Dane w szkle przetrwają 10 tys. lat. Przełomowa technologia

Dane zakodowane w szkle

Project Silica to rozwijana od 2019 r. inicjatywa firmy Microsoft, która wykorzystuje femtosekundowe lasery do zapisywania danych w szkle. Proces polega na modyfikacji struktury szkła za pomocą ultrakrótkich impulsów laserowych. Laser nie wypala tradycyjnych „rowków” jak na płycie CD, ale tworzy wewnątrz szkła mikroskopijne struktury. Tzw. woksele, czyli trójwymiarowe odpowiedniki pikseli, zmieniają sposób, w jaki szkło załamuje światło. Każdy woksel ma swoją pozycję, rozmiar i orientację optyczną, a ich kombinacje odpowiadają zakodowanym zerom i jedynkom.

Odczyt danych odbywa się za pomocą precyzyjnego układu optycznego i mikroskopu, który analizuje jak światło przechodzi przez szkło i „ukryte” w nim woksele. Następnie specjalne algorytmy i modele uczenia maszynowego dekodują te wzory na bity, odtwarzając oryginalne pliki.

Każdy kawałek szkła jest w pełni samoopisujący, dzięki czemu można rozpocząć od zera i odzyskać dane niezależnie od sytuacji.

– podkreśla Ioan Stefanovici z Microsoft Research.

Niezwykłe zastosowanie zwykłego szkła

Technologia zapisywania danych w szkle cały czas jest rozwijana. Najnowsze udoskonalenia dotyczą zapisu wokseli o różnych właściwościach optycznych. Naukowcy opracowali technikę, dzięki której jeden impuls lasera może zapisać dwa różne woksele, oraz wprowadzili zapis równoległy, pozwalający tworzyć wiele wokseli jednocześnie. Dzięki temu rośnie zarówno gęstość zapisu, jak i wydajność całego procesu.

Najważniejszy przełom polega jednak na tym, że dane można już zapisywać nie tylko w drogim, specjalistycznym szkle kwarcowym, ale również w zwykłym szkle borokrzemianowym, czyli takim jak w naczyniach kuchennych i drzwiczkach piekarników. To znacząco obniża koszt samego nośnika i otwiera drogę do wykorzystania powszechnie dostępnych materiałów w przyszłych bibliotekach danych.

Testując nową technologię, naukowcom udało się zapisać 4,8 TB danych (ok. 200 filmów w 4K) w 301 warstwach szklanej płytki o powierzchni ok. 1,2 cm2 i grubości zaledwie 2 mm. Prędkość zapisu wyniosła kilka megabajtów na sekundę.

Zalety i ograniczenia szklanego archiwum danych

Testy przyspieszonego starzenia w wysokiej temperaturze, przy podwyższonej wilgotności oraz pod wpływem promieniowania wskazują, że tak zapisane dane w szkle mogą przetrwać nawet ok. 10 tys. lat. Według Microsoftu szkło oferuje żywotność sięgającą tysięcy lat, jest odporne na pola elektromagnetyczne i nie wymaga zasilania do podtrzymania zapisanej informacji.

Szklana pamięć rozwijana w ramach Project Silica jest nośnikiem typu WORM (Write Once, Read Many), co oznacza, że raz zapisanych danych nie da się nadpisać. Taki charakter świetnie pasuje do archiwów, backupów i zasobów, których nie trzeba modyfikować, a jedynie przechowywać przez dekady lub stulecia. W zamian otrzymujemy nośnik niezwykle stabilny. Szkło borokrzemianowe jest bowiem odporne na wysoką temperaturę, większość chemikaliów i typowe warunki środowiskowe. Ponadto zapisane w nim woksele nie ulegają degradacji magnetycznej ani mechanicznej jak w klasycznych dyskach czy taśmach.

Co istotne, szkło po zapisaniu nie wymaga energii do podtrzymania informacji. Oznacza to, że centra danych mogą ograniczyć energochłonne migracje zasobów na kolejne generacje nośników, zmniejszając tym samym zarówno koszty, jak i ślad węglowy. Gęstość zapisu pozwala myśleć o bibliotekach danych w postaci regałów z cienkimi szklanymi płytkami obsługiwanymi przez roboty, zamiast hal wypełnionych tradycyjnymi serwerami.

Niska prędkość i wysokie koszty

Technologia zapisywania danych w szkle ma jednak swoje ograniczenia. Obecne prędkości zapisu rzędu kilku megabajtów na sekundę są dalekie od standardów współczesnych dysków SSD i taśm LTO. Póki co, czyni to Project Silica rozwiązaniem stricte archiwalnym, a nie nośnikiem do pracy „na żywo”.

Do tego dochodzi wysoki koszt i złożoność laserów femtosekundowych, które wymagają zaawansowanej optyki i precyzyjnej inżynierii. Aby technologia trafiła do powszechnego użycia, potrzebna jest też kompletna infrastruktura: roboty biblioteczne, systemy katalogowania, interfejsy programistyczne i integracja z istniejącymi platformami chmurowymi.

Do czego mogą służyć szklane archiwa?

Project Silica to technologia stworzona przede wszystkim z myślą o długoterminowych archiwach w chmurze. Ma służyć do przechowywania petabajtów danych, do których stosunkowo rzadko się sięga, ale które trzeba zachować. W ten sposób można przechowywać zarówno kopie zapasowe usług i logi systemowe, jak i archiwa mediów społecznościowych oraz serwisów streamingowych. Dla użytkownika końcowego technologia ta pozostanie niewidoczna. Dane zapisane w „szklanym archiwum” staną się po prostu kolejną warstwą w usługach chmurowych.

Naturalnym obszarem zastosowań nowej technologii są także zbiory dziedzictwa kulturowego. Filmy, nagrania audio, kolekcje muzealne czy cyfrowe archiwa narodowe wymagają nośników, które przetrwają nie tylko kolejne generacje sprzętu, ale i potencjalne katastrofy. Do tego dochodzą archiwa naukowe, w tym m.in. dane z teleskopów czy eksperymentów fizycznych.

W perspektywie najbliższych lat szklane biblioteki najpewniej pojawią się najpierw w dużych centrach danych jako uzupełnienie taśm magnetycznych. Scenariusz, w którym w domu pojawiają się „szklane pendrive’y”, wymagałby masowego potanienia laserów femtosekundowych i opracowania prostych, tanich czytników. Bardziej realistyczna jest wizja „wiecznego archiwum w chmurze”, które przechowuje nasze zdjęcia, filmy i dokumenty, podczas gdy my nadal korzystamy z klasycznych dysków i pamięci flash.

DNA Storage – dane zapisane w cząsteczce życie

Dane kodowane w szkle to nie jedyne futurystyczne podejście do długoterminowego przechowywania danych. DNA Storage zamiast szkła wykorzystuje cząsteczki DNA. Dane cyfrowe (zera i jedynki) są algorytmicznie przekształcane w sekwencje nukleotydów (A, T, G, C), a następnie fizycznie syntetyzowane w postaci cząsteczek DNA. Odczyt polega na sekwencjonowaniu DNA i ponownym przeliczeniu odczytanej sekwencji na bity.

DNA Storage oferuje teoretycznie gigantyczną gęstość zapisu – w objętości porównywalnej z kostką cukru można zmieścić wiele petabajtów danych. Podobnie jak w przypadku szkła, potencjalna trwałość tak zakodowanych danych też liczona jest w tysiącach lat. W tym przypadku konieczne są jednak odpowiednie warunki przechowywania cząsteczekk DNA.

Największy problem stanowią na dziś koszty i wydajność tej technologii. Synteza DNA pozostaje drogim i stosunkowo powolnym procesem. Podobnie jest z sekwencjonowaniem, które wymaga sprzętu i procedur z pogranicza biotechnologii i medycyny.

Ten sam cel, różne filozofie

Choć Project Silica i DNA Storage mają wspólny cel – stworzenie archiwalnego nośnika „na pokolenia” – widać między nimi wyraźne różnice. DNA jest ekstremalnie gęste, lecz wymaga wrażliwego, specjalistycznego „mokrego” laboratorium, a jego koszt wciąż ogranicza zastosowania do niszowych eksperymentów i prototypów. Szkło borokrzemianowe jest za to mechanicznie i chemicznie odporne, nie boi się wysokich temperatur ani pól elektromagnetycznych, a jego integracja z robotami bibliotecznymi i serwerowniami jest znacznie prostsza.

W praktyce DNA Storage i Project Silica nie tyle konkurują, co reprezentują dwie różne filozofie przechowywania informacji: biologiczną i materiałową. Jedna pokazuje, jak ogromną ilość informacji da się skondensować w objętości mniejszej niż ziarnko piasku. Celem drugiej jest sprawienie, by ta informacja przetrwała tysiące lat w zwykłym kawałku szkła.

Przeczytaj również: Do kogo należą zdjęcia przechowywane chmurze?