Ген памяти
Долгосрочное хранение огромных массивов данных доверят стеклу, керамике и синтетическим ДНК
Существующие сегодня хранилища данных не способны справиться со стремительно растущими объемами информации. Для решения этой проблемы исследователи разрабатывают альтернативные накопители, опираясь на достижения в сферах оптики и генетики.
По данным Statista, ежедневно в мире генерируется 328,7 млн Тб данных, а к 2025 году объем созданной в глобальном масштабе информации превысит 180 зеттабайт (в одном Зб поместятся данные, например, с 83 млн жестких дисков емкостью 12 Тб). Однако лишь небольшой ее процент удается эффективно сохранить. Это вызов для рынка хранения данных, и поэтому его игроки постоянно предлагают все новые решения. Согласно исследованию Global Market Insights, к 2032 году он будет оцениваться более чем в $150 млрд. Компании уже представляют технологии, которые позволят хранить огромные массивы информации в течение тысячелетий.
Архивы в стекле
Microsoft разрабатывает технологию хранения информации на кварцевом стекле под названием Project Silica с 2017 года. Уже в 2019 году корпорация впервые записала на стеклянный носитель размером 75x75 мм и толщиной 2 мм фильм «Супермен» 1978 года. В 2023 году компания начала позиционировать Project Silica как решение для рынка хранения данных на облачных серверах.
Microsoft использует технологии сверхбыстрой лазерной оптики и искусственного интеллекта. Лазер кодирует данные в стекле в виде слоев трехмерных решеток. Эти узоры создают поляризованный свет, проходящий через кварцевое стекло. Алгоритмы машинного обучения считывают световой узор и декодируют записанные данные.
Особенность проекта в том, что он нацелен на хранение «холодных» данных — архивов или другой информации, к которой не нужно часто обращаться. При этом используемое в проекте твердое кварцевое стекло способно выдержать кипячение в воде, нагревание в духовке и микроволновой печи, мытье и чистку, размагничивание и другие воздействия окружающей среды. Оно не требует особых условий хранения.
Как отмечают в Microsoft, такие носители способны обеспечить бессрочное хранение информации «в течение 50, 100 или 1 тыс. лет, пока она не понадобится детям наших правнуков». Так, используя технологию Project Silica емкостью 7 Тб, можно хранить около 1,75 млн песен или около 3,5 тыс. фильмов в течение 10 тыс. лет.
5D-оптика
2013 году исследователи из Университета Саутгемптона (Великобритания) продемонстрировали рабочую технологию записи данных на кварцевый носитель. Они использовали «кристаллы памяти» из кварца, куда лазером записывали данные с пятью разными характеристиками, включая координаты в трех измерениях, ориентацию и объем. При этом последние два показателя ученые смогли контролировать при помощи интенсивности лазерного луча.
Ученые использовали лазер со сверхкороткими импульсами (фемтосекундный лазер), который наносил на кристалл точки слоями на расстоянии 5 мкм (0,005 мм). Полученные данные считывались с помощью оптического микроскопа. Сначала на кварцевый диск получилось записать текстовый файл объемом 300 Кб, но со временем на таких носителях смогли уместить Всеобщую декларацию прав человека, трактат Ньютона «Оптика», Великую хартию вольностей и Библию.
Разработчики утверждают, что технология больше всего подойдет музеям, библиотекам, промышленным предприятиям, которым нужно хранить множество «холодных» данных. Срок хранения информации не ограничен, а условия окружающей среды могут быть любыми, главное, чтобы сам диск не получал физических повреждений.
Интересно, что некоторые из разработок британских исследователей использовала и Microsoft в упомянутом выше Project Silica.
Керамическая нанопамять
Осенью 2023 года немецкий стартап Cerabyte представил первый прототип системы хранения архивных данных, которая использует стекло, керамику и лазер. Создатели прототипа утверждают, что такие носители позволят хранить до 10 петабайт (Пб, 1 048 576 Гб) данных в течение минимум 5 тыс. лет.
Носитель представляет собой небольшой стеклянный квадрат или гибкую стеклянную ленту, на которую нанесены слои керамики толщиной от 50 до 100 атомов. Данные на нее записываются при помощи фемтосекундных лазеров, при этом за один импульс можно нанести 2 млн бит информации. Сверху накопитель также покрыт несколькими слоями специальной керамики толщиной примерно по 300 мкм каждый. Информацию с него можно считать при помощи микроскопа высокого разрешения. Как отмечают в Cerabyte, устройство может быть двусторонним. Оно доступно только для чтения или записи данных, но информацию на нем изменить нельзя.
Керамический материал устойчив к большинству неблагоприятных условий: температурам от −273 до 300 градусов Цельсия, кислотам, электромагнитным импульсам и другим воздействиям. Носители планируется размещать в роботизированных хранилищах в специальных модулях. Особенность системы также заключается в высокой скорости считывания данных с носителей. Так, за секунду можно будет считать 1 Гб информации и более.
В 2024 году Cerabyte планирует выпустить первый керамический носитель, а в течение нескольких лет наладить выпуск носителей с гибкой стеклянной лентой большей емкости. Предполагается, что первые устройства будут вмещать от 10 до 100 Пб, а в последующих поколениях плотность хранения материала достигнет 1 Тб данных или более на 1 кв. мм. К 2030 году Cerabyte планирует разработать носители в виде картриджей на 100 Пб, а к 2035-му — керамическую ленту, способную хранить 1 эксабайт данных (1 073 741 824 Гб).
ДНК-хранилища
В природе ДНК кодирует, хранит и делает читаемыми огромные объемы генетической информации в крошечных пространствах (клетках, бактериях и вирусах), причем с высокой степенью точности и воспроизводимости. За последнее десятилетие исследователи выяснили, что нити синтетической ДНК, которые «плетутся» в лабораториях, также позволяют эффективно записывать данные. Так, в одном грамме ДНК помещается 215 Пб данных, которые можно хранить до 2 тыс. лет. В 2010 году биологи из Гонконга сумели внедрить в клетку бактерии E.coli синтетическую ДНК, а в 2012 году ученые из Гарварда записали в нее 643 Кб данных.
Уже в 2016 году Microsoft закупила 10 млн нитей синтетической ДНК у биологического стартапа Twist Bioscience для проверки технологии записи. Исследователи Microsoft разработали способ записи последовательностей единиц и нулей при помощи блоков последовательностей ДНК или нуклеотидов. Единицей хранения в такой системе выступает последовательность примерно из 200 нуклеотидов с объемом информации 50–100 бит.
В 2019 году Microsoft и Вашингтонский университет представили автоматизированную систему кодирования и считывания данных ДНК. В ней лабораторное оборудование подает необходимые жидкости и реагенты в синтезатор, который собирает изготовленные фрагменты ДНК и помещает их в емкость для хранения. Когда информацию нужно извлечь, система добавляет другие химические вещества для правильной подготовки ДНК и использует микрофлюидные насосы для проталкивания жидкостей в те ее части, которые считывают последовательности и преобразуют их в данные.
Исследователи также разработали методы поиска по определенным параметрам — например, изображений с яблоком или велосипедом — с использованием самих молекул ДНК и без необходимости конвертировать их в цифровой формат. Для этого используются магнитные наночастицы — метки, которые привязываются к определенным запросам ДНК и извлекаются с помощью магнита. Сами ДНК-носители будут храниться в специальных капсулах, к каждой из которых будет крепиться такая метка.
В 2023 году исследователи из Технического университета Эйндховена (Нидерланды) представили усовершенствованную микрокапсулу из белков и полимера, которая позволит не только эффективно хранить ДНК-носители, но и считывать информацию сразу с нескольких из них и копировать ее, используя реакции молекул на разные температуры.
В 2020 году Microsoft, Twist Bioscience, производитель систем анализа генетического разнообразия Illumina и производитель накопителей данных Western Digital объявили об основании Альянса хранения данных ДНК для дальнейшего развития технологии.
Участники альянса отмечают, что ДНК в будущем позволит хранить огромные массивы информации в ограниченном пространстве. Например, десять полнометражных фильмов можно будет сохранить на носителе размером с крупинку соли. Однако система, так же как и описанные выше, предназначена для «холодных» данных из-за ограниченной скорости их извлечения.
Свой подход, основанный на ДНК, предложили и исследователи Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария). По их мнению, носителем данных могут выступать нити ДНК или нанопоры, которые создают бактерии Aeromonas Hydrophila в живых клетках при помощи токсина под названием аэрозилин. Они представляют собой отверстия наноразмера, которые бактерии пробивают в другие клетки, чтобы разрушить их. В итоге ДНК-молекула проходит через нанопору как струна под напряжением и ее различные компоненты производят отчетливые электрические сигналы, которые можно использовать для считывания данных с точностью 100%.
Методы машинного обучения уже позволяют декодировать такую информацию. Создатели метода утверждают, что подобная система гораздо дешевле, чем использование обычных нитей ДНК, однако пока она слишком сложна для широкого применения. Кроме того, в настоящее время таким методом можно считать только небольшой объем данных — всего до 4 бит.