Кипяток, потоп и 10000 лет ожидания. Microsoft создала систему вечного хранения данных на стекле

Представьте архив, который можно уронить в воду, нагреть почти до кипения и оставить на полке на тысячи лет, а данные при этом никуда не исчезнут. Похоже на научную фантастику, но именно такую систему хранения показала Microsoft Research в проекте Project Silica.

Идея проста и одновременно амбициозна. Для долговременного хранения нужны носители, которые не требуют энергии, пока к ним не обращаются, и не разрушаются от времени. ДНК уже пробовали использовать в качестве носителя, но стекло оказалось куда практичнее. Многие его виды химически и физически устойчивы, а информацию в них можно буквально «вытравить» лазером.

В работе, опубликованной в журнале Nature, команда описала полноценную систему записи и чтения данных на небольших стеклянных пластинах. Плотность хранения превышает один гигабит на кубический миллиметр.

Кремниевый носитель информации, содержащий картографические данные из Microsoft Flight Simulator (Nature.com)

В основе технологии лежат сверхкороткие импульсы фемтосекундного лазера. Каждый импульс длится всего 10 в минус 15 степени секунды, но таких импульсов можно отправлять миллионы в секунду. Это позволяет быстро и очень точно изменять структуру стекла на микроскопическом уровне и повышать плотность записи.

Информацию записывают в виде микроскопических элементов, которые разработчики называют вокселями. Microsoft испытала два подхода. В первом случае лазер создаёт крошечную овальную пустоту, а затем второй поляризованный импульс меняет оптические свойства материала. В зависимости от ориентации такой структуры воксель может хранить больше одного бита. Во втором варианте меняют энергию импульса и тем самым степень преломления света в точке записи. Здесь тоже удаётся закодировать несколько состояний и сохранить несколько битов в одном элементе.

Для чтения используют микроскоп с фазовым контрастом, который фиксирует различия в показателе преломления. Стекло записывают слоями, оставляя между ними зазор, чтобы микроскоп фокусировался на одном слое за раз. Автоматическая система перемещает объектив и поочерёдно считывает изображения с разных глубин.

Дальше в дело вступает свёрточная нейронная сеть. Она анализирует снимки как в фокусе, так и рядом с ним, чтобы точнее распознать состояние каждого вокселя. Соседние элементы влияют друг на друга, и алгоритм учитывает эти тонкие искажения.

Перед записью исходный поток данных дополняют кодами исправления ошибок с низкой плотностью проверок по чётности. Такие же коды применяют в сетях пятого поколения. Затем биты объединяют в символы, которые используют возможность хранить в одном вокселе несколько состояний, и только после этого отправляют их на стекло.

Сейчас главным узким местом остаётся скорость записи. Microsoft разработала установку с четырьмя лазерами, которые одновременно работают с одной пластиной, не перегревая её. Скорость достигает 66 мегабит в секунду. Теоретически можно добавить ещё до десятка лазеров.

Одна пластина размером 12 на 12 сантиметров и толщиной 2 миллиметра вмещает до 4,84 терабайта данных. Полная запись такого объёма занимает более 150 часов. Вариант с эффектом двойного лучепреломления обеспечивает более высокую плотность, но требует качественного стекла и сложной оптики. Более простой способ позволяет сохранить чуть больше двух терабайт, зато подходит для любого прозрачного материала.

В качестве носителя используют боросиликатное стекло. Ускоренные испытания на старение показали, что при комнатной температуре данные могут сохраняться более 10 тысяч лет. В Microsoft заявили, что Silica способна стать решением для архивного хранения в цифровую эпоху.

Пока это звучит немного оптимистично. Например, радиотелескоп Square Kilometer Array будет генерировать около 700 петабайт данных в год. Чтобы сохранить такой объём на стеклянных пластинах, понадобятся сотни тысяч носителей и сотни установок, работающих параллельно.

И всё же у Silica есть сильные стороны. Стеклу не нужна энергия для хранения данных, а доступ к информации происходит значительно быстрее, чем в системах на основе ДНК. И сам носитель, прозрачная пластина с «вытравленными» внутри данными, действительно выглядит как предмет из фантастического фильма.