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(Foco Nanowerk) El crecimiento imparable de los datos digitales, impulsado por la rápida expansión de Internet, las redes sociales y las tecnologías de la nube, ha creado una necesidad urgente de soluciones innovadoras de almacenamiento de datos. En 2012, la cantidad de datos digitales en todo el mundo superó el zettabyte (ZB o 10).21 Bytes) marca el comienzo de la era de los zettabytes.
Se espera que la generación global de datos continúe su crecimiento exponencial. Las previsiones sugieren que superará los 100 ZB (es decir, 100 billones de gigabytes) por año en 2025. Para seguir el ritmo de este asombroso aumento, la Corporación Internacional de Datos (IDC) predice que la cantidad de datos superará los 100 ZB (es decir, 100 billones de gigabytes) por año. Entre 2018 y 2025, será necesario enviar 22 ZB de capacidad de almacenamiento para todo tipo de medios (documento técnico “Data Age 2025”, PDF).
Los enfoques actuales, como los medios magnéticos, los discos ópticos y las unidades de estado sólido, luchan por satisfacer las demandas de esta rápida expansión de la generación de datos. Además del desafío de aumentar la densidad de almacenamiento, también existe una necesidad urgente de soluciones de archivo de datos a largo plazo que puedan retener información durante mucho más tiempo de lo que permiten los métodos de almacenamiento tradicionales.
Durante las últimas décadas, los investigadores han explorado varias formas de abordar estos desafíos. El almacenamiento magnético es la primera opción para archivar datos debido a su gran capacidad de almacenamiento. Sin embargo, la necesidad de reducir el tamaño de las partículas magnéticas para aumentar la densidad de almacenamiento ha generado problemas con las fluctuaciones térmicas y los procesos de difusión que limitan la vida útil del almacenamiento. Aunque los discos ópticos ofrecen tiempos de almacenamiento aparentemente ilimitados, están limitados por el límite de difracción, que limita el bit de grabación más pequeño a la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada, limitando así la capacidad máxima de almacenamiento.
Otros enfoques innovadores, como el almacenamiento de datos de ADN digital y la memoria a escala atómica, se han mostrado prometedores en términos de densidad de almacenamiento, pero actualmente no son prácticos debido a los tiempos de escritura y lectura extremadamente lentos. También se han investigado los centros de color en materiales de estado sólido, como los centros de vacantes de nitrógeno en diamantes, para el almacenamiento de datos, pero hasta ahora sólo han mostrado tiempos de retención limitados, del orden de semanas.
Ahora, un equipo de investigadores de Alemania, Japón y Estados Unidos ha propuesto un concepto novedoso para el almacenamiento de datos de alta densidad a largo plazo utilizando carburo de silicio (SiC), un material semiconductor resistente a la radiación. Su enfoque se detalla en un artículo publicado en Materiales funcionales avanzados (“Almacenamiento de datos de alta densidad a largo plazo con defectos atómicos en SiC”) explota las propiedades únicas de los defectos atómicos en SiC, conocidos como vacantes de silicio (VSi) para almacenar y recuperar información digital.
Los investigadores crean esta VSi Defectos que utilizan haces de iones enfocados, lo que permite una alta resolución espacial, velocidades de escritura rápidas y un bajo consumo de energía por bit almacenado. La presencia o ausencia de estos defectos representa datos binarios que se pueden leer mediante fotoluminiscencia (PL) o catodoluminiscencia (CL) emitida desde el V.Si Defectos cuando se excitan con luz láser o haces de electrones.
Para demostrar el potencial de su enfoque, los investigadores codificaron un mensaje de texto en una muestra de SiC utilizando un microhaz de protones. Variando el número de protones implantados en cada sitio (4 × 1068×106o 1,2 × 107), lograron un esquema de codificación en escala de grises de dos bits donde la ausencia de implantación correspondía a 00 y los niveles crecientes de implantación representaban 01, 10 y 11, respectivamente. Luego, el mensaje grabado se recuperó con éxito utilizando un microscopio confocal de barrido para medir la intensidad de PL en cada ubicación.
El equipo también investigó el uso de codificación por capas para aumentar la capacidad de almacenamiento. Apilando múltiples obleas de SiC con datos registrados y usando el microscopio confocal para excitar y leer selectivamente VSi Al examinar los defectos a diferentes profundidades, se podrían almacenar y recuperar datos de múltiples capas sin interferencias entre ellas. Este esquema de codificación 4D, que combina tres dimensiones espaciales y una cuarta dimensión de intensidad, permitió una densidad de almacenamiento de 75 gigabits por pulgada cuadrada para una pila de diez capas.
Para superar el límite de difracción impuesto por los métodos de lectura óptica, los investigadores recurrieron a CL como alternativa. Al excitar la VSi Al examinar los defectos con un haz de electrones enfocado, lograron una resolución espacial de aproximadamente 360 nanómetros, significativamente mejor que la posible con métodos ópticos. Las simulaciones sugieren que, al optimizar el espesor de la capa de SiC y la energía del haz de electrones, la resolución espacial podría mejorarse aún más hasta unos 50 nanómetros, permitiendo potencialmente densidades de almacenamiento de hasta 300 gigabits por pulgada cuadrada, rivalizando con la densidad de área récord de la cinta magnética.
Se estima que la energía necesaria para escribir un solo bit usando este método es de alrededor de 10 a 50 femtojulios, que es menor que el consumo de energía de las unidades de disco magnético (1 picojulio por bit) y las unidades de estado sólido (100 femtojulios por bit). Se espera que la velocidad de escritura, limitada por la fluencia de iones requerida y la corriente del haz, sea de alrededor de 10 megabits por segundo, lo que la hace más rápida que otros medios ópticos de almacenamiento de datos. Sin embargo, la velocidad de lectura está limitada por la tasa de emisión del VSi Para el almacenamiento de datos ópticos 4D, se estima que la velocidad es de alrededor de 100 kilobits por segundo y podría llegar hasta 1 kilobit por segundo si los bits individuales se almacenan en defectos individuales.
Quizás el aspecto más notable de este nuevo enfoque de almacenamiento de datos es la longevidad potencial de la información almacenada. Los investigadores llevaron a cabo una serie de experimentos de recocido para examinar la desactivación del V dependiente de la temperatura.Si Defectos. Al calentar las muestras durante diferentes períodos de tiempo a temperaturas entre 400 °C y 900 °C y medir la caída en la intensidad de PL, pudieron extraer la energía de activación para el proceso de desactivación.
Al extrapolar los tiempos de desintegración de la fotoluminiscencia medidos a temperatura ambiente, estiman que los datos almacenados con este método podrían conservarse durante más de 10 millones de años en condiciones ambientales y durante unos 9.000 años a 100 °C. Esta excepcional resistencia del almacenamiento supera con creces la de cualquier tecnología de almacenamiento de datos disponible actualmente.
Si bien este estudio de prueba de concepto demuestra el inmenso potencial del almacenamiento de datos basado en SiC, se requiere más investigación y desarrollo para optimizar y escalar esta tecnología para aplicaciones prácticas. Esto incluye examinar la formación de individuos V.Si Defectos para almacenamiento de densidad ultra alta, mejora de la velocidad de lectura y eficiencia energética, y desarrollo de sistemas de supresión de haces de iones de alta velocidad para una escritura más rápida. Además, el desarrollo de procesos de fabricación comercialmente viables y la integración de esta tecnología en la infraestructura de almacenamiento de datos existente serán fundamentales para su adopción generalizada.
A medida que los datos digitales continúan acumulándose a un ritmo sorprendente, la necesidad de soluciones de almacenamiento de datos confiables, de alta densidad y a largo plazo se vuelve cada vez más importante. El enfoque basado en carburo de silicio desarrollado por estos investigadores ofrece un camino prometedor a seguir, que potencialmente permitirá la preservación de nuestro patrimonio digital para innumerables generaciones venideras. Aunque persisten desafíos, el trabajo innovador presentado en este estudio representa un hito importante en el camino hacia el archivado de datos de alta densidad y a extremadamente largo plazo. A medida que continuamos lidiando con los desafíos que presenta el crecimiento explosivo de la información digital, innovaciones como estas Será fundamental para garantizar que nuestros datos más valiosos puedan almacenarse y accederse de forma segura durante siglos, si no milenios.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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