ДНК, лазерне травлення скла і не тільки: Погляд у майбутнє зберігання даних

Для більшості з нас зберігання даних стало лише простішим. Замість того, щоб возитися з жорсткими дисками з обмеженим обсягом пам’яті, дискетами і перезаписуваними компакт-дисками або DVD, сьогодні ми просто натискаємо кнопку “зберегти” на будь-якому файлі, над яким працюємо, і дозволяємо йому бути перенесеним в хмару. Це простий і легкий підхід до зберігання даних, який не лише означає, що у нас не закінчується місце, але й що ми можемо отримати доступ до наших файлів, де б ми не знаходились. Що тут може не сподобатися?

• Ласкаво просимо у світ зберігання ДНК
• Зберігання стає холоднішим
• Приготуйтеся до 5D оптичного сховища
• Що переможе?

Виявляється, є кілька варіантів. По-перше, у нас закінчується місце для зберігання. У буквальному сенсі. Оскільки 3,7 мільярда людей, які зараз користуються Інтернетом, генерують близько 2,5 квінтильйона байт даних щодня, для того, щоб задовольнити попит, потрібно все більше і більше центрів обробки даних. До 2025 року світ буде генерувати 160 зеттабайт даних на рік. Це більше байт, ніж зірок у спостережуваному Всесвіті. Якщо ми не покриємо кожен квадратний дюйм землі центрами обробки даних, ми не зможемо йти в ногу з таким зростанням. Це означає відмову від даних, які можуть бути безцінними – в деяких випадках ще до того, як ми дізнаємось, чи є вони такими насправді.

“Просте зберігання даних – це не обов’язково все, що ми можемо зробити з ДНК”.

“Якщо ви подивитеся на великі установи, такі як ЦЕРН, де працює Великий адронний колайдер, він генерує петабайти даних кожну секунду роботи машини”, – сказав Digital Trends Нік Голд, віце-президент з маркетингу компанії Catalog, що займається даними. “Але немає можливості зберігати петабайти в секунду, тому їм доводиться викидати більше 90% даних, які вони генерують. Вони б із задоволенням зберегли все це, якби був спосіб зберегти”.

Існує також екологічний фактор. Згідно з одним із звітів, 17% загального вуглецевого сліду, спричиненого технологіями, припадає на центри обробки даних. Нинішній єдиний центр обробки даних може споживати більше енергії, ніж місто середнього розміру. Хоча такі компанії, як Apple, зробили кроки, щоб компенсувати це, використовуючи більш стійкі джерела енергії, все ще існують причини для пошуку кращої альтернативи.

На щастя, саме над цим працюють деякі розумні дослідники по всьому світу. Вони зайняті вигадуванням (і, що не менш важливо, демонстрацією) вражаючих технологій зберігання даних наступного покоління, які можуть вирішити світову проблему з даними в найближчі роки. Причому раз і назавжди.

Ласкаво просимо у світ зберігання ДНК

Ідея зберігання даних в ДНК звучить дуже футуристично.

Кілька років тому дослідники Люблянського університету в Словенії продемонстрували, що можна кодувати фрагменти комп’ютерного коду в ДНК тютюнових рослин. Вони створили просту комп’ютерну програму, а потім вбудували її в генетичну структуру тютюнової рослини; по суті, клонували її з комп’ютерною програмою всередині. Виділення ДНК рослини та її секвенування призвело до того, що на екрані комп’ютера з’явилося повідомлення “Hello World” (“Привіт, світ!”).

Карін Любич Фістер: Руйнування стіни зберігання даних @Falling Walls Lab Берлін 2015

З того часу команда з Гарвардського університету використала технологію редагування генів CRISPR для зберігання відео у вигляді бактеріальної ДНК. Відео, яке більше нагадувало GIF-файл з низькою роздільною здатністю, ніж відео високої роздільної здатності, яке більшість з нас звикли переглядати сьогодні, тим не менш, стало значним кроком вперед. “Ми хотіли перевірити, чи можна використовувати систему CRISPR-Cas в бактеріях для захоплення складної інформації з часовим компонентом в живих бактеріях”, – розповів тоді Digital Trends доктор Сет Шипман, нейробіолог з Гарварду, який керував експериментом.

У 2017 році Шипман сказав мені, що негайних практичних застосувань для роботи не було. “Але, сподіваюся, на найближчому горизонті”, – додав він.

“Наша мета в найближчому майбутньому – мати універсальну обчислювальну систему …”

Цей “найближчий горизонт” може настати вже зараз. Протягом останніх кількох років новаторська компанія Catalog працювала над комерціалізацією зберігання ДНК. Вони стверджують, що незабаром може стати можливим зберігати всю світову інформацію в просторі розміром з шафу для одягу. Це стане можливим завдяки їхньому підходу, в якому дані кодуються в синтетичному полімері (а не в чомусь живому, наприклад, рослині). Влітку цього року стартап оголосив, що йому вдалося стиснути всі 16 ГБ англомовної Вікіпедії в крихітний флакон з цього матеріалу.

Але це не єдине, що робить його цікавим. “Просте зберігання даних – це не обов’язково все, що ми можемо зробити з ДНК, – сказав Сі Джей Хантцінгер, директор з комунікацій компанії Catalog. “Це не обов’язково навіть найпривабливіша частина всієї цієї платформи. Ми бачимо набагато більші можливості в області обчислень, і речі, які можуть принести ще більшу користь людству, ніж просто можливість зберігати дані в дуже невеликому обсязі”.

Це включає в себе прориви в здатності просіювати дані на основі ДНК. “Коли ми помістили інформацію в ці молекули ДНК, ми розробили теоретичну основу для того, як ми будемо маніпулювати цими молекулами для виконання базових обчислень, аж до складних функцій”, – продовжив Хантцінгер. “Наша мета в найближчому майбутньому – створити універсальну обчислювальну систему, в якій ми зможемо перевести будь-яку булеву логіку і функцію в набір молекулярних інструкцій – так що нам не доведеться витягувати інформацію з молекул ДНК в цифровий носій, перш ніж ми будемо обчислювати на них”.

Оскільки ця технологія продовжує розвиватися, вона пропонує величезний потенціал не лише для зберігання, але й для виконання таких завдань, як розпізнавання образів у петабайтах (одна тисяча мільйонів мільйонів) або навіть ексабайтах (один квінтильйон байт) даних.

Зберігання стає холоднішим

Дослідники з Манчестерського університету у Великій Британії (того самого університету, який створив універсальний диво-матеріал графен) також розробили вражаючу технологію зберігання даних наступного покоління. Вони створили молекули, які одного дня можуть зберігати в сотні разів більше даних, ніж сучасні жорсткі диски, в значно меншому форм-факторі. Заковика в тому, що для того, щоб вони функціонували, їх потрібно тримати в неймовірно холодному стані. Однак, хоча центрам обробки даних знадобиться технологія переохолодження для її використання, вони також зможуть значно зменшити свій вплив на навколишнє середовище, ставши дешевшими в експлуатації, більш енергоефективними та менш шкідливими для довкілля.

“Перевагою нашої технології є надзвичайна довговічність, оскільки ми використовуємо кварцове скло в якості носія інформації, яке може пережити такі катастрофи, як пожежі або сонячні спалахи”.

“Ми зацікавлені у створенні молекул, здатних зберігати магнітну інформацію”, – сказав доктор Ніколас Чілтон, старший викладач і науковий співробітник Університету Королівського товариства на кафедрі хімії в Манчестерському університеті, в інтерв’ю Digital Trends. “Це може призвести до дуже корисної технології, якщо вона спрацює, тому що молекули дуже, дуже малі; набагато менше, ніж існуючі магнітні матеріали, які використовуються для зберігання інформації. Використовуючи одномолекулярні магніти, ми потенційно можемо створити носії даних, які будуть в 100 разів більш щільними, ніж сучасні технології, такі як жорсткі диски і твердотільні накопичувачі, які стикаються з власними обмеженнями по щільності даних”.

Одномолекулярні магніти можна “записувати” завдяки їх здатності запам’ятовувати напрямок прикладеного магнітного поля протягом відносно тривалих періодів часу після того, як магнітне поле було вимкнено. У 2017 році Чілтон і його манчестерський колега доктор Девід Міллс підготували і вивчили першу молекулу “диспрозоцену”: іон диспрозія, затиснутий між двома п’ятичленними вуглецевими кільцями. З того часу дві інші групи продовжили цю роботу, підготувавши додаткові молекули диспрозоцену, дотримуючись дизайну, викладеного Чілтоном і Міллсом. Цього місяця вони опублікували нову статтю з описом цієї роботи.

“Нещодавній результат, опублікований в Science, показує магнітну пам’ять до 80 Кельвінів, що є значною віхою, оскільки це вище температури рідкого азоту – який є дешевим і поширеним ресурсом, на відміну від рідкого гелію”, – пояснив Чілтон. “Однак це ще не означає, що зберігання даних при температурі рідкого азоту є практичним у молекулах. Тривалість часу, протягом якого дані можуть зберігатися при 80 К, становить порядку секунд, а для практичного застосування нам потрібно, щоб це були роки”.

На передньому краї цього дослідження Чілтон і Міллс експериментують із заміною вуглецю в кільцях на більш важкий елемент фосфор. Хоча їх перший результат не є поліпшенням в порівнянні з повністю вуглецевими кільцями, пара сподівається, що це дослідження дасть уявлення про те, як розробити чудові молекулярні магніти.

Є ще вузькі місця, які потрібно вирішити, наприклад, як розмістити ці магнітні молекули на поверхнях, не впливаючи на їх продуктивність, і як при

Приготуйтеся до 5D оптичного сховища

“Ми розробляємо технологію зберігання даних в першу чергу для архівування і холодного зберігання великих обсягів даних, [наприклад] для центрів обробки даних і хмарних сховищ”, – розповів Digital Trends доктор Пітер Казанський, професор Саутгемптонського дослідницького центру оптоелектроніки. “Одна з наших цілей – замінити магнітну стрічку, яка в даний час використовується для таких додатків. Перевагою нашої технології є надзвичайна довговічність, оскільки ми використовуємо кварцове скло в якості носія інформації, яке може пережити такі катастрофи, як пожежі або сонячні спалахи, потенційно небезпечні для центрів обробки даних. Ще однією перевагою є те, що ми використовуємо додаткові ступені свободи для зберігання даних, які допомагають збільшити ємність”.

Процес виробництва 5D оптичного сховища

Рішення для зберігання даних описується як п’ятивимірне. Інформація кодується в декількох шарах, включаючи звичні три виміри. Однак, вона також кодується в орієнтації і розмірі відбитих структур – тим самим надаючи п’ять ступенів свободи для зберігання даних. Сховище дозволяє зберігати сотні терабайт даних на одному диску. Він також має термостійкість до 1800 градусів за Фаренгейтом. У порівнянні з вразливістю магнітної стрічки, яка служить лише близько одного десятиліття, такий підхід здається майже незнищенним.

Робота Саутгемптонського університету зацікавила корпорацію Microsoft. Ініціатива під назвою Project Silica спрямована на використання 5D-оптичного зберігання даних у склі для першої в історії технології зберігання, розробленої і створеної для хмарних сховищ, починаючи з мультимедійних даних і закінчуючи мультимедіа. “Основним вузьким місцем на даний момент є збільшення швидкості запису”, – визнав Казанський.

Що візьме гору?

Що переможе?

Який з них в кінцевому підсумку сформує майбутнє зберігання даних, яким ми його знаємо? Важко сказати напевно. Попереду ще багато роботи, перш ніж сучасні методи зберігання даних підуть шляхом 3 ½ дискети; замінені чимось нескінченно більш науково-фантастичним за своєю концепцією. Але все рухається швидко.

Відверто кажучи, який би з цих захоплюючих підходів не переміг, справжніми переможцями стануть ті з нас, хто отримає можливість користуватися цією технологією. І в результаті ніколи більше не доведеться нічого видаляти назавжди.

Рекомендації редакції

Твердотільний накопичувач Samsung 990 Pro створений для PS5 і DirectStorage

• Дискети нарешті відходять у минуле в Японії… можливо
• Програми для відновлення даних нарешті зламали високозахищений чіп Apple M1
• SmartSSD Samsung 2-го покоління може обробляти дані прямо на диску
• Microsoft може остаточно вбити завантажувальні накопичувачі на жорстких дисках
• Дані, що зберігаються на синтетичному полімері ДНК | 5D Memory Crystal

Source: digitaltrends.com