Исследователи из Microsoft Research продемонстрировали систему хранения данных под названием Silica, которая использует стекло. Эта технология позволяет записывать и считывать цифровую информацию в обычном стекле. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature, система способна хранить объем данных, эквивалентный примерно двум миллионам книг, в тонком куске стекла размером с ладонь. Проведенные испытания указывают на то, что данные могут оставаться доступными для считывания в течение более 10 000 лет.
Эта разработка призвана решить давнюю проблему в сфере цифрового архивирования. Современные носители информации, такие как магнитные ленты и жесткие диски, со временем изнашиваются и требуют регулярной замены, что делает их менее пригодными для сохранения информации для будущих поколений. Исследователи подчеркивают возрастающую важность долгосрочного цифрового сохранения, поскольку правительства, научно-исследовательские учреждения, предприятия и культурные организации ищут надежные способы хранения ценных записей.
Система Silica хранит информацию, используя ультракороткие лазерные импульсы, продолжительность которых составляет всего несколько квадриллионных долей секунды, известные как фемтосекунды (10⁻¹⁵ секунды). Хотя эти лазерные импульсы чрезвычайно коротки, они несут достаточно энергии для создания микроскопических, постоянных изменений внутри прозрачного стекла, не повреждая окружающий материал. Этот процесс позволяет фиксировать данные на молекулярном уровне.
Обычно лазерный свет такого типа проходит сквозь стекло, не взаимодействуя с ним. Однако, когда луч фокусируется на крошечной точке, он создает интенсивное электрическое поле, которое изменяет молекулярную структуру стекла в этом месте. Каждая из таких микроскопических отметок называется вокселем, что является трехмерной версией пикселя. Вместо того чтобы хранить информацию только на поверхности, воксели позволяют записывать данные по всему объему стекла сотнями слоев.
Идея хранения данных в стекле с помощью лазерно записанных вокселей не является новой. Еще в 1990-х годах Эрик Мазур и его коллеги из Гарвардского университета продемонстрировали, что фемтосекундные лазеры могут постоянно записывать структуры данных в обычном стекле. Позднее, в 2014 году, Питер Казанский и его команда из Университета Саутгемптона сообщили о долгосрочном хранении данных в плавленом кварцевом стекле с, как они отмечали, «казалось бы, неограниченным сроком службы».
Команда Microsoft Research отмечает, что система Silica не внедряет нового научного принципа. Вместо этого, это первая демонстрация полноценной архивной системы хранения, которая объединяет все основные шаги, необходимые для практического использования. Платформа включает кодирование, запись, считывание, декодирование и коррекцию ошибок данных. Также было проведено тестирование скорости записи, плотности хранения, энергоэффективности, надежности и долгосрочной долговечности.
Одним из значительных достижений этого исследования является использование обычного боросиликатного стекла, в отличие от плавленого кварца, который применялся ранее. Боросиликатное стекло является недорогим, широко доступным и распространенным в лабораторном оборудовании, кухонной посуде и дверцах духовок, благодаря его устойчивости к высоким температурам и резким изменениям тепла. По словам исследователей, этот выбор материала устраняет два главных препятствия для коммерческого использования: снижает стоимость и упрощает поставку носителя хранения.
Система хранит информацию на 301 слое внутри стеклянного листа размером 120 на 120 миллиметров и толщиной 2 миллиметра. Каждый такой элемент может вмещать до 4.8 терабайт данных. Исследователи упростили систему считывания, используя всего одну камеру вместо трех-четырех, что способствует снижению стоимости и размера устройства. Система записи также была переработана, уменьшив количество компонентов для упрощения производства, калибровки и эксплуатации.
Исследование описывает два метода записи данных в стекло. Первый метод создает крошечные удлиненные полостевидные структуры внутри материала с помощью лазерных «микровзрывов». Этот подход обеспечивает плотность хранения 1.59 гигабита на кубический миллиметр, что позволяет вмещать значительные объемы информации в очень небольшое пространство. Такой способ эффективен для достижения максимальной емкости носителя.
Второй метод создает небольшие изменения в локальном показателе преломления стекла вместо образования крошечных пустот. Показатель преломления — это свойство, определяющее, как свет распространяется сквозь материал. Изменяя это свойство в конкретных местах, исследователи могут создавать шаблоны, которые представляют цифровую информацию, а затем считывать их с помощью оптической визуализации. Этот подход позволяет более тонко управлять процессом записи.
Хотя этот метод сохраняет меньше данных в том же объеме, он позволяет записывать информацию быстрее и с меньшими энергозатратами. Исследователи сообщили о скорости записи около 65.9 мегабит в секунду, используя этот подход. Они также отметили, что скорость может быть увеличена путем одновременного применения нескольких лазерных лучей. Общая скорость записи текущей системы составляет 25.6 мегабит в секунду на каждый лазерный луч, ограниченная преимущественно скоростью генерации импульсов лазером.
Для оценки срока хранения данных команда провела ускоренные испытания на старение. Эти тесты подвергают материалы более суровым условиям, таким как повышенные температуры, для прогнозирования их поведения в течение значительно более долгих периодов при нормальных условиях. Исследователи также разработали новый метод старения для боросиликатного стекла, что позволило оценить долгосрочную стабильность этого более доступного материала. Результаты свидетельствуют, что данные, записанные обоими методами, будут оставаться стабильными более 10 000 лет.
Прогнозируемый срок службы этой технологии значительно превышает возможности современных технологий архивного хранения, включая магнитные ленты и жесткие диски. Исследователи утверждают, что полученные результаты демонстрируют потенциал стекла как практического носителя для долгосрочного цифрового архивирования. Это достигается благодаря сочетанию долговечных и широко доступных материалов с комплексной системой для записи, хранения и считывания данных.
