傳統硬盤的致命傷
芯片硬盤一直都是計算機界的夢想，但時至今日，硬盤依然在使用上個世紀七十年代出現的溫徹斯特技術：盤片高速旋轉、磁頭作徑向移動以實現數據讀取。這種機械結構與生俱來的低性能、高故障率和短暫的使用壽命便成為今天硬盤的死穴，那么，能否用一枚高性能、高可靠性的芯片來代替硬盤呢？IBM Millipede超高密度存儲芯片技術也許是這種想法唯一的實踐者……
傳統硬盤的致命傷
不管硬盤如何提速，它都是計算機系統的瓶頸，這種狀況恐怕十年內都難以得到有效改觀，而其為人詬病的低可靠性與短使用壽命也是如此。若拿今天的硬盤技術同圖形技術、微處理器技術甚至相對緩慢的內存技術相比，前者的發展程度令人汗顏??這個結果其實早在上個世紀70年代IBM發明“溫徹斯特”硬盤技術時即已種下。盡管同當年的硬盤相比，現代硬盤的容量和速度都不可同日而語，但是它的存儲原理和工作模式并沒有改變分毫：兩者都是利用磁頭、磁盤結構，通過磁頭徑向移動和磁盤高速旋轉實現數據存取。顯然，機械結構仍然是當今硬盤的基礎。
這樣做的弊端顯而易見：首先，硬盤速度提高相當艱難??要提高硬盤速度，最直接的方法是提高硬盤的轉速或存儲密度，但機械結構所限，硬盤的轉速很難在付出低代價的條件下進一步提高，因為它不可避免要遭遇電機損耗、功率、噪音、可靠性等許多問題，7200轉幾乎成為IDE硬盤的終極。至于存儲密度，硬盤的表現還算不差，但即便如此，硬盤的內部傳輸率在這幾年中也不過從20MB/s左右提升到區區60MB/s左右，瓶頸效應不僅未消除反而一天比一天嚴重！
機械結構第二個弊病就是使用壽命與可靠性問題。任何機械都會損耗，此乃千古不易的公理。硬盤同樣如此，在使用過程中電機、磁頭這些機械結構的壽命必然逐日俱減，所以我們不能指望硬盤的壽命能有多長，對一塊普通IDE硬盤來說，能堅持5年時間絕對是一個奇跡！假如這個問題不重要，那么大家都會關注的便是硬盤的可靠性??相信許多讀者都有這樣的經歷：好好用著的硬盤莫名其妙出現物理壞道接著掛掉??這個問題普遍得讓人們麻木，經過這些年的“熏陶”，想必大家都認為硬盤天生都是如此。問題還是出在硬盤的機械結構上??磁頭磁盤等機械部件均相當精密，使用中普通的沖擊或振動都足以造成致命傷害，硬盤故障率高由此而來??但比較一下：有多少人發現好好使用著的內存、顯卡無緣無故損壞？只要不偷工減料制造，這些非機械性部件都可近乎無限使用，而硬盤卻顯得無比弱不禁風、實在令人遺憾！
盡管硬盤技術的改良工作從未停息，諸如AFC“仙塵”、Serial ATA、大容量緩存、液態軸承、玻璃盤片、BigDrive等各種先進有效的新技術不斷涌現，但硬盤速度慢、可靠性低下、使用壽命短的問題卻沒有得到絲毫改觀，唯一可圈可點之處便是容量得到快速提升！這一切均拜機械結構所賜，假如不進行根本性的變革，我們將始終面對這樣的情形。
芯片硬盤：未來的發展方向
或許，高密度的固態存儲芯片是我們未來的希望，換一種說法，救星便是“芯片硬盤”！所謂的芯片硬盤即是以單芯片或芯片組合作為存儲主體、它沒有任何的機械結構，就好像計算機里頭的內存條、微處理器、顯卡聲卡等部件一樣。毫無疑問，芯片硬盤具有與生俱來的高可靠性，而電子技術的高性能與成倍的性能提升速度都是機械技術所難以企及??聽起來的確美好：幾乎達到內存速度的芯片硬盤，不怕震動、不會損耗、只要你愿意可以讓它不知疲倦地工作……那么，要實現芯片硬盤需要跨越多少技術屏障呢？
高密度、高速度、低功耗、低成本是芯片硬盤技術的四要素：要想取代傳統硬盤，高存儲密度絕對不可缺少??以目前硬盤的容量水平作為基準衡量，容量若無法達到100GB以上，芯片硬盤便沒有什么發展前途！其次，高速度也是芯片硬盤的必須，以電子技術取代機械技術的目的正基于此??我們應該無需擔憂這個問題，畢竟電子技術應該比機械技術來得更快！即便暫時有所不足、追趕甚至超越也并非難事！第三，低功耗；這個問題應該不用多說，誰會愿意自己的硬盤是個耗電大戶？第四，低成本，這是芯片硬盤技術的又一個關鍵所在??實際上以目前的存儲技術而言，制造出100GB水平的存儲芯片并不艱難（索尼記憶棒技術及各種閃存技術都可能成為選擇），但其高昂的制造成本和巨大的體積令人望而止步，如何方能普及推廣？！
要滿足這些特征，現有的各種存儲芯片技術無一合適??幸運的是，作為硬盤始作俑者的IBM再次扮演救世主的角色，它正在研究的Millipede超高密度存儲芯片技術也許是芯片硬盤技術的唯一候選者！
Millipede??首個應用于數據存儲的納米技術
Millipede是IBM正在研究的一種超高存儲密度芯片技術，它可以在1平方英寸(合6.45平方厘米)大小的芯片上存儲近1Tb(1000Gb，或125GB)數據量，存儲密度為傳統硬盤的20倍之多??形象點說，一枚郵票大小的Millipede芯片便可以輕松存儲25部高質量DVD電影或250萬頁教科書內容；而利用該技術制造出1000GB容量、體積極小的的存儲芯片輕而易舉??這項令人震驚的新技術的出現意味著芯片硬盤不只存在于人們的理想之中，而是很有可能實現的現實！
那么，Millipede技術如何做到這一點？IBM表示，Millipede技術實際上是該公司系列納米技術研究項目的一部分，它是一種納米層級的新概念存儲技術。顯然，這與現有的硬盤或各類存儲芯片都沒有什么相似的地方。
我們很難用一句話向大家歸納出Millipede技術的精義，不過大體介紹還是必要的：簡單點說，Millipede技術是通過一個特殊的讀寫頭陣列在存儲介質表面進行加熱“標記”來實現數據存儲的??①讀寫頭陣列由32×32個獨立的讀寫頭構成（即由1024個讀寫頭構成的方形陣列），讀寫頭的尺寸相當微小，其用于數據存取的尖端的直徑只有10納米，尺寸相當于頭發絲一萬分之一?、诖鎯橘|是由雙層有機材料薄膜和硅基層構成的多層結構。③在進行數據存儲時，讀寫頭的尖端會被加熱電阻在幾毫秒內急速加熱到400攝氏度，同時讀寫頭向下運動與存儲介質表面接觸、在有機材料薄膜表面加熱灼燒出一個直徑10納米的數據凹坑，每個凹坑代表一個數據位。④讀取數據時讀寫頭則插入這些存儲介質的數據凹孔中，加熱電阻將讀寫頭尖端的溫度提升到300攝氏度，這樣可在不破壞凹坑形狀的前提下讀出其中數據。⑤工作時讀寫頭陣列保持固定不變，而聚合物存儲介質則以一定的頻率和振幅作“X－Y”方向的平面移動以實現數據尋址??這一點同硬盤磁頭徑向運動尋道的模式剛好相反。
圖1：Millipede技術工作過程：（上）1024個讀寫頭組成的讀寫陣列并行運作??讀寫頭陣列位置固定不變，而用于數據存儲的聚合體進行X、Y方向的徑向移動，各個讀寫頭上下運動（Z方向）讀寫數據、彼此互不干擾。（下）單個讀寫頭通過加熱的方式在聚合體表面加工出凹坑；
對一項完全從頭起步的技術來說，這么描述未免太過粗略，我們有幾個問題需要明了：第一，Millipede讀寫頭陣列總數目眾多的讀寫頭如何協同卻又各自獨立運作？第二，存儲介質如何實現數據存儲？第三，Millipede技術如何實現數據的尋址？要解答這些問題，我們必須深入到Millipede的內部中去、了解它們的結構組成。下面，我們便從最表面的讀寫頭陣列運作機制開始，逐步深入到讀寫頭／存儲介質的結構與原理中去，向大家一步一步揭示Millipede技術有何奧秘。
Millipede的讀寫頭
讀寫頭是Millipede的關鍵之一，它的作用和硬盤的磁頭一樣、都是用于數據讀寫的，兩者不同的只是硬盤的磁頭為宏觀尺寸，而Millipede讀寫頭卻是納米級的。
Millipede的讀寫頭主要由顯微機械加工的硅懸臂（Silicon Cantilever）、壓力控制（stress controlled）、加熱電阻（Heater Resistance）和讀寫尖端（Tip）四部分構成，此外還包括鎳橋（Nickel Bridge）、低滲雜肖特基二極管區域（Low doped Schottky diode area）、金屬鎳(Metal Nickel)／黃金(Metal Gold)構成的兩個輔助區域。硅懸臂與壓力控制器的作用是控制讀寫頭的上下運動，以實現同存儲介質的接觸與分離，其中懸臂還擔負傳輸控制／數據信號的額外使命；加熱電阻的作用則是為讀寫尖端加熱、使之迅速升溫至400攝氏度（數據寫入）或300攝氏度（數據讀?。?，而讀寫尖端自然是用來實現數據讀寫的。整個讀寫頭的尺寸大約為100微米，懸臂最長度不超過70微米、最寬度不超過30微米，讀寫尖端則是一個底直徑2微米、高度2微米的細微硅材料圓錐體??不過它在存儲介質表面形成的凹坑的直徑只有10納米（1微米＝1000納米）。
圖2：讀寫頭結構：（上）讀寫頭俯視圖；（下）讀寫頭剖面圖
圖3：逐級放大的Millipede讀寫頭。左上與左下：讀寫頭陣列；右上與右下；單個讀寫頭，結構可參照圖2
Millipede的存儲介質
Millipede存儲介質也非常特殊，它非常像一個四四方方、平平整整的漢堡包：與讀寫尖端接觸的表層是一個厚度只有50納米的聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate，PMMA）薄層，這個PMMA層也就是凹坑的形成區域（也就是真正的數據存儲區域）。中間則是厚度為70納米的交鍵環氧感光樹脂（Cross-linked Epoxy Photoresist，SU-8）薄膜，它起著隔離的作用??這兩個有機材料薄層才是真正的數據儲存區域。最下面則是用于襯墊的硅基層，它比PMMA層和SU-8層都厚得多。
圖4：存儲介質的結構組成與工作過程
Millipede的二進制數表達方式非常簡單：寫入時讀寫頭灼燒出凹坑，然后讀寫頭將數據“1”或數據“0”寫入（一個凹坑代表一個數據位），讀取時信號被反饋給插入凹坑的讀寫頭，經識別之后數據信號被讀寫頭交給Millipede的控制邏輯，最終由Millipede控制邏輯完成數據組裝并傳送。而若要對原有的數據進行改寫，讀寫尖端會灼燒出成一連串偏心凹坑（Offset Pits），它們彼此重疊得足夠緊密以填滿原先的凹坑，這樣原來的數據凹坑就被抹掉。
Millipede的數據尋址方式
但僅僅實現一個數據位的寫入或讀取顯然不行，任何一項存儲技術只有能夠存取大量數據流方有使用價值，這就牽涉到數據尋址問題??傳統硬盤的尋址工作包含磁頭尋道和扇區尋找兩項工作，而Millipede技術則使用X方向和Y方向的坐標定位工作??這兩者實際上是一回事，只不過在數量級和機械模式有所不同罷了：為了尋找磁道，硬盤的磁頭必須不停地作徑向運動，而為尋找扇區硬盤盤片始終都得高速旋轉；相比之下，Millipede讀寫頭陣列的位置固定不變，可是其聚合物存儲介質卻必須作X方向和Y方向的周期性平移。
當然，單單由存儲介質作X－Y移動并不能完成尋址工作，畢竟Millipede的讀寫頭陣列擁有1024個獨立的讀寫頭??Millipede利用多元驅動器（Multiplex driver，MUX）來解決這個問題，在它的輔助之下，每一個讀寫頭都可進行獨立的尋址工作，這樣，Millipede便可實現寫入數據流的分配和讀取數據流的組裝工作，此時Millipede方稱得上是一種具有實用意義的存儲技術。
圖5：Millipede技術的數據尋址實現：存儲介質作X、Y方向的平面移動，讀寫頭陣列的位置固定不變，但是每個讀寫頭會根據相應的控制命令作讀或寫操作、各自互不干涉
關于Millipede的幾個疑問
了解完Millipede技術的實現原理之后，問題便轉到Millipede所擁有的超高存儲密度上來??能夠實現1Tb／inch2的高密度多多少少令人驚訝，但了解Millipede的工作原理后問題便迎刃而解：由于每個數據凹坑的直徑只有10納米，而彼此間的間隔也是納米數量級??按最初的方案，數據凹坑呈現規則矩形陣列，凹坑間的橫向間隔為200納米、縱向間隔為120納米??這樣在一平方英寸大小的面積上便可容納約25Gb個數據凹坑，由于一個凹坑代表一個數據位，換言之，此時它的存儲密度可達到25Gb／inch2（1英寸＝2.54厘米＝2.54 X 107納米，1平方英寸大小的區域橫向可以容納2.54 X 107／200＝1.27 X 105個數據凹坑，縱向可容納2.54×107／120＝2.17×105個數據凹坑，這樣在1平方英寸面積上數據凹坑的總數可達到2.69×1010個，1個凹坑代表一個數據位，其存儲容量便為2.69×1010bit≈25Gb）。假如采取另一種凹坑峰巢狀分布的方案、數據凹坑間的縱橫間隔均可達到40納米，此時它的存儲密度可以提高到接近400 Gb／inch2的水準！而采取凹坑間隔更短的超高密度方案的話，Millipede的存儲密度則可以達到1Tb/ inch2的驚人水平！
圖6：Millipede三種方案的存儲密度，目前水平已可達到1Tb/inch2的水準。
第二個疑問來自于發熱量與功耗。高達400攝氏度的寫入溫度和300攝氏度的讀取溫度讓大家瞠目結舌??這樣的產品如何能夠投入實用？實際上這與我們通常所理解的大相徑庭，原因便在于數據讀寫都是發生在納米層級：讀寫頭在幾毫秒內將尖端的溫度提高到300／400度高溫，而尖端的溫度也會在同樣短的時間內降到室溫的水準，畢竟這個讀寫尖端的尺寸是如此的微??！若在最高性能的模式下工作，Millipede的預定功耗也僅有100mW，芯片表面也不會怎么發熱，這意味著未來其速度提升不會受到這兩個因素的阻礙。
對密度如此之高的存儲技術來說，讀寫速度顯得尤為關鍵，不幸的是，這是目前Millipede技術的致命傷：據IBM表示，采用1,024個(32×32)讀寫頭的Millipede實驗室原型，所能達到的最高速度僅有32Kb/s??瓶頸主要出現在尋址時間上，目前存儲介質“X?Y”方向的移動頻率在20～350Hz之間，這個數字實在太為寒磣！不過也屬萬幸，假如移動頻率達到GHz而速度還是如此緩慢的話，那Millipede恐怕沒得救了！另一個瓶頸出現在讀寫頭灼燒形成凹坑的幾毫秒時間??要縮短這個過程其實很容易，只要提高電壓、使讀寫尖端的溫度提得更高即可（理論上可提到700度），不過目前時機尚不成熟，主要是高溫度下有機材料的穩定性還有待考驗；另一個解決辦法是采用更合適的有機材料，IBM也同時往這兩個方向努力。第三個性能約束則來自于讀寫頭數量的多寡??讀寫頭陣列包含數量越多的讀寫頭，其一次性讀取的數據量也就越大，比如說1024個讀寫頭、它一次只能寫入/讀取1024bit數據，若為4096個讀寫頭，一次便能寫入/讀取4096bit數據，所以提高讀寫頭數量是一個很可行的辦法！
矛盾結合體：Millipede能否擔當芯片硬盤重任？
Millipede可以說是一個矛盾結合體：超高存儲密度讓人難以抗拒，而如此低下的性能又給人們潑了一盆冷水，在短時間內想投入實用絕無可能，IBM也公開表示，Millipede至少在10年之內不會取代現有的硬盤技術。
前面我們提到，沒有機械結構、高可靠性是芯片硬盤最誘人的地方，而Millipede在這兩個地方卻讓我們難下結論??以肉眼來看，Millipede不過是一枚小小的存儲芯片，它的確沒有尋?？梢姷臋C械結構；但若深入到納米層級，你會發現Millipede的工作模式和現在的硬盤并無本質區別：一樣需要依靠存儲介質機械移動來實現尋址，讀寫頭也必須上下運動才能讀寫數據??換言之，Millipede是一種復雜的納米機械，它對外部振動甚至更為敏感，稍微大點的風吹草動都可能使它產生難以修復的故障；同時，機械技術與生俱來的低速度更是令人頭疼。從這兩個角度來看，作為芯片硬盤候選技術，Millipede還存在巨大的困難！
讀者恐怕會有另外一個疑問，存儲介質中的有機材料是否能夠經受無限制的加熱灼燒、生成凹坑？理論上說這些材料的使用壽命都是很有限，正如只能檫寫1000次的CD－RW刻錄盤片一樣。不過我們無須為這個問題擔憂：在IBM的可靠性測試中Millipede芯片經受了數百萬次的數據擦寫，而自身依然沒有失效??以一天擦寫100次計算，Millipede芯片至少可以使用27年之久！這一點Millipede的確很符合芯片硬盤的要求，只是它得發生在不出現故障的前提下。
低讀寫速度是Millipede技術最為致命的地方，不過這方面Millipede存在充裕的改進余地??目前Millipede存儲介質的移動頻率不超過350Hz，粗略估計、IBM在10年內將這個頻率提升到GHz級別相當有可能??此時它的移動速率足足提高3,000,000倍、尋道時間也會有巨幅縮短！另一個著眼點便是提高讀寫頭數量，目前IBM只制造出1024個讀寫頭的Millipede實驗室原型，而明年4096個（64×64）讀寫頭的原型產品也將推出??制造Millipede芯片的方法很類似于超大規模集成電路（VLSI）芯片的制作方法， IBM只要對Millipede芯片的控制邏輯和制造設備的控制軟件作些調整即可輕而易舉提高讀寫頭的數量；從這個角度考慮，將讀寫頭數量提高10000倍和提高4倍在制造上沒有什么本質差別，只是限于芯片尺寸（1024個讀寫頭的Millipede芯片大小為3mm×3mm），我們認為將讀寫頭數量提高400倍是比較理想的（此時Millipede芯片大小約為6cm×6cm），這樣的話其一次性數據讀寫速度可以迅速提高400倍！
圖7：Millipede存儲芯片的實驗室原型。
在制造成本方面，Millipede技術相當令人滿意，它可以利用現有設備進行制造，芯片的成本相對低廉。若進入大量生產階段，其成本還可以得到進一步降低，這一優勢也是其他任何高密度存儲技術難以比擬的地方，對Millipede的未來發展也相當有利！
前瞻：Millipede，芯片硬盤難言生死
超高存儲密度、低性能、超長數據存儲時間、極差的抗震能力??Millipede技術堪稱矛盾綜合體，不過缺陷都是可以改進的，只是我們目前難以知曉它能改進到什么樣的水準！當然，這并不是一個十分緊迫的任務，IBM有足夠的時間解決這個問題，畢竟在這個領域，不存在任何有力的挑戰者。
IBM沒有大肆宣揚Millipede可作為下一代硬盤技術，它只是很保守地說明這種技術將“定位于要求空間大于速度的設備，例如移動電話、掌上電腦或其它便攜式設備”??明眼人一眼就可看出就是一句托詞，IBM還不會瘋狂到有讓手機、掌上電腦擁有1Tb以上存儲容量的愚蠢想法，何況它目前的最高速度只有區區32Kb/s！或許，IBM的另一句話更代表它的真實想法：“Millipede技術在十年之內都不會取代傳統硬盤在存儲市場上的主導地位”??換句話說，十年之后，Millipede技術擁有這樣的可能性，而IBM也的確需要十年時間來發展完善這項技術??大家或許覺得時間太長了，但作為一項從零起步的基礎研究，花費十年時間讓它成熟起來一點都不過分！
盡管存在存儲速度慢、懼怕外部振動等問題，Millipede技術的巨大魅力卻難被遮擋，一旦IBM解決這些問題，芯片硬盤時代恐怕隨之而來??不過基于Millipede技術的芯片硬盤不會和想象中一樣完美，其速度再快也難以達到內存級別，可靠性即使高于現在的硬盤但也達不到堅不可摧的地步，這一切都是由Millipede“納米機械”的結構所先天決定、無法更改。我們今天還無法斷定Millipede能否成為芯片硬盤的技術標準，但是假如這項技術不成功，芯片硬盤便沒有希望，因為除了IBM，絕沒有第二家公司在高密度存儲技術有如此之深的造詣，也沒有第二家公司愿意投入巨額資金來從事成效緩慢且風險巨大的基礎研究，而那些勾心斗角的硬盤廠商更不可能團結起來共同協作開發新技術……這一切注定Millipede成為芯片硬盤的唯一希望，即使它不完美，但總算朝著人們的理想邁出可貴的一步！或許，繼上個世紀70年代發明溫徹斯特硬盤技術之后，Millipede會再次讓IBM決定存儲的未來！
我們有理由記住這兩個名字：PeterVettiger、GerdBinnig，這兩位曾因共同發明掃描穿隧顯微鏡而獲諾貝爾獎、IBM蘇黎世研究實驗室的科學家。Millipede技術從概念到實現都是此二人的杰作，而該技術的名稱（Millipede，意為節肢動物）則源自于那些和節肢動物的腿一樣密密麻麻、數量眾多的讀寫頭……
