor er de ideelle for den konstante skrivingen, slettingen og omskrivingen som datalagringssystemet må utføre. I tillegg gir de høyere lagringstetthet på grunn av metoden dataene blir kodet inn i polymeren.

Nanoskala‑innrykk for datalagring

Forskere brukte nanoskalainnrykk for å lagre datamerking på mikroskopisk nivå. Et atomkraftmikroskop ble brukt til å lage disse innrykkene. Innrykkene varierte i dybde fra <1 til 30 nm, hvor hver dybde representerte et annet datapunkt. Merk at denne tilnærmingen gir fire ganger så høy lagringstetthet som tradisjonelle harddisker.

Ternært numerisk kodingssystem

Kjernen i den økte lagringskapasiteten er den ternære kodingsmetoden. Denne kodingsmetoden overgår binære systemer som er begrenset til 2 tilstander, 8 celler og 256 tegn. Ternær koding legger til en ekstra tilstand, noe som gjør det mulig å representere 6561 tegn over 8 celler. Merk at dybden på innrykket gjør det mulig å dele ekstra informasjon.

Sletting av polymer‑datalagring

En annen viktig bekymring for forskerne var å sikre at polymeren kunne slettes og skrives om enkelt. Teamet fant at polymeren ga fremragende lagringsegenskaper og termisk S─S‑metatese. De bemerket også at termisk reorganisering av det dynamiske polysulfidnettet oppstod når en presis mengde varme ble påført.

Testing av polymer‑datalagring

Forskerne gjennomførte flere testfaser for å finne den perfekte polymerblandingen og prosessene for oppgavene. De testet hver polymerkomposisjon for å se om den kunne modifiseres på nanoskalalevel. I tillegg overvåket teamet hvordan AFM‑kanten fungerte med materialene.
De fant at cantilevern kunne påføre et bredt spekter av krefter (0,6–3,8 µN) og reduserte energikrav. Merk at den bredeste delen av innrykkene kun målte 15 ± 1 nm, noe som gjør dem til nanoskalapunkter.

Testing av sletting

Forskerne måtte bekrefte at den nye polymeren kunne slette og lagre ny data flere ganger. For å teste denne funksjonen laget forskerne et 4 × 4‑array av innrykk med dybder på 18–27 nm. Deretter konstruerte de 7 duplikatprøver som ble dryppet og herdet på et silisiumsubstrat. Alle innrykk ble slettet på under 2 minutter under den første testen.

Resultater

Resultatene fra testene viser effektiviteten til det nye datalagringssystemet. Ingeniørene fant at det bare tok sekunder å slette og skrive data på nytt ved bruk av Filmers‑polymer og varmepulsar. Varmepulsene var mye lavere enn i tidligere mekaniske lagringsmetoder som ofte krevde kraftige varmeelementer.
Ingeniørene brukte måneder på å studere innrykkene i hver lagringsenhet for å sikre at de forble nøyaktige. Teamet brukte AFM‑avbildning for å overvåke eventuelle endringer i innrykkene og dataene. De oppdaget at metoden også kunne brukes på tynne polymerark og kan registreres ved hjelp av andre metoder som et skannende elektronmikroskop.

Fordeler med mekaniske lagringsenheter

Det er flere fordeler som gjør mekaniske lagringsenheter fremtredende i forhold til konkurrentene. For det første er de operasjonelt enkle. I de fleste tilfeller finnes det en merking som representerer data. I dag opererer mekaniske batterier på nanoskalalevel, og skaper et nytt tetthetsnivå.

Høy tetthet

Hovedfordelen med denne typen batteri er høyere tetthet. Disse enhetene kan lagre mer på mindre plass på grunn av bruken av ternær kode. Å kunne bruke dybden på innrykket som en kodingsmetode legger til en ekstra dimensjon i ligningen. I tillegg kan disse systemene integrere flere cantilevers og skannere for å muliggjøre parallell lesing og skriving.

Kostnadseffektiv

Denne alternative datalagringsstrategien gir et rimelig alternativ til status quo. Polymerens hovedkomponenter, svovel og dicyklopentadien, er rimelige og lett tilgjengelige. De lavere kostnadene med denne tilnærmingen betyr at disse systemene kan brukes i et bredt spekter av bransjer.

Lavt energiforbruk

En annen stor fordel med denne nye mekaniske lagringsmetoden er redusert energiforbruk. I motsetning til forgjengeren kan denne lagringsmetoden utføres ved romtemperatur. Dermed er den tryggere, bruker langt mindre energi og er mer bærekraftig.

Slettet og gjenbrukt

Filmers Polymer har vist seg å være svært robust og kan slettes og skrives om på sekunder. Den er lett og kan beholde strukturen på nanoskalalevel, noe som gjør det mulig å lagre mer data på mindre plass.

Ren

Merk at denne lagringsmetoden produserer svært få biprodukter. Materialene som brukes til å lage lagringen avgir ingen svovel under smelte‑ og omskrivningsprosessen. Denne tilnærmingen sikrer også at lagringen er virkelig bærekraftig, og bidrar til at neste generasjon AI‑systemer kan tilby nyttige tjenester uten å forårsake irreparabel skade på økosystemet.

Utfordringer som må adresseres

Det er noen utfordringer som ingeniører må løse for å bringe sine mekaniske lagringsenheter til massene. For det første kan systemet kun operere i miljøer under slettemperaturen. Hvis lagringen kommer i kontakt med temperaturer over det forhåndsbestemte slettestedet, vil all data gå tapt. Denne typen tap kan oppstå i nesten alle lagringsenheter som overopphetes. Imidlertid forverrer den lave temperaturen til polymer‑datalagringsenheten problemet, og er en hovedbekymring for forskerne fremover.

Forskere

Chalker Lab ved Flinders University ledet studien med Abigail Mann oppført som første forfatter. Testingen ble utført ved universitetets egne forskningsfasiliteter. Nå ønsker teamet å utvide arbeidet sitt for å bringe høy‑tetthets mekaniske batterier til markedet. Som en del av dette vil de fortsette å forske på ulike polymerer og undersøke alternative skrivemetoder, inkludert bruk av lasere og nano‑imprint litografi.

Selskaper som kan dra nytte av studien av mekanisk datalagring

Datalagringsmarkedet er konkurransedyktig, med flere hovedaktører som dominerer markedet. Disse selskapene tilbyr verdifulle lagringsalternativer som hjelper forskere, bedrifter og enkeltpersoner med å få mest mulig ut av sine beregninger. Her er ett selskap som er klokt posisjonert for å integrere denne teknologien og øke inntektene.

Data Storage Corporation

Data Storage Corporation (DTST ) gikk inn i markedet i 2001 med mål om å tilby avanserte lagringsalternativer. Dette teknologiselskapet basert i Delaware oppsto etter en fusjon med Emergent LLC. Fusjonen utvidet selskapets tilbud og hjalp det med å etablere seg i bredbåndstjenestesektoren.
Data Storage Corporation er en ledende leverandør av datatjenester, inkludert ekstern sikkerhetskopiering og mer. Selskapets tjenester har hjulpet bedrifter med å komme seg etter store tap og til og med naturkatastrofer. Dermed har de opprettholdt en sterk posisjon i markedet og har strategiske partnerskap med store teknologiselskaper som Microsoft.

Selskapets produkter inkluderer en rekke skalerbare bedrifts‑grad ressurser, inkludert ezHost. exVault‑alternativet gir redundans til selskaper og avansert kryptering, som gjør dem i stand til å utvide driften og holde brukerdata sikre. Det finnes også et ezRecovery‑alternativ som forenkler gjenoppretting av virksomheten etter store katastrofer eller hendelser.
Hvis Data Storage Corp kunne integrere den nyeste mekaniske batteriteknologien i sine tilbud, ville kundene få bedre tjenester, og selskapet kunne redusere kostnader. Den ekstra lagringstettheten ville gjøre det mulig for selskapet å tilby fire ganger så mye lagring som med sine nåværende fasiliteter, og drive avkastning på investeringer til nye høyder.

Flere batterier som er verdt å lære om

Det har ikke vært mangel på forsøk fra forskere på å lage den perfekte lagringsenheten. Selv om ingen har oppnådd perfeksjon, har det vært betydelig innovasjon. Her er noen andre spennende lagringsmetoder som kan omforme markedet i fremtiden og gi dagens elektronikk superminne.
Oxygen-based Memory
Denne lagringsmetoden utnytter oksygenmolekyler når de beveger seg mellom forhåndsdefinerte minnelag. Disse lagene er laget av tantalumoksid, metalltantal og 3 platinelektroder som flytter O₂ mellom lagene. Denne mekaniske lagringsmetoden har en stor fordel ved at temperaturer ikke vil slette den, noe som gjør den ideell for ekstreme forhold der varme vanligvis ville vært problematisk.
Crystals
Forskere har nylig undersøkt bruk av krystaller som lagringsenheter. Krystaller har noen egenskaper som kan forbedre lagringskapasiteten. For det første er de svært stive og strukturerte på atomnivå. Systemet bruker ultrarask laser for presist å skrive data inn i nano‑strukturerte hulrom i silikakrystall, og gir varmebestandig lagring.
Diamonds
Et team av innovative forskere fant at diamanter kunne gi lignende lagringskapasitet som krystaller. I motsetning til krystaller baserer diamantlagring seg på å endre diamantens farge i sentrum ved hjelp av en elektrisk ladning. Som krystaller er diamant‑kodet data ekstremt varme‑ og tidsbestandig.

Mekanisk datalagring – er det fremtiden?

Det finnes mange grunner til at mekanisk lagring kan bli veien fremover. For det første gjør den ekstra tettheten det mulig å lagre mer på mindre plass. Dermed kan elektronikk bli mindre og kraftigere ved bruk av disse enhetene. I tillegg er disse enhetene bærekraftige og koster mindre enn alternativer. Alle disse faktorene fortsetter å drive interessen for nye datalagringsmetoder og deres produsenter.
Lær mer om andre spennende fremskritt innen databehandling nå.

Studierreferanse:

^{1. Kim, S., et al. (2025). Akrobatikk i insektstørrelse: En holdbar, presis og smidig mikro‑luftrobot. Science Robotics, 10, eadp4256. https://doi.org/10.1126/scirobotics.adp4256}