传统硬盘的致命伤
芯片硬盘一直都是计算机界的梦想，但时至今日，硬盘依然在使用上个世纪七十年代出现的温彻斯特技术：盘片高速旋转、磁头作径向移动以实现数据读取。这种机械结构与生俱来的低性能、高故障率和短暂的使用寿命便成为今天硬盘的死穴，那么，能否用一枚高性能、高可靠性的芯片来代替硬盘呢？IBM Millipede超高密度存储芯片技术也许是这种想法唯一的实践者……
传统硬盘的致命伤
不管硬盘如何提速，它都是计算机系统的瓶颈，这种状况恐怕十年内都难以得到有效改观，而其为人诟病的低可靠性与短使用寿命也是如此。若拿今天的硬盘技术同图形技术、微处理器技术甚至相对缓慢的内存技术相比，前者的发展程度令人汗颜??这个结果其实早在上个世纪70年代IBM发明“温彻斯特”硬盘技术时即已种下。尽管同当年的硬盘相比，现代硬盘的容量和速度都不可同日而语，但是它的存储原理和工作模式并没有改变分毫：两者都是利用磁头、磁盘结构，通过磁头径向移动和磁盘高速旋转实现数据存取。显然，机械结构仍然是当今硬盘的基础。
这样做的弊端显而易见：首先，硬盘速度提高相当艰难??要提高硬盘速度，最直接的方法是提高硬盘的转速或存储密度，但机械结构所限，硬盘的转速很难在付出低代价的条件下进一步提高，因为它不可避免要遭遇电机损耗、功率、噪音、可靠性等许多问题，7200转几乎成为IDE硬盘的终极。至于存储密度，硬盘的表现还算不差，但即便如此，硬盘的内部传输率在这几年中也不过从20MB/s左右提升到区区60MB/s左右，瓶颈效应不仅未消除反而一天比一天严重！
机械结构第二个弊病就是使用寿命与可靠性问题。任何机械都会损耗，此乃千古不易的公理。硬盘同样如此，在使用过程中电机、磁头这些机械结构的寿命必然逐日俱减，所以我们不能指望硬盘的寿命能有多长，对一块普通IDE硬盘来说，能坚持5年时间绝对是一个奇迹！假如这个问题不重要，那么大家都会关注的便是硬盘的可靠性??相信许多读者都有这样的经历：好好用着的硬盘莫名其妙出现物理坏道接着挂掉??这个问题普遍得让人们麻木，经过这些年的“熏陶”，想必大家都认为硬盘天生都是如此。问题还是出在硬盘的机械结构上??磁头磁盘等机械部件均相当精密，使用中普通的冲击或振动都足以造成致命伤害，硬盘故障率高由此而来??但比较一下：有多少人发现好好使用着的内存、显卡无缘无故损坏？只要不偷工减料制造，这些非机械性部件都可近乎无限使用，而硬盘却显得无比弱不禁风、实在令人遗憾！
尽管硬盘技术的改良工作从未停息，诸如AFC“仙尘”、Serial ATA、大容量缓存、液态轴承、玻璃盘片、BigDrive等各种先进有效的新技术不断涌现，但硬盘速度慢、可靠性低下、使用寿命短的问题却没有得到丝毫改观，唯一可圈可点之处便是容量得到快速提升！这一切均拜机械结构所赐，假如不进行根本性的变革，我们将始终面对这样的情形。
芯片硬盘：未来的发展方向
或许，高密度的固态存储芯片是我们未来的希望，换一种说法，救星便是“芯片硬盘”！所谓的芯片硬盘即是以单芯片或芯片组合作为存储主体、它没有任何的机械结构，就好像计算机里头的内存条、微处理器、显卡声卡等部件一样。毫无疑问，芯片硬盘具有与生俱来的高可靠性，而电子技术的高性能与成倍的性能提升速度都是机械技术所难以企及??听起来的确美好：几乎达到内存速度的芯片硬盘，不怕震动、不会损耗、只要你愿意可以让它不知疲倦地工作……那么，要实现芯片硬盘需要跨越多少技术屏障呢？
高密度、高速度、低功耗、低成本是芯片硬盘技术的四要素：要想取代传统硬盘，高存储密度绝对不可缺少??以目前硬盘的容量水平作为基准衡量，容量若无法达到100GB以上，芯片硬盘便没有什么发展前途！其次，高速度也是芯片硬盘的必须，以电子技术取代机械技术的目的正基于此??我们应该无需担忧这个问题，毕竟电子技术应该比机械技术来得更快！即便暂时有所不足、追赶甚至超越也并非难事！第三，低功耗；这个问题应该不用多说，谁会愿意自己的硬盘是个耗电大户？第四，低成本，这是芯片硬盘技术的又一个关键所在??实际上以目前的存储技术而言，制造出100GB水平的存储芯片并不艰难（索尼记忆棒技术及各种闪存技术都可能成为选择），但其高昂的制造成本和巨大的体积令人望而止步，如何方能普及推广？！
要满足这些特征，现有的各种存储芯片技术无一合适??幸运的是，作为硬盘始作俑者的IBM再次扮演救世主的角色，它正在研究的Millipede超高密度存储芯片技术也许是芯片硬盘技术的唯一候选者！
Millipede??首个应用于数据存储的纳米技术
Millipede是IBM正在研究的一种超高存储密度芯片技术，它可以在1平方英寸(合6.45平方厘米)大小的芯片上存储近1Tb(1000Gb，或125GB)数据量，存储密度为传统硬盘的20倍之多??形象点说，一枚邮票大小的Millipede芯片便可以轻松存储25部高质量DVD电影或250万页教科书内容；而利用该技术制造出1000GB容量、体积极小的的存储芯片轻而易举??这项令人震惊的新技术的出现意味着芯片硬盘不只存在于人们的理想之中，而是很有可能实现的现实！
那么，Millipede技术如何做到这一点？IBM表示，Millipede技术实际上是该公司系列纳米技术研究项目的一部分，它是一种纳米层级的新概念存储技术。显然，这与现有的硬盘或各类存储芯片都没有什么相似的地方。
我们很难用一句话向大家归纳出Millipede技术的精义，不过大体介绍还是必要的：简单点说，Millipede技术是通过一个特殊的读写头阵列在存储介质表面进行加热“标记”来实现数据存储的??①读写头阵列由32×32个独立的读写头构成（即由1024个读写头构成的方形阵列），读写头的尺寸相当微小，其用于数据存取的尖端的直径只有10纳米，尺寸相当于头发丝一万分之一！②存储介质是由双层有机材料薄膜和硅基层构成的多层结构。③在进行数据存储时，读写头的尖端会被加热电阻在几毫秒内急速加热到400摄氏度，同时读写头向下运动与存储介质表面接触、在有机材料薄膜表面加热灼烧出一个直径10纳米的数据凹坑，每个凹坑代表一个数据位。④读取数据时读写头则插入这些存储介质的数据凹孔中，加热电阻将读写头尖端的温度提升到300摄氏度，这样可在不破坏凹坑形状的前提下读出其中数据。⑤工作时读写头阵列保持固定不变，而聚合物存储介质则以一定的频率和振幅作“X－Y”方向的平面移动以实现数据寻址??这一点同硬盘磁头径向运动寻道的模式刚好相反。
图1：Millipede技术工作过程：（上）1024个读写头组成的读写阵列并行运作??读写头阵列位置固定不变，而用于数据存储的聚合体进行X、Y方向的径向移动，各个读写头上下运动（Z方向）读写数据、彼此互不干扰。（下）单个读写头通过加热的方式在聚合体表面加工出凹坑；
对一项完全从头起步的技术来说，这么描述未免太过粗略，我们有几个问题需要明了：第一，Millipede读写头阵列总数目众多的读写头如何协同却又各自独立运作？第二，存储介质如何实现数据存储？第三，Millipede技术如何实现数据的寻址？要解答这些问题，我们必须深入到Millipede的内部中去、了解它们的结构组成。下面，我们便从最表面的读写头阵列运作机制开始，逐步深入到读写头／存储介质的结构与原理中去，向大家一步一步揭示Millipede技术有何奥秘。
Millipede的读写头
读写头是Millipede的关键之一，它的作用和硬盘的磁头一样、都是用于数据读写的，两者不同的只是硬盘的磁头为宏观尺寸，而Millipede读写头却是纳米级的。
Millipede的读写头主要由显微机械加工的硅悬臂（Silicon Cantilever）、压力控制（stress controlled）、加热电阻（Heater Resistance）和读写尖端（Tip）四部分构成，此外还包括镍桥（Nickel Bridge）、低渗杂肖特基二极管区域（Low doped Schottky diode area）、金属镍(Metal Nickel)／黄金(Metal Gold)构成的两个辅助区域。硅悬臂与压力控制器的作用是控制读写头的上下运动，以实现同存储介质的接触与分离，其中悬臂还担负传输控制／数据信号的额外使命；加热电阻的作用则是为读写尖端加热、使之迅速升温至400摄氏度（数据写入）或300摄氏度（数据读取），而读写尖端自然是用来实现数据读写的。整个读写头的尺寸大约为100微米，悬臂最长度不超过70微米、最宽度不超过30微米，读写尖端则是一个底直径2微米、高度2微米的细微硅材料圆锥体??不过它在存储介质表面形成的凹坑的直径只有10纳米（1微米＝1000纳米）。
图2：读写头结构：（上）读写头俯视图；（下）读写头剖面图
图3：逐级放大的Millipede读写头。左上与左下：读写头阵列；右上与右下；单个读写头，结构可参照图2
Millipede的存储介质
Millipede存储介质也非常特殊，它非常像一个四四方方、平平整整的汉堡包：与读写尖端接触的表层是一个厚度只有50纳米的聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate，PMMA）薄层，这个PMMA层也就是凹坑的形成区域（也就是真正的数据存储区域）。中间则是厚度为70纳米的交键环氧感光树脂（Cross-linked Epoxy Photoresist，SU-8）薄膜，它起着隔离的作用??这两个有机材料薄层才是真正的数据储存区域。最下面则是用于衬垫的硅基层，它比PMMA层和SU-8层都厚得多。
图4：存储介质的结构组成与工作过程
Millipede的二进制数表达方式非常简单：写入时读写头灼烧出凹坑，然后读写头将数据“1”或数据“0”写入（一个凹坑代表一个数据位），读取时信号被反馈给插入凹坑的读写头，经识别之后数据信号被读写头交给Millipede的控制逻辑，最终由Millipede控制逻辑完成数据组装并传送。而若要对原有的数据进行改写，读写尖端会灼烧出成一连串偏心凹坑（Offset Pits），它们彼此重叠得足够紧密以填满原先的凹坑，这样原来的数据凹坑就被抹掉。
Millipede的数据寻址方式
但仅仅实现一个数据位的写入或读取显然不行，任何一项存储技术只有能够存取大量数据流方有使用价值，这就牵涉到数据寻址问题??传统硬盘的寻址工作包含磁头寻道和扇区寻找两项工作，而Millipede技术则使用X方向和Y方向的坐标定位工作??这两者实际上是一回事，只不过在数量级和机械模式有所不同罢了：为了寻找磁道，硬盘的磁头必须不停地作径向运动，而为寻找扇区硬盘盘片始终都得高速旋转；相比之下，Millipede读写头阵列的位置固定不变，可是其聚合物存储介质却必须作X方向和Y方向的周期性平移。
当然，单单由存储介质作X－Y移动并不能完成寻址工作，毕竟Millipede的读写头阵列拥有1024个独立的读写头??Millipede利用多元驱动器（Multiplex driver，MUX）来解决这个问题，在它的辅助之下，每一个读写头都可进行独立的寻址工作，这样，Millipede便可实现写入数据流的分配和读取数据流的组装工作，此时Millipede方称得上是一种具有实用意义的存储技术。
图5：Millipede技术的数据寻址实现：存储介质作X、Y方向的平面移动，读写头阵列的位置固定不变，但是每个读写头会根据相应的控制命令作读或写操作、各自互不干涉
关于Millipede的几个疑问
了解完Millipede技术的实现原理之后，问题便转到Millipede所拥有的超高存储密度上来??能够实现1Tb／inch2的高密度多多少少令人惊讶，但了解Millipede的工作原理后问题便迎刃而解：由于每个数据凹坑的直径只有10纳米，而彼此间的间隔也是纳米数量级??按最初的方案，数据凹坑呈现规则矩形阵列，凹坑间的横向间隔为200纳米、纵向间隔为120纳米??这样在一平方英寸大小的面积上便可容纳约25Gb个数据凹坑，由于一个凹坑代表一个数据位，换言之，此时它的存储密度可达到25Gb／inch2（1英寸＝2.54厘米＝2.54 X 107纳米，1平方英寸大小的区域横向可以容纳2.54 X 107／200＝1.27 X 105个数据凹坑，纵向可容纳2.54×107／120＝2.17×105个数据凹坑，这样在1平方英寸面积上数据凹坑的总数可达到2.69×1010个，1个凹坑代表一个数据位，其存储容量便为2.69×1010bit≈25Gb）。假如采取另一种凹坑峰巢状分布的方案、数据凹坑间的纵横间隔均可达到40纳米，此时它的存储密度可以提高到接近400 Gb／inch2的水准！而采取凹坑间隔更短的超高密度方案的话，Millipede的存储密度则可以达到1Tb/ inch2的惊人水平！
图6：Millipede三种方案的存储密度，目前水平已可达到1Tb/inch2的水准。
第二个疑问来自于发热量与功耗。高达400摄氏度的写入温度和300摄氏度的读取温度让大家瞠目结舌??这样的产品如何能够投入实用？实际上这与我们通常所理解的大相径庭，原因便在于数据读写都是发生在纳米层级：读写头在几毫秒内将尖端的温度提高到300／400度高温，而尖端的温度也会在同样短的时间内降到室温的水准，毕竟这个读写尖端的尺寸是如此的微小！若在最高性能的模式下工作，Millipede的预定功耗也仅有100mW，芯片表面也不会怎么发热，这意味着未来其速度提升不会受到这两个因素的阻碍。
对密度如此之高的存储技术来说，读写速度显得尤为关键，不幸的是，这是目前Millipede技术的致命伤：据IBM表示，采用1,024个(32×32)读写头的Millipede实验室原型，所能达到的最高速度仅有32Kb/s??瓶颈主要出现在寻址时间上，目前存储介质“X?Y”方向的移动频率在20～350Hz之间，这个数字实在太为寒碜！不过也属万幸，假如移动频率达到GHz而速度还是如此缓慢的话，那Millipede恐怕没得救了！另一个瓶颈出现在读写头灼烧形成凹坑的几毫秒时间??要缩短这个过程其实很容易，只要提高电压、使读写尖端的温度提得更高即可（理论上可提到700度），不过目前时机尚不成熟，主要是高温度下有机材料的稳定性还有待考验；另一个解决办法是采用更合适的有机材料，IBM也同时往这两个方向努力。第三个性能约束则来自于读写头数量的多寡??读写头阵列包含数量越多的读写头，其一次性读取的数据量也就越大，比如说1024个读写头、它一次只能写入/读取1024bit数据，若为4096个读写头，一次便能写入/读取4096bit数据，所以提高读写头数量是一个很可行的办法！
矛盾结合体：Millipede能否担当芯片硬盘重任？
Millipede可以说是一个矛盾结合体：超高存储密度让人难以抗拒，而如此低下的性能又给人们泼了一盆冷水，在短时间内想投入实用绝无可能，IBM也公开表示，Millipede至少在10年之内不会取代现有的硬盘技术。
前面我们提到，没有机械结构、高可靠性是芯片硬盘最诱人的地方，而Millipede在这两个地方却让我们难下结论??以肉眼来看，Millipede不过是一枚小小的存储芯片，它的确没有寻常可见的机械结构；但若深入到纳米层级，你会发现Millipede的工作模式和现在的硬盘并无本质区别：一样需要依靠存储介质机械移动来实现寻址，读写头也必须上下运动才能读写数据??换言之，Millipede是一种复杂的纳米机械，它对外部振动甚至更为敏感，稍微大点的风吹草动都可能使它产生难以修复的故障；同时，机械技术与生俱来的低速度更是令人头疼。从这两个角度来看，作为芯片硬盘候选技术，Millipede还存在巨大的困难！
读者恐怕会有另外一个疑问，存储介质中的有机材料是否能够经受无限制的加热灼烧、生成凹坑？理论上说这些材料的使用寿命都是很有限，正如只能檫写1000次的CD－RW刻录盘片一样。不过我们无须为这个问题担忧：在IBM的可靠性测试中Millipede芯片经受了数百万次的数据擦写，而自身依然没有失效??以一天擦写100次计算，Millipede芯片至少可以使用27年之久！这一点Millipede的确很符合芯片硬盘的要求，只是它得发生在不出现故障的前提下。
低读写速度是Millipede技术最为致命的地方，不过这方面Millipede存在充裕的改进余地??目前Millipede存储介质的移动频率不超过350Hz，粗略估计、IBM在10年内将这个频率提升到GHz级别相当有可能??此时它的移动速率足足提高3,000,000倍、寻道时间也会有巨幅缩短！另一个着眼点便是提高读写头数量，目前IBM只制造出1024个读写头的Millipede实验室原型，而明年4096个（64×64）读写头的原型产品也将推出??制造Millipede芯片的方法很类似于超大规模集成电路（VLSI）芯片的制作方法， IBM只要对Millipede芯片的控制逻辑和制造设备的控制软件作些调整即可轻而易举提高读写头的数量；从这个角度考虑，将读写头数量提高10000倍和提高4倍在制造上没有什么本质差别，只是限于芯片尺寸（1024个读写头的Millipede芯片大小为3mm×3mm），我们认为将读写头数量提高400倍是比较理想的（此时Millipede芯片大小约为6cm×6cm），这样的话其一次性数据读写速度可以迅速提高400倍！
图7：Millipede存储芯片的实验室原型。
在制造成本方面，Millipede技术相当令人满意，它可以利用现有设备进行制造，芯片的成本相对低廉。若进入大量生产阶段，其成本还可以得到进一步降低，这一优势也是其他任何高密度存储技术难以比拟的地方，对Millipede的未来发展也相当有利！
前瞻：Millipede，芯片硬盘难言生死
超高存储密度、低性能、超长数据存储时间、极差的抗震能力??Millipede技术堪称矛盾综合体，不过缺陷都是可以改进的，只是我们目前难以知晓它能改进到什么样的水准！当然，这并不是一个十分紧迫的任务，IBM有足够的时间解决这个问题，毕竟在这个领域，不存在任何有力的挑战者。
IBM没有大肆宣扬Millipede可作为下一代硬盘技术，它只是很保守地说明这种技术将“定位于要求空间大于速度的设备，例如移动电话、掌上电脑或其它便携式设备”??明眼人一眼就可看出就是一句托词，IBM还不会疯狂到有让手机、掌上电脑拥有1Tb以上存储容量的愚蠢想法，何况它目前的最高速度只有区区32Kb/s！或许，IBM的另一句话更代表它的真实想法：“Millipede技术在十年之内都不会取代传统硬盘在存储市场上的主导地位”??换句话说，十年之后，Millipede技术拥有这样的可能性，而IBM也的确需要十年时间来发展完善这项技术??大家或许觉得时间太长了，但作为一项从零起步的基础研究，花费十年时间让它成熟起来一点都不过分！
尽管存在存储速度慢、惧怕外部振动等问题，Millipede技术的巨大魅力却难被遮挡，一旦IBM解决这些问题，芯片硬盘时代恐怕随之而来??不过基于Millipede技术的芯片硬盘不会和想象中一样完美，其速度再快也难以达到内存级别，可靠性即使高于现在的硬盘但也达不到坚不可摧的地步，这一切都是由Millipede“纳米机械”的结构所先天决定、无法更改。我们今天还无法断定Millipede能否成为芯片硬盘的技术标准，但是假如这项技术不成功，芯片硬盘便没有希望，因为除了IBM，绝没有第二家公司在高密度存储技术有如此之深的造诣，也没有第二家公司愿意投入巨额资金来从事成效缓慢且风险巨大的基础研究，而那些勾心斗角的硬盘厂商更不可能团结起来共同协作开发新技术……这一切注定Millipede成为芯片硬盘的唯一希望，即使它不完美，但总算朝着人们的理想迈出可贵的一步！或许，继上个世纪70年代发明温彻斯特硬盘技术之后，Millipede会再次让IBM决定存储的未来！
我们有理由记住这两个名字：PeterVettiger、GerdBinnig，这两位曾因共同发明扫描穿隧显微镜而获诺贝尔奖、IBM苏黎世研究实验室的科学家。Millipede技术从概念到实现都是此二人的杰作，而该技术的名称（Millipede，意为节肢动物）则源自于那些和节肢动物的腿一样密密麻麻、数量众多的读写头……
