Microsoft представила технологию хранения данных в стекле со сроком службы более 10 000 лет

Решение проблемы долговременного хранения данных

Разработка направлена на решение одной из ключевых проблем цифрового архивирования. Современные носители, включая магнитные ленты и жесткие диски, со временем изнашиваются и требуют замены, что делает их менее подходящими для долговременного хранения информации.

По мнению исследователей, надежные архивные системы становятся все более востребованными государственными организациями, научными учреждениями, коммерческими компаниями и культурными институтами, которым необходимо сохранять цифровые данные на протяжении многих поколений.

Запись информации с помощью фемтосекундного лазера

В основе технологии лежит использование фемтосекундных лазерных импульсов продолжительностью 10⁻¹⁵ секунды.

Несмотря на чрезвычайно малую длительность, такие импульсы обладают достаточной энергией, чтобы создавать внутри прозрачного стекла микроскопические необратимые изменения, не повреждая окружающий материал.

При обычных условиях лазерный луч проходит через стекло без взаимодействия с ним. Однако при фокусировке в небольшой области возникает мощное электрическое поле, изменяющее молекулярную структуру материала.

Получающиеся микроскопические метки называются вокселями — трехмерным аналогом пикселей. Благодаря этому данные записываются не только на поверхности, а во всем объеме стекла, распределяясь по 301 слою.

Технология получила практическую реализацию

Идея хранения информации в стекле не является новой. Еще в 1990-х годах Эрик Мазур и его коллеги из Гарвардского университета продемонстрировали возможность записи данных в обычное стекло при помощи фемтосекундных лазеров.

Позднее, в 2014 году, группа Питера Казанского из Университета Саутгемптона представила технологию долговременного хранения данных в кварцевом стекле с практически неограниченным сроком службы.

По словам разработчиков, Silica не основывается на новом физическом принципе. Главное отличие проекта заключается в том, что Microsoft впервые объединила все этапы архивного хранения в единую систему, включающую:

• кодирование данных;
• запись информации;
• считывание;
• декодирование;
• коррекцию ошибок.

Кроме того, были протестированы скорость записи, плотность хранения, энергопотребление, надежность и долговечность системы.

Обычное стекло вместо дорогостоящего кварца

Одним из важнейших достижений разработчики называют переход от кварцевого стекла к обычному боросиликатному стеклу.

Этот материал широко используется при производстве лабораторной посуды, кухонной утвари и дверец духовых шкафов благодаря высокой термостойкости.

По мнению исследователей, применение боросиликатного стекла устраняет два ключевых препятствия для коммерческого внедрения технологии — снижает стоимость носителя и упрощает его производство.

До 4,8 ТБ данных на одной стеклянной пластине

Система позволяет записывать информацию на стеклянную пластину размером 120 × 120 × 2 мм.

Максимальная емкость одного такого носителя составляет 4,8 ТБ.

Исследователи также переработали оборудование для считывания данных. Вместо трех-четырех камер теперь используется одна камера, что уменьшает стоимость и размеры устройства.

Конструкция системы записи также была упрощена — она содержит меньше компонентов, благодаря чему ее проще производить, калибровать и обслуживать.

Два метода записи данных

В исследовании описаны два способа записи информации.

Первый метод формирует внутри стекла микроскопические продолговатые пустоты, возникающие в результате лазерных микроразрывов материала. Такой подход обеспечивает плотность хранения 1,59 Гбит на кубический миллиметр, позволяя размещать большой объем информации в минимальном пространстве.

Второй метод изменяет локальный показатель преломления стекла без формирования пустот. Изменения в оптических свойствах материала позволяют создавать структуры, которые затем считываются с помощью оптической системы.

Хотя этот способ обеспечивает меньшую плотность хранения, он отличается более высокой скоростью записи и меньшим энергопотреблением.

По данным Microsoft Research, скорость записи достигает 65,9 Мбит/с при использовании этого метода. Разработчики считают, что показатель можно увеличить за счет применения нескольких лазерных лучей одновременно.

В текущей реализации общая скорость записи составляет 25,6 Мбит/с на один лазерный луч, причем основным ограничением остается частота генерации лазерных импульсов.

Испытания подтвердили срок хранения более 10 тысяч лет

Для оценки долговечности носителя исследователи провели серию испытаний с ускоренным старением.

В ходе экспериментов стекло подвергалось воздействию повышенных температур, что позволило спрогнозировать его поведение при нормальных условиях эксплуатации.

Кроме того, была разработана новая методика оценки старения именно боросиликатного стекла.

Результаты показали, что данные, записанные обоими методами, могут сохраняться более 10 000 лет.

По мнению авторов исследования, технология демонстрирует возможность создания практичной системы долговременного цифрового архивирования, сочетающей использование доступных материалов с полноценной платформой для записи, хранения и последующего восстановления информации.