Stąd do wieczności

Mimo że codziennie ludzkość produkuje ogromne ilości danych, to przechowywane są one na dramatycznie nietrwałych nośnikach. Epatujemy gigantycznymi ilościami generowanych informacji, ale robi się nam nieswojo, gdy uzmysłowimy sobie, że praktycznie cały dorobek intelektualny naszej cywilizacji wypracowany w XXI wieku przechowywany jest na nośnikach, które nie przetrwają dłużej niż kilka dekad. Większość zapisów nie wytrzyma nawet dwudziestu lat… Chlubnym wyjątkiem są tu dyski M-Disc (firmy Millenniata), produkowane jako płyty DVD i Blu-ray. Podobno są w stanie bezawaryjnie służyć ponad 1300 lat.

Pomimo wyjątków, perspektywy przetrwania gromadzonych przez nas informacji nie rysują się zanadto optymistycznie. Dlatego szukamy zdecydowanie lepszych technologii ich zapisu i przechowywania.

W szkle zapisane

Naukowcy z University of Southampton zaprojektowali nowy rodzaj nośnika danych i opracowali skuteczną metodę zapisu i odczytu. Wykorzystując ultraszybki, tzw. laser femtosekundowy, wypalają w szkle drobne plamki. Każda z kropek ma swoje miejsce w trójwymiarowej przestrzeni, a ponadto odpowiednią wielkość i właściwy kąt nachylenia. To w sumie daje pięć liczb opisujących każdą z kropek. Co za tym idzie, można mówić o pięciu wymiarach, dzięki czemu technologia została nazwana 5D.

Szkło z punktu widzenia przechowywania danych ma wiele zalet: wykazuje stabilność struktury do temperatury 1000°C, a jeśli ta nie przekroczy 190°C, trwałość zapisu obliczana jest na 13,8 mld lat! Dodatkową zaletę stanowi ogromna gęstość, uzyskiwana dzięki trójwymiarowej strukturze: w krążku o średnicy kilku centymetrów i mniej niż centymetrze grubości można zapisać 360 terabajtów danych.

Nośnik szklany 5D

Obecnie trwają prace nad seryjną budową tego rodzaju „szklanych” urządzeń, które mogłyby znaleźć zastosowanie w ośrodkach przetwarzania danych i cyfrowych repozytoriach. Podzespoły nie są tanie, bo sam femtosekundowy laser kosztuje kilkadziesiąt tysięcy dolarów. Warto zwrócić jednak uwagę na to, speże na jednym krążku można zapisać tyle danych, ile zmieści się na 15 tys. płyt M-Disc.

Trawienie laserem w szkle to dopiero początek poszukiwań. Uczeni szukają znacznie bardziej egzotycznych sposobów. Jednym z nich jest… zapisywanie w wodzie. Badania zdają się potwierdzać, że mikroskopijne cząsteczki zawieszone w wodzie mogą zostać wykorzystane w ten sam sposób co dzisiejsze talerze w twardych dyskach. Wystarczyłaby tylko jedna łyżeczka takich cząsteczek, aby mogły one pomieścić nawet 1 terabajt danych. Uczeni Sharon Glotzer i David Pine, którzy stoją za badaniami nad „ciekłymi twardymi dyskami”, użyli zawiesiny koloidalnej ze specjalnie zaprojektowanymi nanocząsteczkami, które były ułożone w grupy po cztery lub więcej cząsteczek wraz z centralnym obszarem, działającym jako punkt wiązania. Gdy system został podgrzany, cząsteczki przyjęły różne konfiguracje.

Obrazy koloidów cyfrowych

Grupy składające się z czterech cząsteczek mogą przyjąć tylko dwie rozróżnialne konfiguracje. Pozostałe dwa kształty są podobne do cząsteczek chiralnych. Te dwie różne konfiguracje mogą być odczytywane jako zera i jedynki. Zespół naukowców określił zastosowaną przez nich ciecz jako „koloid cyfrowy”. To dopiero pierwsze kroki w kierunku opracowania „ciekłych dysków twardych”. Są jednak szanse, że w przyszłości technologia ta pozwoli przechowywać ogromne ilości danych.

Kod życia i schronienie dla danych

Wszystkie dane, jakie dotychczas wytworzyła cywilizacja człowieka, można zapisać na „twardym dysku” wielkości monety groszowej – tak wynika z publikacji naukowców ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologicznego. Trick polega na tym, że chodzi o zapis w DNA, tym samym, które jest podstawą życia na Ziemi. „NewScientist”, który o tym napisał, podał następujące wyliczenie: jeden gram łańcuchów cząsteczkowych DNA może zakodować 455 eksabajtów informacji, zaś wg szacunków firmy komputerowej EMC dokonanych w 2011 r. łączna objętość danych zgromadzonych na Ziemi wynosiła wtedy 1,8 zettabajta. Jeden zeta bajt to 1 tys. eksabajtów, więc do zapisu danych z 2011 r. potrzeba ok. 4 gramów DNA. Oczywiście od 2011 r. objętość światowych informacji wzrosła i trzeba by pewnie dołożyć kilka gramów.

Zapis DNA

Koncept zapisu danych w łańcuchach DNA nie jest nowy i polega na traktowaniu składających się na nie cząsteczek jako par – odpowiedników bitów. Uchodzi jednak za problematyczny, gdyż jest to struktura nietrwała. Szwajcarzy opracowali więc technologię, która polega na zabezpieczaniu cząsteczek DNA w krzemowych osłonach. W ten sposób dane zapisane w łańcuchach wytrzymywały nawet kilka tygodni w temperaturach podwyższonych do 60°C. Zdaniem uczonych, gdyby przetrzymywać tak zapisane dane w temperaturach poniżej zera, ich trwałość sięgnęłaby miliona lat.

Naukowcom z Uniwersytetu Stanu Waszyngton już udało się zapisać cyfrowe dane w cząsteczkach DNA, a następnie je odczytywać. Odbyło się to bez żadnej szkody dla jakości. Aby taki proces się powiódł, speżecjaliści musieli przekonwertować kod zerojedynkowy, z którego powstaje plik cyfrowy, na cztery podstawowe bloki budulcowe DNA, czyli zasady azotowe – adeninę, guaninę, cytozynę i tyminę. Synteza DNA, które reprezentuje dany plik, powiodła się. Odczytywanie danych z łańcucha ułatwiono, umieszczając wewnątrz sekwencji specjalne znaczniki. By odzyskać plik, naukowcy muszą wykorzystać te znaczniki do odnalezienia początku informacji. Następnie należy odczytać układ adeniny, guaniny, cytozyny i tyminy oraz wykorzystać kodowanie do przekonwertowania go z powrotem na dane cyfrowe. Uczeni zapowiadają dalsze kroki – zapisywanie w DNA filmów, dźwięków i innych form cyfrowej informacji.

Zejście do poziomu atomów

Według publikacji umieszczonej w jednym z ostatnich wydań naukowego czasopisma „Nature Nanotechnology”, pracownicy naukowi z holenderskiego Uniwersytetu Technicznego w Delft opracowali zupełnie przełomowe nośniki. Ich niezwykłość polega na niewyobrażalnej wręcz dla przeciętnego użytkownika miniaturyzacji, mamy bowiem do czynienia z zapisem danych na pojedynczych atomach. Opracowany sposób daje nam ponad pięćset razy większą gęstość zapisu aniżeli jakakolwiek obecnie stosowana technologia. Korzystając z tego rozwiązania można by podobno zmieścić całą Bibliotekę Kongresu Stanów Zjednoczonych Ameryki w kostce o szerokości 0,1 mm.

Naukowcy wykorzystali to, że cząsteczki chloru umieszczone na podłożu z miedzi tworzą przewidywalną, symetryczną siatkę o wzorze kwadratu (5). Dzięki temu możliwe było odpowiednie aranżowanie atomów w wydzielonych blokach danych – w zależności od położenia cząsteczki (możliwe są dwie aranżacje) wartość danej komórki wynosiła 1 lub 0. Gdy brakuje w niej atomu, tworzy się luka, w którą może zostać przesunięty inny atom przy pomocy igły skaningowego mikroskopu tunelowego – w ten sposób luka zmienia swoje położenie. W przypadku wykorzystania większej liczby luk można sukcesywnie tworzyć określone układy, które są w stanie odpowiadać bitom, a tym samym literom, słowom i – idąc dalej – całym tekstom.

Technologia ta wymaga jednak obecnie bardzo specyficznych warunków do działania – laboratoryjnie czystego środowiska próżniowego oraz temperatur bliskich -200°C. Egzemplarz pokazowy potrafi przechować 1 kB informacji, co oznacza kontrolowane rozmieszczenie ponad 8 tys. cząsteczek. To najbardziej skomplikowana konstrukcja budowana z pojedynczych atomów, jaką do tej pory stworzono.

Praktycznych rozwiązań nośników danych o takiej pojemności i trwałości sięgających milionów lat, na razie nie ma. Być może jednak pilna potrzeba wymusi szybkie wdrożenie którejś z wyżej opisanych futurystycznych technologii?