大容量液态硬盘技术前瞻

一提到液态硬盘，会有多少人想到希捷研发的液态轴承(FDB)马达？不可否认，FDB马达的诞生为硬盘行业的发展做出了卓越贡献，提高了硬盘产品的可靠性，降低了噪音。但就硬盘的存储原理和容量扩充等重要特性来说，FDB却没有丝毫裨益，数据依旧通过磁场转换写入到高速旋转的HDD盘片上，容量的大小依旧受限于盘片存储密度……而今天我们要谈的液态存储则是一场彻底的技术革命，它或将改变存储产品的原理和形态。

人造大脑或将成真！大容量液态硬盘技术前瞻

熟悉存储行业发展的读者也许已经清楚何为FDB马达，在此之前，为了方便描述和宣传，业界将采用了液态轴承马达的HDD简称为液态硬盘，以示和传统工艺HDD之间的区别。这恐怕会让不少读者将它和我们今天所讲的液态硬盘混为一谈。所以在此先简单介绍FDB的来龙去脉，让不甚了解的读者也知道有关行业发展的故事，并清晰分辨两种“液态硬盘”的区别。

FDB不算真正意义上的液态硬盘

因为存储原理的关系，HDD的盘片必须不停旋转才能将数据“带到”磁头下方，让磁头完成读写操作。这至关重要的旋转依靠主电机提供动力，由连接盘片的传动轴终带动盘片转起来的。在液态轴承马达（Fluid Dynamic Bearing Motors）技术发明之前，HDD硬盘的传动轴承大多使用了滚珠式设计。类似很多风扇的中心轴设计，在转轴和轴套之间加入滚珠，以便减少轴和轴壳的直接摩擦，能让转动更加快速。但这留下了工作噪音较大、发热量和震动难以控制的问题。为此，希捷借鉴了被广泛应用于精密机械工业的油体润滑原理，推出了FDB马达。其技术核心是黏膜液油轴承，以油膜代替轴与轴壳之间的滚珠。与传统的滚珠轴承硬盘相比，液态轴承硬盘的优势是显而易见的：

FDB马达结构示意图

一是减噪降温。避免了滚珠与轴承金属面的直接摩擦，使硬盘工作中的摩擦噪音和因摩擦产生的热量被减至低。
二是减震。油膜可有效地吸收震动，使硬盘的抗震能力得到提高，数据读写的稳定性更强，另外减少震动也能降低硬盘工作时的噪音。
三是减少磨损。油膜隔绝了各机械组件之间的直接摩擦，降低了长时间工作后各个机械部件的磨损，有助于提高硬盘的工作可靠性和使用寿命。

早是在1996年，希捷(Seagate)公司生产了世界上第一台FDB马达，并随后推出了首款使用液态轴承马达的硬盘产品。这种新技术产品先被应用在企业级市场，在获得企业用户的全面认可后，伴随技术成熟度的提升和制造成本的降低逐步向台式PC普及。到2009年的时候，HDD行业基本就没有不采用液态轴承制造的硬盘了。实际上在此之后，我们反而很少再听到“液态硬盘”这种宣传称呼，因为大家都采用了FDB马达，没有必要再和谁区隔了。

“真”液态硬盘—存储介质是液体

就算之前不了解FDB的读者，看完以上介绍也能很明显地看出FDB的价值与不足，FDB对HDD的发展有所帮助，但并非是颠覆式的创新。至少存储原理没变，寻道规则也没变，还是磁头加磁盘的存储组合，容量的增长也还是依靠提高盘片磁密度来实现。当前磁密度提升越来越费力，面对这个瓶颈，FDB显然帮不上什么忙。而我们今天所说的液态硬盘技术则和FDB完全不同，它的诞生初衷就是颠覆—改变存储机制、改变产品形态，突破现有的容量和性能限制。而这一切的关键就在于存储介质的改变，有别于传统HDD的磁盘、也有别于当下SSD的闪存，这套存储系统的存储介质是一种液体材料—而这也是它被称为液态硬盘技术的根本原因。

胶体簇技术的研究主要由美国密歇根等大学的实验室完成

液态硬盘存储原理—数据魔方？

这套全新的液态存储系统的技术基础，来自密歇根大学和纽约大学的共同研究，他们共同开发出了一种纳米颗粒存储介质，暂时称其为“胶体簇”，胶体簇以粒子状态悬浮在基液当中。不剖析内部结构，只从外表来看就是一种带有数据存储能力的液体。

传统硬盘存储数据，是通过磁头改变盘片相应位置的“南、北”磁极，以分别对应数据的“0、1”状态。而胶体簇的存储方式则和此完全不同，它并不是只有0、1两种状态的二进制存储结构，它的存储结构看起来更像是魔方。在技术演示和讲解中，这个胶体簇通常由一个中心“球体”外围环绕4个数据颗粒构成。中心球体是控制结构，而外围4个颗粒的不同组合形态代表存储的不同数据。当中心球体较小时(稳定态)，外围颗粒处于稳定状态，结构排列固定，属于数据存储妥当的状态；当中心球体变大时(激活态)，颗粒处于激活状态，可以通过特定控制重新决定结构排列，代表存储不同的信息。研究团队已经利用聚合物材料制作出了这种含有1个中心球、4个数据颗粒的纳米胶体簇颗粒。中心球的变化由温度来控制，当基液被加热时，中心球膨胀，颗粒完成指定方位的重新排列。

液态硬盘研究员，博士后卡罗莱·菲利普斯（Carolyn Phillips）：你可以将胶体簇比作魔方，并完全可以用描述魔方的数学原理来展示胶体簇的每一种排列方式。

就现在的制造水平来说，带有4个存储颗粒的纳米胶体簇，已经能完成2种不同的组合方式。就数据状态来说能类比当前的0、1二进位机制，也即是说这种结构已经能融入现有的存储系统当中。

多大容量？—一汤匙能存1TB！

纳米材料制成的胶体簇颗粒就体积来说并不大，仅5μm。但相比磁盘上的一个数据点或者SSD中的一个半导体存储结构来说，它的体积并不算优势。那么这种新技术如何完成提高存储容量，拔高存储密度的任务？诀窍就在中心球外围的存储颗粒数量上。

当前展示的4颗粒胶体簇只是技术原型，也是受制作工艺限制的产物。实际上在研究人员的设计中，每个胶体簇的中心颗粒外围能搭配的存储颗粒并非只有4个，而是12个甚至更多存储粒子，类似魔方式的多面体排列，这样就能大幅度增加每个胶体簇的存储容量，终大幅提升液态硬盘单位体积的总容量。具体提升能有多大？就以每个中心球外围具备12个存储颗粒来举例，12个颗粒根据不同排列组合方式多能构成近800万种稳定性状态。若将这些状态数据化排序，大概等效当前二进制状态下的2.86Byte(字节)数据。这同比半导体一个存储单位只能存储1byte(位)数据来说，获得了大幅度提高，存储密度大约能做到当前存储产品的30倍。根据研究员们曾在实验室中做过的测试显示，只需要14.8毫升存储基液(大约就是我们常见的一汤勺容量)，就能存储1TB数据。此时基液中的胶体簇含量仅3%，胶体簇结构是每中心颗粒搭配12颗存储颗粒。倘若用普通硬盘，你至少需要智能手机大小的空间才能完成这个任务。更重要的是，研究人员表示，随着技术演进以及工艺水平的提高，基液中的胶体簇密度还能进一步提高，单个胶体簇的大小也还能进一步减小，以达到进一步提高整体存储密度的目的。就当前HDD和SSD的容量水平来说，液态硬盘能在同存储体积下，轻松达到近100倍的容量提升。

液态硬盘应用前瞻

液态硬盘的出现让计算机业界的不少研究者兴奋，这不仅仅因为它能大幅度提高存储容量，更重要的是，液态硬盘具备改变整个存储-计算结构的潜力。比如说它能打破计算机语言只能以字母和简单符号为基础的限制，让中文等比英文构成更复杂的自然语言成为基础机器语言。在此之前，因为ASCⅡ编码的限制，满足只有26个基础字母的英文输入相对容易，但难以照顾到基础文字过多的语言，所以计算机的底层语言是英语。若搭配上足够数量的存储颗粒后，每个胶体簇都能获得足够高的存储空间，理论上只要处理器能有与之匹配的处理能力，直接使用多文字的复杂语言作为底层语言也将能实现。

当前展示的胶体簇示意模型，为简单的1中心颗粒+4外围存储颗粒的结构。左右为两种不同的组合方式，中间为默认的未激发态。

当然，这只是基于现有技术的猜想，实际上当前计算体系想要全面颠覆并非这么简单。而在当前体系下，液态硬盘的意义依旧非凡。目前能够想到的，且进入研究部署阶段的创新就已经足够让人惊叹，比如说生物辅助技术。相对于硅晶体等硬质芯片，液态更容易植入到生物体中，甚至植入人的大脑。基于此的生物传感技术已经在开始研究，液态传感系统更容易完成动物体内的状态监测和数据分析，例如监控血糖指数、湿度、温度测定等辅助检测身体健康的事情。当然，初这类传感器技术可能会用于软体机器人的监控或者动物手术。另外，液体形态也更便于将大量数据存储进软体机器人的各个部位，比如拥有超大信息容量的人造大脑，帮助机器人实现脑内迅速搜索大量数据，让它们变得更加聪明；或者制造复杂关节传感、控制系统，让机器关节运动更灵活等等。而将来，这项技术甚至可以植入人体大脑，帮助人们实现辅助记忆以及快速的脑内知识存储和搜索。

往近点说，由于液体的便利性，液态存储技术很快将会用于检测水中的污染物，或是加入到液态原料中作为识别标志，用来追踪燃油、易爆物以及用于制造非法药品的化学物质等等管制液体。

现实的烦恼—还差三大步

液态硬盘的技术原理已经成形，前景也被普遍看好，但想要让它步入实用阶段依旧还有不少问题有待解决。

首先，重要的当属如何扩大基液中的存储密度，以及如何在提高胶体簇存储容量的同时，找到一种能在复杂环境中完成稳定和激发状态转换的可靠方式。而且这个方式还必须足够简易，适合规模化生产。完成了这一步，液态硬盘才算具备了实用化的资格。目前研究团队还只能依靠扫描隧道显微镜来测量基液密度以及查找数据模块，显然这离量产要求还很远……

机器人的动作不够灵活，很大程度上是因为它的传感器和控制系统不够发达。液态存储更适应空间受限的关节部位，有助于大幅提高机器人传感、控制性能。

其次，要解决如何融入现有计算-存储体系的问题。要想融入现有的存储体系结构，研究团队就必须找到一种能够在扩大存储基液体积的情况下，保持胶体簇排列形状的方法。并在此基础上确定形态的唯一性，以及每种形态和相应二进制代表数据的唯一对应关系。这需要科学家能够计算所有不同的结构模式，并理解如何从一个稳定状态定向变换至另一个稳定状态，之后再确定每一个状态的唯一对应编码信息。只有这样才能确定写入数据的确定性，以及读取胶体簇数据时的唯一性、准确性。这是一个相对庞大的工程，甚至是个长期工作，但技术原理上并不复杂，是个耗时的工作。我们至少需要胶体簇对应编码数量多到能满足日常计算，才能开始液态存储系统的试运行，并持续更新直至终能完美匹配。

再者，需要解决流体内胶体簇的“定位”问题。这有些像HDD硬盘中的寻道过程，如何从存储基液当中准确定位你要读写的胶体簇？研究小组需要寻找一种方法锁定这些胶体簇在大量液体中的正确外形结构和相对位置，以便正确查找信息，确保读写的快速与准确。相比前几个问题来说，这个问题显得尤为迫切和重要，也是该技术中难度大的工程问题之一。什么时候这个问题能够顺利解决，液态硬盘就应该能顺利出现在大家的PC中，或者说大脑里了。无论如何，这个有些前卫，甚至“科幻”的技术都值得我们期待，它有实力让我们进入更人性、智能的计算时代。例如为未来的虚拟现实等充满视觉诱惑，却又对存储系统体积、性能、容量等各方面皆有极高要求的技术添砖加瓦；或者为高级AI和高级人造智能机器铺路。总之我们期待它的早日成熟。