Nie ustaje pogoń za super pojemnymi nośnikami danych, które przetrwają nasz czas

Cechy idealnego nośnika informacji to wysoka pojemność, wydajność i trwałość zapisu. W przypadku tej drugiej chyba najtrudniej osiągnąć satysfakcjonujący rezultat. Z pojemnością jest dużo łatwiej, choć ostatecznie cena produktu potrafi zgasić nasz entuzjazm. Przynajmniej na początku, bo jak wiadomo z czasem koszty pamięci każdego typu powinny spadać, choć nie można zapomnieć, że nasze wymagania rosną. Dlatego ostatecznie ceny produktów spełniających nasze oczekiwania maleją w znacznie wolniejszym tempie, o ile w ogóle maleją.

Z kolei trwałość zapisu, choć jest tematem ciągle przytaczanym w dyskusjach, nie wydaje się już tak dużym problemem.

Wciąż próbujemy różnych wariantów zapisu optycznego

Technologie wykorzystywane do stworzenia super pojemnych i trwałych nośników danych są przeróżne, zawsze jednak darzymy sympatią pewną ich kategorię. To technologie, które wiążą się z rozwiązaniami, które już znamy i które zapisały się w historii komputeryzacji i przechowywania danych.

Takim najbardziej kultowym nośnikiem zdaje się być płyta CD i jej późniejsze wcielenia, jak Blu-ray, z którego część z nas wciąż korzysta. Choć nie do końca jako archiwum danych, a po prostu jako medium do rozpowszechniania filmów. W filmach s-f płyty są często zastępowane przejrzystymi szklanymi kostkami lub kryształami, w których mieszczą się niewyobrażalne ilości danych.

Dlatego informacje o napędach wykorzystujących optyczne technologie zapisu danych na przeźroczystych nośnikach budzą emocje.

Szklana płytka o wielkości CD, ale o pojemności 500 TB

Technologia, o której mowa w tym tekście, została opracowana w Wielkiej Brytanii na Uniwersytecie Southampton. Wykorzystuje ona zapis za pomocą lasera w szkle kwarcowym. Zespół badawczy twierdzi, że jest w stanie uzyskać pięciowymiarowy układ nanostruktur danych, który zapewnia 10 tysięcy razy gęstsze upakowanie informacji niż to co dziś udaje się uzyskać w przypadku płyt Blu-ray. Te w najbardziej pojemnych wersjach, powszechnie dostępnych, mają ponad 100 GB pojemności.

Testowy zapis 5 GB danych na płytce o wymiarach 8,8 x 8,8 mm. To na razie mniej niż zdolność przechowywania choćby przez kartę SD, ale w końcu to prototyp

Płyta wielkości CD wykorzystująca technologię zapisu opracowaną w Southampton, wykonana ze szkła kwarcowego, pomieściłaby około 500 terabajtów danych. Gęstość zapisu byłaby w takim przypadku kilka razy większa niż w przypadku najpojemniejszych kart pamięci microSD.

Jak to działa?

Zapytacie się, skąd zapis 5D, czyli pięciowymiarowy? Wynika on z połączenia dwóch wymiarów optycznych, które można powiązać z rozmiarem i orientacją nanostruktury przechowującej informację, a także trzech wymiarów przestrzennych dotyczących jej położenia wewnątrz nośnika.

Takie nanostruktury, wpływają na światło przenikające przez dysk (efekt dwójłomności), co przekłada się na odczyt informacji. Nie odczytujemy tu jednak samych zer lub jedynek, jak na płycie CD, ale dane przypisane wokselom, czyli przestrzennemu odpowiednikowi piksela (pojęcie znane twórcom grafiki 3D), co pozwala na lepsze upakowanie danych w strukturze nośnika. Pojedynczy woksel zawiera 4 bity informacji (w dwóch wokselach można przechować znak tekstowy). W trakcie zapisu wymiary optyczne kontrolowane są poprzez polaryzację i natężenie światła lasera.

Tę technologię pracownicy Uniwersytetu Southampton pokazywali już wiele lat temu. Najpierw w 2013 roku gdy udało im się zapisać około 300 kB w postaci tekstowego pliku, potem w 2016, gdy na krążku wielkości monety zamieszczono takie treści jak Uniwersalna deklaracja praw człowieka czy Opticks Newtona. Teraz w trakcie testów zapisywane są już 5 GB porcje danych.

Z prezentacji na prezentację, zwiększa się pojemność testowego nośnika i szybkość zapisu, a także doskonalona jest technologia zapisu. Wykorzystuje ona szybkopowtarzalny laser femtosekundowy i tak zwane zjawisko wzmocnienia bliskiego pola. W skrócie chodzi o tworzenie struktur w warstwie szkła w sposób, który pozwala uniknąć termicznego uszkodzenia nośnika.

Taka sama pozostaje za to trwałość, która wydaje się…? No właśnie.

Trwałość nośnika porównywalna z wiekiem Wszechświata. Wierzycie, że to można sprawdzić?

Nowy typ nośnika, wykorzystujący wspomnianą technologię zapisu powinien według twórców wytrzymać temperatury sięgające 1000 stopni Celsjusza i przetrwać co najmniej 13,8 miliarda lat w temperaturze pokojowej. Mówiąc przetrwać, naukowcy maja na myśli zachowanie użytecznego zapisu. I tu pojawiają się wątpliwości.

Sprawdzian wytrzymałości nośnika w temperaturze 1000 stopni Celsjusza można zrealizować bez problemu. Ale test przyśpieszonego zużycia, który będzie ekwiwalentem 13,8 miliarda lat? To po prostu nie mieści się w głowie. W końcu szkło w warunkach atmosferycznych podlega degradacji w znacznie krótszych skalach czasowych, a na dodatek cóż my wiemy o zużyciu materiału w czasie porównywalnym z istnieniem Wszechświata. A tym bardziej o tym jak zachowa się materia i przestrzeń w jego otoczeniu.

Kiedyś może tak, ale jeszcze nie dziś

Cóż. Pomysł naukowców z Uniwersytetu w Southampton może mieć pozytywne konsekwencje dla rozwoju technologii zapisu danych, ale to perspektywa wciąż odległa w czasie.

Nie wykluczamy tu oczywiście stworzenia nośnika o pojemności 500 TB, a docelowo nawet pojemniejszych. Bo, po pierwsze nawet dziś 500 TB to liczba danych, którą nietrudno sobie wyobrazić, a także przechować z udziałem powszechnie wykorzystywanych technologii. Taki 500 TB nośnik byłby około 100 razy pojemniejszy niż powszechne dziś zewnętrzne dyski HDD. Dwa rzędy wielkości to naprawdę niewiele. O tyle mniej pojemne dyski twarde w komputerach (około 50 GB) stosowało się przecież mniej więcej dwie dekady temu. A płyta CD mieści około 700 MB danych, czyli o dwa rzędy mniej danych niż najpojemniejsze płyty Blu-ray.

Trwałość liczona w miliardach lat to także nie problem. Przecież i tak tego nie sprawdzimy, a niechże taka szklana płytka przetrwa tysiąc lat. To też będzie dobrze. Można założyć, że w miarę postępu dane będą przenoszone do coraz lepszych pamięci. Inna kwestią jest odpowiedź na pytanie, czy ludzkość zanim stanie na krawędzi upadku, zdąży zachować swoje dziedzictwo w sposób taki, by ktoś kiedyś mógł z niego skorzystać.

Ponieważ informacji przybywa z każdym rokiem, za największe wyzwanie dla całej koncepcji super trwałego i pojemnego nośnika danych jest wydajność zapisu i odczytu danych.

Szybki jak prosty dysk zewnętrzny, ale nie każdego to usatysfakcjonuje

Obecnie zapis pojedynczego strumienia danych za pomocą wspomnianej technologii odbywa się z prędkością jedynie 230 kB/s. Nawet biorąc pod uwagę fakt, że nie potrzebujemy od razu dostępu do całej pojemności, to bardzo mało. Na szczęście, zapis ma odbywać się z wykorzystaniem wielu równoległych strumieni, co przyspieszy zapis znacząco. Nagranie 500 TB zajmie około 60 dni. Brzmi to wciąż przerażająco powoli, ale zapis odbywałby się wtedy z prędkością około 100 MB/s, czyli porównywalną z przeciętnym dziś dyskiem USB. Zakładamy tu, że odczyt odbywa się z podobną prędkością, gdyż uczelnia nie chwali się tym parametrem.

Bardzo piękną jest wizja przechowania wszystkich danych na jednej niewielkiej szklanej płytce. Ucieszyłoby to takie instytucje jak biblioteki czy uczelnie, którym zależy albo na digitalizacji wciąż ogromnych zasobów analogowych danych, albo przechowywaniu tego co tworzą one już obecnie w sposób cyfrowy. Dla tych instytucji nawet prędkość zapis/odczyt rzędu 100 MB/s byłaby satysfakcjonująca, gdy ważniejsza jest gwarancja przechowania na niewielkiej przestrzeni przy niewielkich nakładach, niż szybkość dostępu do danych.

Jest jednak i druga strona medalu. Szybki dostęp do ogromnych zasobów danych, na przykład w celu ich analizy. W takim przypadku czas oczekiwania na dostęp i odczyt nie może stanowić znaczącego procentu czasu jaki zabiera procedura.

Dlatego zespół z Uniwersytetu w Southampton nie poprzestaje na pracach nad zwiększaniem prędkości zapisu. A także wyjściem z produktem z fazy prototypu. Bo od tego co sprawdza się w laboratorium, do komercjalizacji produktu, droga bywa daleka.

Racjonalne i nieracjonalne konsekwencje istnienia super pojemnych nośników danych

Im pojemniejsze nośniki danych tym bardziej odczuwalne są obawy związane z ewentualnym ich uszkodzeniem w trakcie użytkowania lub transportu, a także niezamierzoną utratą. Zgubić bowiem kilkaset płyt czy kilka dysków z danymi, a nawet ich całą szafę, wydaje się trudniejszym niż utracić jedną płytkę. Gdy zdjęcia przechowujemy na 100 płytach mniej martwimy się o utratę jednej z nich, nawet jeśli jej zawartość była cenna, niż gdyby stracić wszystkie na raz.

Dlatego też dziś smartfony czy laptopy, w których mieści się często całe nasze cyfrowe życie, należy traktować z podobną ostrożnością jak niegdyś przenoszoną w kieszeni torby dyskietkę, która nie miała kopii zapasowej.

Można zatem założyć, że im więcej danych będziemy mieścić w jednostce objętości nośnika i im większy odsetek wszystkich naszych danych będą one stanowić, tym więcej kopii zapasowych, a raczej po prostu kopii, się przyda.

W przypadku instytucji przechowujących dane, korzyści z takiego obrotu spraw są nieocenione. Po rozpowszechnieniu super pojemnych nośników danych, na przykład każda z uczelni, mogłaby przechowywać nie tylko część niezmiennych już zasobów danych, ale wszystko, czyli zasoby także innych instytucji, u siebie na miejscu. I to przy mniejszym niż dotychczas zapotrzebowaniu na przestrzeń. Które i tak jest dziś znacznie mniejsze niż w czasach analogowych. Wtedy tez postępowano podobnie. W zasadzie każdy instytut naukowy miał własny zestaw czasopism naukowych, ten sam co inne. A to wymagało budowy dużych przestrzeni bibliotecznych.

Takie podejście do dostępu do danych, czyli kopia danych nie jest tworzona wyłącznie w celu zabezpieczenia, zdaje się mieć szczególnie pozytywne konsekwencje w przypadku rozpowszechnienia podróży kosmicznych. I w tych sytuacjach, gdy odległość pomiędzy centrami danych staje się istotnym problemem, którego nawet szybka komunikacja sieciowa nie jest w stanie wyeliminować.

To zresztą ma miejsce już dziś. Serwerownie na różnych kontynentach powielają przechowywane przez siebie zasoby, po to by umożliwić szybszy dostęp do danych przez użytkowników z wielu miejsc na Ziemi.

Źródło: inf. własna, SciTechDaily