Дослідники з Microsoft Research продемонстрували систему зберігання даних під назвою Silica, яка використовує скло. Ця технологія дозволяє записувати та зчитувати цифрову інформацію у звичайному склі. Згідно з дослідженням, опублікованим у журналі Nature, система здатна зберігати обсяг даних, еквівалентний приблизно двом мільйонам книг, у тонкому шматку скла розміром з долоню. Проведені випробування вказують на те, що дані можуть залишатися доступними для зчитування протягом понад 10 000 років.
Ця розробка має на меті вирішити давню проблему у сфері цифрового архівування. Сучасні носії інформації, такі як магнітні стрічки та жорсткі диски, з часом зношуються і потребують регулярної заміни, що робить їх менш придатними для збереження інформації для майбутніх поколінь. Дослідники підкреслюють зростаючу важливість довгострокового цифрового збереження, оскільки уряди, науково-дослідні установи, підприємства та культурні організації шукають надійні способи зберігання цінних записів.
Система Silica зберігає інформацію, використовуючи ультракороткі лазерні імпульси, тривалість яких становить лише кілька квадрильйонних часток секунди, відомі як фемтосекунди (10⁻¹⁵ секунди). Хоча ці лазерні імпульси надзвичайно короткі, вони несуть достатньо енергії для створення мікроскопічних, постійних змін всередині прозорого скла, не пошкоджуючи навколишній матеріал. Цей процес дозволяє фіксувати дані на молекулярному рівні.
Зазвичай лазерне світло такого типу проходить крізь скло, не взаємодіючи з ним. Однак, коли промінь фокусується на крихітній точці, він створює інтенсивне електричне поле, яке змінює молекулярну структуру скла в цьому місці. Кожна з таких мікроскопічних позначок називається вокселем, що є тривимірною версією пікселя. Замість того, щоб зберігати інформацію лише на поверхні, вокселі дозволяють записувати дані по всьому об’єму скла сотнями шарів.
Ідея зберігання даних у склі за допомогою лазерно записаних вокселів не є новою. Ще у 1990-х роках Ерік Мазур та його колеги з Гарвардського університету продемонстрували, що фемтосекундні лазери можуть постійно записувати структури даних у звичайному склі. Пізніше, у 2014 році, Пітер Казанський та його команда з Університету Саутгемптона повідомили про довгострокове зберігання даних у плавленому кварцовому склі з, як вони зазначали, “здавалося б, необмеженим терміном служби”.
Команда Microsoft Research зазначає, що система Silica не впроваджує нового наукового принципу. Натомість, це перша демонстрація повноцінної архівної системи зберігання, яка об’єднує всі основні кроки, необхідні для практичного використання. Платформа включає кодування, запис, зчитування, декодування та корекцію помилок даних. Також було проведено тестування швидкості запису, щільності зберігання, енергоефективності, надійності та довгострокової довговічності.
Одним із значних досягнень цього дослідження є використання звичайного боросилікатного скла, на відміну від плавленого кварцу, що застосовувався раніше. Боросилікатне скло є недорогим, широко доступним та поширеним у лабораторному обладнанні, кухонному посуді і дверцятах духовок, завдяки його стійкості до високих температур та різких змін тепла. За словами дослідників, цей вибір матеріалу усуває дві головні перешкоди для комерційного використання: знижує вартість та спрощує постачання носія зберігання.
Система зберігає інформацію на 301 шарі всередині скляного листа розміром 120 на 120 міліметрів і товщиною 2 міліметри. Кожен такий елемент може вміщувати до 4.8 терабайт даних. Дослідники спростили систему зчитування, використовуючи лише одну камеру замість трьох-чотирьох, що сприяє зниженню вартості та розміру пристрою. Систему запису також було перероблено, зменшивши кількість компонентів для спрощення виробництва, калібрування та експлуатації.
Дослідження описує два методи запису даних у скло. Перший метод створює крихітні видовжені порожниноподібні структури всередині матеріалу за допомогою лазерних “мікровибухів”. Цей підхід забезпечує щільність зберігання 1.59 гігабіта на кубічний міліметр, що дозволяє вміщувати значні обсяги інформації в дуже невеликий простір. Такий спосіб є ефективним для досягнення максимальної ємності носія.
Другий метод створює невеликі зміни в локальному показнику заломлення скла замість утворення крихітних порожнеч. Показник заломлення є властивістю, що визначає, як світло поширюється крізь матеріал. Змінюючи цю властивість у конкретних місцях, дослідники можуть створювати шаблони, які представляють цифрову інформацію, а потім зчитувати їх за допомогою оптичної візуалізації. Цей підхід дозволяє більш тонко керувати процесом запису.
Хоча цей метод зберігає менше даних в тому ж обсязі, він дозволяє записувати інформацію швидше та з меншими енерговитратами. Дослідники повідомили про швидкість запису близько 65.9 мегабіт на секунду, використовуючи цей підхід. Вони також зазначили, що швидкість може бути збільшена шляхом одночасного застосування кількох лазерних променів. Загальна швидкість запису поточної системи становить 25.6 мегабіт на секунду на кожен лазерний промінь, обмежена переважно швидкістю генерації імпульсів лазером.
Для оцінки терміну зберігання даних команда провела прискорені випробування на старіння. Ці тести піддають матеріали суворішим умовам, як-от підвищені температури, для прогнозування їхньої поведінки протягом значно довших періодів за нормальних умов. Дослідники також розробили новий метод старіння для боросилікатного скла, що дозволило оцінити довгострокову стабільність цього більш доступного матеріалу. Результати свідчать, що дані, записані обома методами, залишатимуться стабільними понад 10 000 років.
Прогнозований термін служби цієї технології значно перевищує можливості сучасних технологій архівного зберігання, включаючи магнітні стрічки та жорсткі диски. Дослідники стверджують, що отримані результати демонструють потенціал скла як практичного носія для довгострокового цифрового архівування. Це досягається завдяки поєднанню довговічних та широко доступних матеріалів з комплексною системою для запису, зберігання та зчитування даних.
