Ученые из Microsoft Research продемонстрировали систему хранения данных на основе стекла под названием Silica, которая может записывать и считывать цифровую информацию в обычном стекле. Согласно исследованию, опубликованному в Nature, система может хранить объем, эквивалентный примерно двум миллионам книг, в тонком кусочке стекла размером с ладонь, а тесты показывают, что данные могут оставаться читаемыми более 10 000 лет.
Эта работа направлена на решение давней проблемы цифрового архивирования. Современные носители данных, такие как магнитные ленты и жесткие диски, со временем изнашиваются и требуют замены, что делает их менее подходящими для сохранения информации для будущих поколений. Исследователи отмечают, что долгосрочное цифровое сохранение становится все более важным, поскольку правительства, исследовательские институты, предприятия и культурные организации ищут надежные способы хранения ценных записей.
Silica хранит информацию с помощью сверхкоротких лазерных импульсов, которые длятся всего несколько квадриллионных долей секунды, известных как фемтосекунды (10⁻¹⁵ секунд). Несмотря на невероятную краткость, эти лазерные импульсы несут достаточно энергии, чтобы создавать крошечные необратимые изменения внутри прозрачного стекла, не повреждая окружающий материал.
Обычно такой лазерный свет проходит через стекло, не взаимодействуя с ним. Однако, когда луч фокусируется на крошечной точке, он создает интенсивное электрическое поле, которое изменяет молекулярную структуру стекла в этой точке. Каждая такая крошечная метка называется вокселем — трехмерным аналогом пикселя. Вместо хранения информации только на поверхности, воксели позволяют записывать данные по всему объему стекла в сотнях слоев.
Идея хранения данных в стекле с помощью лазерной записи вокселей не нова. В 1990-х годах Эрик Мазур и его коллеги из Гарвардского университета показали, что фемтосекундные лазеры могут постоянно записывать структуры данных внутри обычного стекла. В 2014 году Питер Казанский и его команда из Университета Саутгемптона сообщили о долгосрочном хранении данных в плавленом кварцевом стекле с «кажущимся неограниченным сроком службы».
По словам команды Microsoft Research, Silica не вводит нового научного принципа. Вместо этого это первая демонстрация полной системы архивного хранения, которая объединяет все основные этапы, необходимые для практического использования. Платформа включает кодирование данных, запись, чтение, декодирование и коррекцию ошибок, а также тестирование скорости записи, плотности хранения, энергоэффективности, надежности и долговременной прочности.
Одним из самых больших достижений в последнем исследовании является использование обычного боросиликатного стекла вместо плавленого кварца, который использовался в более ранних исследованиях. Боросиликатное стекло недорого, широко доступно и обычно используется в лабораторном оборудовании, кухонной посуде и дверцах духовок, поскольку оно выдерживает высокие температуры и резкие перепады тепла. По словам исследователей, использование этого материала устраняет два основных препятствия для коммерческого использования, снижая затраты и упрощая поиск носителя данных.
Система хранит информацию в 301 слое внутри листа стекла размером 120 миллиметров на 120 миллиметров и толщиной 2 миллиметра. Каждый такой лист может вмещать до 4,8 терабайт данных. Исследователи также упростили систему считывания, так что теперь она использует только одну камеру вместо трех или четырех, что снижает стоимость и размеры. Система записи была переработана с меньшим количеством деталей, что упрощает ее сборку, калибровку и эксплуатацию.
В исследовании описываются два способа записи данных в стекло. Первый создает крошечные вытянутые пустотоподобные структуры с помощью лазерных «микровзрывов» внутри материала. Этот метод достигает плотности хранения 1,59 гигабит на кубический миллиметр, что позволяет упаковать большое количество информации в очень маленькое пространство.
Второй метод создает небольшие изменения локального показателя преломления стекла вместо формирования крошечных пустот. Показатель преломления — это свойство, определяющее, как свет проходит через материал. Изменяя это свойство в определенных местах, исследователи могут создавать паттерны, представляющие цифровую информацию, а затем считывать их с помощью оптической визуализации. Хотя этот метод хранит меньше данных в том же объеме, он записывает информацию быстрее и потребляет меньше энергии. Исследователи сообщили о скорости записи около 65,9 мегабит в секунду при использовании этого подхода и отметили, что скорость можно еще увеличить, используя несколько лазерных лучей одновременно. В текущей системе общая скорость записи составляет 25,6 мегабит в секунду для каждого лазерного луча, что в основном ограничено скоростью генерации импульсов лазером.
Чтобы оценить, как долго данные будут сохраняться, команда провела эксперименты по ускоренному старению. Эти тесты подвергают материалы более суровым условиям, например, более высоким температурам, чтобы предсказать, как они будут вести себя в течение гораздо более длительных периодов в нормальных условиях. Исследователи также разработали новый метод старения для боросиликатного стекла, позволяющий оценить долгосрочную стабильность более дешевого материала. Результаты показывают, что данные, хранящиеся с использованием обоих методов записи, останутся стабильными более 10 000 лет.
Согласно исследованию, этот прогнозируемый срок службы намного превышает срок службы современных технологий архивного хранения, включая магнитные ленты и жесткие диски. Исследователи говорят, что результаты показывают, что стекло может стать практическим носителем для долгосрочного цифрового архивирования, сочетая прочные, широко доступные материалы с полной системой записи, хранения и извлечения данных.
Кратко:
-
Silica от Microsoft Research — это новая система хранения данных на основе стекла, которая может хранить объем, эквивалентный примерно двум миллионам книг, в кусочке стекла размером с ладонь, при этом данные, как ожидается, останутся читаемыми более 10 000 лет.
-
Система использует сверхкороткие фемтосекундные лазерные импульсы для создания крошечных необратимых меток, называемых вокселями, внутри стекла, что позволяет хранить данные в сотнях слоев, а не только на поверхности.
-
Хотя концепция хранения данных в стекле существует уже несколько десятилетий, Silica является первой системой, объединяющей весь процесс, включая запись, чтение, декодирование и коррекцию ошибок, в практическую платформу архивного хранения.
-
Крупным достижением является использование обычного боросиликатного стекла вместо специализированного плавленого кварца, что делает технологию менее дорогой и более простой в производстве, а также упрощает аппаратное обеспечение для записи и чтения данных.
-
Исследователи продемонстрировали хранение 4,8 терабайт в стеклянном листе размером 120 мм × 120 мм × 2 мм и протестировали два различных метода записи, которые балансируют емкость хранения, скорость и энергопотребление.
-
Тесты ускоренного старения показывают, что сохраненные данные могут оставаться стабильными более 10 000 лет, что делает стекло потенциальной долгосрочной альтернативой магнитным лентам и жестким дискам для сохранения цифровой информации.
Источник: Microsoft Research, Университет Маккуори через The Conversation, Nature
Эта статья была создана с некоторой помощью ИИ и проверена редактором. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года, этот материал используется в целях новостного репортажа. Добросовестное использование — это использование, разрешенное законом об авторском праве, которое в противном случае может быть нарушением.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
