数据存储正触及物理极限 - 《华尔街日报》

几十年前，数字技术曾承诺能挽救纸张和缩微胶片等旧媒介免于衰败，于是我们开始将所有东西数字化。但数字硬盘的平均寿命只有三到五年。硬盘故障的原因多种多样：机械故障、格式过时、灰尘、高温，甚至还有计算机科学家称为"比特腐化"的微观层面衰变——即比特失去或反转其磁荷。提高硬盘耐用性是制造商面临的关键工程挑战，但这正变得日益困难，因为当前这一代数字硬盘已经触及物质的物理极限。

硬盘盘片表面被划分为称为比特的微观区域。每个比特携带正或负的磁荷，硬盘读写头将其转换为数字1或0。为了在标准硬盘上存储越来越多的数据，比特已变得极其微小，以至于其磁荷会因温度波动而不可预测地反转，导致数据丢失。

这给硬盘带来了问题——硬盘高速旋转时会在空气分子间产生显著摩擦并发热。在容纳数千台服务器的数据中心，需要通过水电驱动的空调系统来消除这些热量。需求十分巨大：2014年数据中心冷却用水约6260亿升；2016年耗电量达700亿千瓦时，相当于640万美国家庭的用电量。

硬件公司正投资新技术以保持硬盘在提升存储密度和能效的道路上前进。西部数据公司提出了一种让硬盘超净运行的方法：充入氦气，其密度仅为空气的七分之一，因而湍流更少、发热更低。但与此前的技术一样，氦气硬盘最终仍会遭遇经济学中的"杰文斯悖论"——当技术创新带来能效提升时，由于需求增长会推高消耗速率，我们最终反而消耗更多能源。所谓节约能源、资金或资源的理念，终究只是幻象。

希捷科技控股则尝试通过激光热技术提升硬盘存储密度，在读写头记录数据时将磁盘加热至400摄氏度，从而将盘面划分出更微小的存储单元。在这场宣传战中，希捷宣称每平方英寸可容纳2TB数据。但随着存储单元不断微型化，需要更强韧的材料，这反过来要求读写头消耗更多能量来翻转每个存储单元。

固态硬盘因无机械旋转部件而原理迥异，但其持久性并不优于机械硬盘。数据以"区块"形式存储，每个区块仅能承受有限次数的改写。闪存虽能在断电时保留数据，但若电脑闲置一两年，其数据丢失速度反而快于机械硬盘。尽管闪存在全球硬盘中的占比持续扩大，但它同样无法实现永久存储。

在数字存储领域取得进展难以持续，不仅因为自然资源需求和物理限制，还因为要创造它，你必须首先在地球上创造一个超凡的环境。如果我们对地球有所了解，那就是这个星球充满了灰尘，而灰尘会损坏硬盘、处理器和其他数字组件。

硬盘盘片上的一粒灰尘会导致读写头上下弹跳。对于一个每分钟旋转7200转的硬盘来说，这种冲击相当于一辆汽车以每小时75英里的速度撞上一个颠簸，只不过在这种情况下，“汽车”被拴在地面上，所以它不能飞向空中。相反，它在磁盘表面高速移动时会猛烈地撞击并弹跳。在硬盘中，就像汽车一样，这被称为崩溃，它可能导致硬盘盘片敏感磁性表面上的所有信息丢失。

用于切割微芯片的半导体晶圆必须分几个步骤制造，每个步骤都会产生纳米级的碎片，必须清除。为了实现这一点，制造商使用超纯水，这是一种工业溶剂，简单来说就是去除了所有其他物质的水：矿物质、盐，甚至是死细胞和病毒的部分。制造1000加仑的超纯水需要大约1400加仑的普通水。位于佛蒙特州伯灵顿的一家IBM工厂每天制造和使用200万加仑的超纯水。

这种纯度的水不适合人类饮用。从技术上讲，它不是一种毒素，但它是一种如此强大的溶剂，以至于它在通过你的身体时会带走电解质。如果你喝了足够多的量，你会死亡。尽管如此，许多人出于好奇尝过它。关于它的味道的报告各不相同，从“平淡、沉重和苦涩”到“字面上是我尝过的最无聊的东西”或“味道的缺失”本身。

终极纯净环境将是外太空——一个星际无尘室，那里存在的生命体仅是我们带去的物种。2015年，初创企业云星座公司开始研发"太空带"计划，即"由轨道卫星构建的数据中心网络"。这种数据中心飞船和空间站的构想，正是人类渴望永久保存珍视之物的最新体现。

墨菲博士现任本宁顿学院院长。本文节选自其新著《我们逝者：世界尽头的数字保存》，该书由北卡罗来纳大学出版社于本周出版。

本文曾以《数据存储正触及物理极限》为题发表于2022年8月27日印刷版。