Varför traditionell lagring inte kan hålla jämna steg med AI: Fallet för mekanisk datalagring

Dagens avancerade databehandling och AI-system kräver mer lagring än någonsin. På grund av detta har det skett många framsteg inom datalagringssektorn under de senaste åren. Dessa framsteg inkluderar användning av banbrytande material och nya metoder. Här är en titt på några av de senaste datalagringsmetoderna med potential att omvälva marknaden.

Efterfrågan på datalagring ökar.

Efterfrågan på datalagringslösningar fortsätter att expandera över hela branschen, med mer än 9 000 datacenter världen över. Noterbart leder USA när det gäller datacenter, med över 5 000 i drift för närvarande. Dessa anläggningar spelar en avgörande roll för att möjliggöra för företag, användare och regeringar att hålla reda på viktig information.

Molnlagring leder utvecklingen

Analytiker förutspår att molnlagringsmarknaden kommer att gå från 61  miljarder dollar år 2020 till 390  miljarder dollar år 2028. Denna tillväxt kan tillskrivas många faktorer. En av de främsta orsakerna till den stora efterfrågan på molntjänster är den ökade användningen av högpresterande AI-algoritmer. Dessa tjänster kräver stora datamodeller som sparas och nås under drift. Noterbart kräver AI-system större modeller för att erbjuda fler tjänster. Därför förväntas behovet av datalagring fortsätta att öka.

Problem med dagens datalagringsmetoder

Dagens lagringsenheter fungerar bra för icke‑AI‑system, men de kan inte erbjuda den skalbarhet som krävs för att lagra och köra de mest effektiva algoritmerna. Solid‑state‑enheter begränsas av sina magnetiska korn, medan flash‑enheter har nått sina fysiska skalningsgränser. Även digitala lagringsmetoder som CD-skivor lider av fysiska begränsningar när det gäller lagringsutrymme.

Mekanisk lagring

En lagringsform som nyligen har fått stort intresse är mekaniska lagringsmetoder. Denna metod använder små fördjupningar som representerar data. Denna lagringsmetod har tidigare utforskats av IBM och Intel (INTC ) på grund av sina intressanta egenskaper och täta lagringskapacitet.

Problem med de mekaniska lagringsmetoder som används idag

Mycket forskning har lagts på att utveckla och testa mekaniska lagringsenheter tidigare. Enheterna fungerade bra och erbjöd högre densitet. De hade dock många nackdelar, inklusive svårigheter med syntes, låga raderings‑temperaturer och bristande stabilitet. Användningen av en uppvärmd sond försvårade processen ytterligare eftersom sonden krävde mer energi och minskad säkerhet.

Studie om högdensitetspolymerdatlagring

En nyligen studie¹ publicerad i tidskriften Advanced Science presenterar en ny metod för att skapa och använda högdensitetspolymer som lagringsmedium. Polymeren är idealisk för uppgiften av flera skäl. För det första ger den den nödvändiga fysiska mångsidigheten och kemiska egenskaperna som krävs för att slutföra arbetet.

Till exempel har vissa polymerer låg ytstruktur och kan behålla sin form utan förvrängning under rätt förhållanden. Denna studie introducerar en ny form av polymer som skapats specifikt för datalagringsuppgifter, kallad Flinders Polymer, uppkallad efter skolan där den utvecklades. Noterbart skapades detta material genom invers vulkanisering för att kombinera svavel och dicyklopentadien.
Dessa material är låga i kostnad och förnybara. Därför är de idealiska för den ständiga skrivning, radering och omskrivning som datalagringssystemet måste utföra. Dessutom ger de högre lagringstäthet på grund av den metod som data kodas in i polymeren.

Nanoskaliga fördjupningar för datalagring

Forskare använde nanoskaliga fördjupningar för att lagra datamarkeringar på mikroskopisk nivå. En atomkraftmikroskop användes för att skapa dessa fördjupningar. Fördjupningarna varierade i djup från <1 till 30 nm, där varje djup representerade en annan datapunkt. Noterbart möjliggör detta tillvägagångssätt 4 × så hög lagringstäthet jämfört med traditionella hårddiskar.

Ternärt numeriskt kodningssystem

Kärnan i de ökade lagringsmöjligheterna är den ternära kodningsmetoden. Denna kodningsmetod överträffar binära system som är begränsade till 2 tillstånd, 8 celler och 256 tecken. Ternär kodning lägger till ett ytterligare tillstånd, vilket möjliggör representation av 6561 tecken över 8 celler. Noterbart tillåter djupet på fördjupningen att dela ytterligare information.

Radering av polymerdatlagring

En annan viktig fråga för forskarna var att säkerställa att polymeren enkelt kan raderas och skrivas om. Teamet fann att polymeren erbjöd utmärkta lagringskapaciteter och termisk S─S‑metates. De noterade också att termisk omorganisation av det dynamiska polysulfidnätverket inträffade när en exakt mängd värme applicerades.

Testning av polymerdatlagring

Forskarna genomförde flera testfaser för att hitta den perfekta polymerblandningen och processerna för uppgifterna. De testade varje polymeruppsättning för att se om den kunde modifieras på nanoskalig nivå. Dessutom övervakade teamet hur AFM‑kanten fungerade med materialen.
De fann att kanten kunde applicera ett brett spektrum av krafter (0,6–3,8 µN) och minskade energikrav. Noterbart var den bredaste delen av fördjupningarna endast 15 ± 1 nm, vilket gör dem nanoskaliga.

Testning av radering

Forskarna behövde bekräfta att den nya polymeren framgångsrikt kan raderas och lagra ny data flera gånger. För att testa denna funktion skapade forskarna en 4 × 4‑matris av fördjupningar med djup på 18–27 nm. De konstruerade sedan 7 dubbla prover som droppgjutses och härdades på ett kiselsubstrat. Alla fördjupningar raderades på under 2 minuter under det första testet.

Resultat

Resultaten från testningen visar effektiviteten i det nya datalagringssystemet. Ingenjörerna fann att det bara tog sekunder att radera och skriva om data med Filmers polymer och värmepulser. Värmepulserna var mycket lägre än tidigare mekaniska lagringsmetoder som ofta krävde högpresterande värmeelement.
Ingenjörerna tog månader på sig att studera fördjupningarna i varje lagringsenhet för att säkerställa att de förblev korrekta. Teamet använde AFM‑avbildning för att övervaka eventuella förändringar i fördjupningarna och datan. De upptäckte att deras metod även kan tillämpas på tunna polymerblad och kan registreras med andra metoder som en svepelektronmikroskop.

Fördelar med mekaniska lagringsenheter

Det finns flera fördelar som får mekaniska lagringsenheter att sticka ut från konkurrensen. För det första är de operativt enkla. I de flesta fall finns någon markering som representerar data. Idag fungerar mekaniska batterier på nanoskalig nivå, vilket skapar en ny densitetsnivå.

Hög densitet

Den främsta fördelen med denna batteriform är högre densitet. Dessa enheter kan lagra mer på mindre utrymme tack vare användningen av den ternära koden. Att kunna använda fördjupningens djup som kodningsmetod lägger till en ytterligare dimension i ekvationen. Dessutom kan dessa system integrera flera kantar och skannrar för att möjliggöra parallell läsning och skrivning.

Billig

Denna alternativa datalagringsstrategi erbjuder ett lågt kostnadsalternativ till status quo. Polymerens huvudkomponenter, svavel och dicyklopentadien, är prisvärda och lätt tillgängliga. De lägre kostnaderna med detta tillvägagångssätt innebär att dessa system kan användas i ett brett spektrum av industrier.

Låg energiförbrukning

En annan stor fördel med denna nya mekaniska lagringsmetod är minskad energiförbrukning. Till skillnad från sin föregångare kan denna lagringsmetod utföras vid rumstemperatur. Därmed är den säkrare, använder mycket mindre energi och är mer hållbar.

Raderad och återanvändbar

Filmers Polymer har visat sig vara extremt motståndskraftig och kan raderas och skrivas om på sekunder. Den är lätt och kan behålla sin struktur på nanoskalig nivå, vilket möjliggör mer datalagring på mindre plats.

Ren

Noterbart producerar denna lagringsmetod mycket få biprodukter. Materialen som används för att skapa lagringen avger ingen svavel under smält- och omskrivningsprocessen. Detta tillvägagångssätt säkerställer också att lagringen är verkligt hållbar, vilket hjälper till att garantera att nästa generation av AI‑system kan erbjuda användbara tjänster utan att orsaka oåterkallelig skada på ekosystemet.

Problem att åtgärda

Det finns vissa problem som ingenjörer måste lösa för att föra sina mekaniska lagringsenheter till massorna. För det första kan systemet endast fungera i miljöer under raderings‑temperaturen. Om lagringen kommer i kontakt med temperaturer över den förutbestämda raderingspunkten, går all data förlorad. Denna typ av förlust kan inträffa i nästan alla lagringsenheter som överhettas. Dock förvärrar den låga temperaturen i polymerdatlagringsenheten problemet och är en huvudoro för forskare framöver.

Forskare

Chalker Lab vid Flinders University ledde studien med Abigail Mann som första författare. Testerna utfördes i universitetets egna forskningsanläggningar. Nu strävar teamet efter att bygga vidare på sitt arbete för att ta högdensitetsmekaniska batterier till marknaden. Som en del av detta steg kommer de fortsätta att forska på olika polymerer och undersöka alternativa skrivmetoder, inklusive användning av laser och nanoimprint‑litografi.

Företag som kan dra nytta av studien om mekanisk datalagring

Datalagringsmarknaden är konkurrensutsatt, med flera huvudaktörer som dominerar marknaden. Dessa företag erbjuder värdefulla lagringsalternativ som hjälper forskare, företag och individer att få ut det mesta av sina beräkningar. Här är ett företag som är väl positionerat för att integrera denna teknik och öka intäkterna.

Data Storage Corporation

Data Storage Corporation (DTST ) gick in på marknaden år 2001 med målet att erbjuda avancerade lagringsalternativ. Detta teknikföretag baserat i Delaware uppstod genom en sammanslagning med Emergent LLC. Denna sammanslagning utökade företagets erbjudanden och hjälpte det att få ett fotfäste i bredbandssektorn.
Idag är Data Storage Corporation en ledande leverantör av datatjänster, inklusive offsite‑backup och mer. Företagets tjänster har hjälpt företag att återhämta sig från stora förluster och även naturkatastrofer. Därmed har det behållit en stark position på marknaden och har strategiska partnerskap med stora teknikföretag som Microsoft.

Företagets produkter inkluderar ett stort antal skalbara företagsklassade resurser, inklusive ezHost. ExVault‑alternativet ger redundans till företag och avancerad kryptering, vilket möjliggör att de kan expandera verksamheten och hålla användardata säkra. Det finns också ett ezRecovery‑alternativ som förenklar att återuppta verksamheten efter stora katastrofer eller händelser.
Om Data Storage Corp kunde integrera den senaste mekaniska batteritekniken i sina erbjudanden, skulle deras kunder få bättre tjänster och företaget kunna minska kostnaderna. Den ökade lagringstätheten skulle göra det möjligt för företaget att erbjuda 4 × så mycket lagring som sina nuvarande anläggningar, vilket driver avkastningen på investeringar till nya höjder.

Ytterligare batterier värda att lära sig om

Det har inte saknats försök från forskare att skapa den perfekta lagringsenheten. Även om ingen har uppnått perfektion, har det skett betydande innovation. Här är några andra spännande lagringsmetoder som kan omforma marknaden i framtiden och ge dagens elektronik ett superminne.
Oxygen-based Memory
Denna lagringsmetod utnyttjar syremolekyler när de rör sig mellan förinställda minneslager. Dessa lager är gjorda av tantaloxid, metalltantal och tre platinelektroder som förflyttar O₂ mellan lagren. Denna mekaniska lagringsmetod har en stor fördel i att temperaturer inte raderar den, vilket gör den idealisk för extrema förhållanden där värme normalt skulle vara problematiskt.
Crystals
Forskare har nyligen undersökt användningen av kristaller som lagringsenheter. Kristaller har vissa egenskaper som kan förbättra lagringskapaciteten. För det första är de mycket styva och strukturerade på atomnivå. Detta system använder ultrahastiga laser för att exakt skriva in data i nanostrukturerade hålrum i silikakristall, vilket ger värmebeständig lagring.
Diamonds
Ett team av innovativa forskare fann att diamanter kan erbjuda liknande lagringskapacitet som kristaller. Till skillnad från kristaller bygger diamantlagring på att förändra diamantens färgcentrum med en elektrisk laddning. Precis som kristaller är diamantkodad data extremt värme- och tidsbeständig.

Mekanisk datalagring – Är det framtiden?

Det finns många anledningar till att mekanisk lagring kan vara vägen för framtiden. För det första möjliggör den ökade densiteten mer lagring på mindre plats. Därmed kan elektronik bli mindre och kraftfullare med dessa komponenter. Dessutom är dessa enheter hållbara och kostar mindre än alternativ. Alla dessa faktorer fortsätter att driva intresset för nya datalagringsmetoder och deras tillverkare.

Lär dig mer om andra spännande framsteg inom databehandling nu.

Studierreferens:

^{1. Kim, S., et al. (2025). Akrobatik på insektsnivå: En hållbar, precis och smidig mikro‑luftfarkost. Science Robotics, 10, eadp4256. https://doi.org/10.1126/scirobotics.adp4256}