數據存儲正觸及物理極限 - 《華爾街日報》

幾十年前，數字技術曾承諾能挽救紙張和縮微膠片等舊媒介免於衰敗，於是我們開始將所有東西數字化。但數字硬盤的平均壽命只有三到五年。硬盤故障的原因多種多樣：機械故障、格式過時、灰塵、高温，甚至還有計算機科學家稱為"比特腐化"的微觀層面衰變——即比特失去或反轉其磁荷。提高硬盤耐用性是製造商面臨的關鍵工程挑戰，但這正變得日益困難，因為當前這一代數字硬盤已經觸及物質的物理極限。

硬盤盤片表面被劃分為稱為比特的微觀區域。每個比特攜帶正或負的磁荷，硬盤讀寫頭將其轉換為數字1或0。為了在標準硬盤上存儲越來越多的數據，比特已變得極其微小，以至於其磁荷會因温度波動而不可預測地反轉，導致數據丟失。

這給硬盤帶來了問題——硬盤高速旋轉時會在空氣分子間產生顯著摩擦併發熱。在容納數千台服務器的數據中心，需要通過水電驅動的空調系統來消除這些熱量。需求十分巨大：2014年數據中心冷卻用水約6260億升；2016年耗電量達700億千瓦時，相當於640萬美國家庭的用電量。

硬件公司正投資新技術以保持硬盤在提升存儲密度和能效的道路上前進。西部數據公司提出了一種讓硬盤超淨運行的方法：充入氦氣，其密度僅為空氣的七分之一，因而湍流更少、發熱更低。但與此前的技術一樣，氦氣硬盤最終仍會遭遇經濟學中的"傑文斯悖論"——當技術創新帶來能效提升時，由於需求增長會推高消耗速率，我們最終反而消耗更多能源。所謂節約能源、資金或資源的理念，終究只是幻象。

希捷科技控股則嘗試通過激光熱技術提升硬盤存儲密度，在讀寫頭記錄數據時將磁盤加熱至400攝氏度，從而將盤面劃分出更微小的存儲單元。在這場宣傳戰中，希捷宣稱每平方英寸可容納2TB數據。但隨着存儲單元不斷微型化，需要更強韌的材料，這反過來要求讀寫頭消耗更多能量來翻轉每個存儲單元。

固態硬盤因無機械旋轉部件而原理迥異，但其持久性並不優於機械硬盤。數據以"區塊"形式存儲，每個區塊僅能承受有限次數的改寫。閃存雖能在斷電時保留數據，但若電腦閒置一兩年，其數據丟失速度反而快於機械硬盤。儘管閃存在全球硬盤中的佔比持續擴大，但它同樣無法實現永久存儲。

在數字存儲領域取得進展難以持續，不僅因為自然資源需求和物理限制，還因為要創造它，你必須首先在地球上創造一個超凡的環境。如果我們對地球有所瞭解，那就是這個星球充滿了灰塵，而灰塵會損壞硬盤、處理器和其他數字組件。

硬盤盤片上的一粒灰塵會導致讀寫頭上下彈跳。對於一個每分鐘旋轉7200轉的硬盤來説，這種衝擊相當於一輛汽車以每小時75英里的速度撞上一個顛簸，只不過在這種情況下，“汽車”被拴在地面上，所以它不能飛向空中。相反，它在磁盤表面高速移動時會猛烈地撞擊並彈跳。在硬盤中，就像汽車一樣，這被稱為崩潰，它可能導致硬盤盤片敏感磁性表面上的所有信息丟失。

用於切割微芯片的半導體晶圓必須分幾個步驟製造，每個步驟都會產生納米級的碎片，必須清除。為了實現這一點，製造商使用超純水，這是一種工業溶劑，簡單來説就是去除了所有其他物質的水：礦物質、鹽，甚至是死細胞和病毒的部分。製造1000加侖的超純水需要大約1400加侖的普通水。位於佛蒙特州伯靈頓的一家IBM工廠每天製造和使用200萬加侖的超純水。

這種純度的水不適合人類飲用。從技術上講，它不是一種毒素，但它是一種如此強大的溶劑，以至於它在通過你的身體時會帶走電解質。如果你喝了足夠多的量，你會死亡。儘管如此，許多人出於好奇嘗過它。關於它的味道的報告各不相同，從“平淡、沉重和苦澀”到“字面上是我嘗過的最無聊的東西”或“味道的缺失”本身。

終極純淨環境將是外太空——一個星際無塵室，那裏存在的生命體僅是我們帶去的物種。2015年，初創企業雲星座公司開始研發"太空帶"計劃，即"由軌道衞星構建的數據中心網絡"。這種數據中心飛船和空間站的構想，正是人類渴望永久保存珍視之物的最新體現。

墨菲博士現任本寧頓學院院長。本文節選自其新著《我們逝者：世界盡頭的數字保存》，該書由北卡羅來納大學出版社於本週出版。

本文曾以《數據存儲正觸及物理極限》為題發表於2022年8月27日印刷版。