走进纳米存储的世界

你现在的硬盘有多大?1TB还是

2TB?从硬盘诞生到现在经过29年的努力，硬盘容量才从1GB进入1TB时代。在垂直记录技术的帮助下，硬盘在未来几年问鼎10TB容量已经没有太多的悬念。也许你还不知道，就在我们猜测硬盘什么时候能达到100TB的时候，存储领域一场革命性的变革却在悄悄的酝酿，也许无需再等29年，我们就能迈入PB时代。而这一切，都来自一个热门却又神秘的科技—纳米。

存储密度与介质寿命，鱼和熊掌不可兼得？

2009年绝对是固态硬盘遍地开花的一年。在这一年里，不仅不少笔记本电脑用上了固态硬盘，包括Intel在内的业界巨头也掀起了一股固态硬盘平民化的浪潮。毫无疑问，凭借超低的访问延迟和持续稳定的传输率，固态硬盘相比机械硬盘有着压倒性的性能优势。但固态硬盘也有着致命性的缺陷—一块34纳米制程、80GB固态硬盘的售价就和一块2TB的机械硬盘相当。如果你需要500GB甚至1TB的固态硬盘，那至少要准备6位数的钞票才能如愿以偿。

更要命的是，固态硬盘虽然抗震耐热，但却因为自身半导体结构的特性，使得单一存储单元会在擦写数千次之后失效—这和硬盘坏道不同，固态硬盘存储单元一旦失效，就会让整个固态硬盘陷于瘫痪，你也别指望通过传统数据恢复手段能取回数据。也许你会说，根据摩尔定律，固态硬盘不是应该每18个月就价格下跌一半，容量提升一倍吗？那要不了几年，固态硬盘就能代替机械硬盘。

存储从此无界？拉开纳米时代的篇章

1.纳米管存储结构初探

如果我们告诉你，有一种技术能让我们的存储密度达到每平方英寸1Tbits，然后存储介质寿命达到10亿年，你可千万别以为我们在痴人说梦，又或者在介绍火星科技，这一切不过是纳米技术的功劳。

近期加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室发表的纳米可逆信息存储技术的论文中显示，他们已经找到了一种可以大幅提高现有存储密度和存储寿命的技术。他们通过纳米机械组装出了极为牢固可靠的纳米存储元件，轻松实现了存储密度和存储寿命的爆发性增长。

纳米粒子在纳米管中运动以实现数据存储。整个纳米管有200纳米长度，带有两端电极

将纳米颗粒封装入碳纳米管，然后通过移动纳米颗粒来存储数据，通过检测纳米颗粒位置来读取数据，同时在1平方英寸的面积下堆放1百万兆个碳纳米管，从而构建出每平方英寸存储密度高达1Tbit，存储时间超过10亿年的介质。

根据他们设计的原型，这种纳米存储元件可以在低电压双端电极下实现信息的读取和写入。更重要的是，这种纳米元件可以直接通过现有的硅半导体工艺进行生产，由于生产过

程中所使用的纳米机械完全封闭，所以整个过程可以轻松杜绝各种污染。虽然原理虽然简单易懂，但是要实现起来，可就异常复杂。

在存储单元的内部结构上，纳米存储器实际上就是一个将纳米颗粒封装到多层碳纳米管之中的异质纳米存储结构。要制造它，我们需要让纳米颗粒和纳米管在1000℃高温下穿过氩气和处于高温分解状态的二茂铁之中，然后再通过超声波振动将包含有纳米颗粒的纳米管扩散到聚丙烯基板上。

什么是碳纳米管？

1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被大家称作“Carbon nanotube”的碳纳米管,又名巴基管。碳纳米管是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口)的一维量子材料。它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm，直径一般为2nm～20nm。

典型的碳纳米管

碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：单壁碳纳米管(Single-walled nanotubes, SWNTs)和多壁碳纳米管(Multi-walled nanotubes,MWNTs)。目前包括IBM等公司在内的大型企业，都可以生产碳纳米管，每克碳纳米管的价格在100美元左右。

2.纳米管如何读写数据？

纳米颗粒可以在纳米管内部通道中向前或者向后移动，通过感知纳米颗粒的位置，就能确定纳米存储单元的逻辑状态，从而实现信息的存储。在之前的研究中，加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室已经验证过不同几何形状的纳米颗粒在富勒烯的帮助下被封装到碳纳米管内部后的运行状况，这些纳米颗粒能正常的“前”“后”活动以进行信息的存储。

要推动纳米颗粒向前，需要电迁移效应的帮助，只需要1.55V的电压，就能让纳米颗粒以1nm/s的速度前进或者后退。如果将电压提升到1.75V，纳米颗粒更可以以1.4μm/s

的速度移动。和纳米领域经常使用的肌球蛋白马达相比，纳米管中的纳米微粒的移动速度高出前者整整4个数量级。在实验中人们更获得了最高2.5cm/s的极速。

纳米颗粒在显微镜下观测，颗粒移动至左端代表数据0，移动至右端代表数据1

如果只是让纳米微粒随意移动，要实现存储也相当困难。所幸的是，根据加电时间长短，纳米微粒在纳米管中能提供阶段级的移动。当我们将2V电压以20纳秒的速度施加时，纳米微粒移动的距离正好是3纳米。这样一来，我们只要掌握电流强度和通电时间，就能精确移动纳米微粒。通过脉冲电流，更可以让纳米微粒持续地运动。

和传统的肌球蛋白运动每个脉冲行程36纳米相比，新的方法显然更加精确可靠。在用作存储数据的时候，我们可以把纳米管的左边定义为0，右边定义为1，这样就能通过脉冲快速改变纳米颗粒的变化，从而实现数据存储。

用电流控制纳米微粒在纳米管中的位置实现信息存储，那读取的时候怎么办？用实验室的电子显微镜显然不切实际。毕竟电子显微镜是一种成像设备，我们要读取数据只要知道纳米颗粒在纳米管中的具体位置即可，完全无需获得精确的图片。为此研究小组希望通过双端电极来实现纳米管的数据读取。他们首先发现纳米管中纳米颗粒的不同，将会引起纳米管轴向电阻的显著变化。因此只要为纳米管施加非常微小的电脉冲，就能通过测量电阻变化来确定纳米颗粒的位置。由于电脉冲的电压很小，因此并不会驱动纳米颗粒，导致位置的改变，存储在纳米管中的数据，自然相当安全。

整个纳米管的电阻变化，也因此产生了一致性。换句话说，纳米存储单元中用电压控制纳米颗粒的位置变化写入数据后，将会直接导致电阻变化。也正因为如此，人们才能轻易的在纳米管上写入读取数据。

在整个装置中，最关键的一点在于如何让这些纳米颗粒能轻松地被人们所随意移动，以及如何无损的在不影响纳米颗粒位置状态的情况下获得它们的精确定位。更重要的是，研究人员还希望能找到简单直观的移动和检测纳米颗粒位置的方法—要是动辄就要动用电子显微镜，那这样的存储设备注定无法走出实验室。

3.纳米管存储有多可靠？

在验证模型上，研究组对纳米管写入了101010数据，每写入一次，连续读取4次。然后将读取出来的数据对照电子显微镜中的图像，来判断是否正确。事实证明，通过微扰原理读取数据是相当安全的，纳米微粒的位置也和预想中的完全吻合。同时值得一提的是，由于纳米管是完全密封的结构，只借助电磁力改变纳米颗粒的状态，因此这样的存储设备能够在不同的磁场中正常工作。

为了进一步验证纳米管存储的可靠性，实验小组还进行了更为复杂的测试。在常温下让纳米管中的铁纳米粒子移动足够的距离，直到信息出现丢失，这样的距离大约是200纳米左右，不过是头发直径的二百分之一。同时碳纳米管具有良好的力学性能，抗拉强度达到50GPa～200GPa，至少比常规石墨纤维高一个数量级，是钢的100倍，密度却只有钢的1 /6。它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。所以，纳米存储技术的可靠性也绝非传统磁盘光盘能比拟。在常温下纳米管所能保持信息的时间超过3.3×1017秒。对于单个存储单元来说，这样的寿命意味着在10亿年内无需担心数据丢失。这几乎一劳永逸地解决了数据保存问题。