Dyski DNA, szklane dyski i kryształy 5D: wyścig o wieczne przechowywanie danych

by Marcin Frąckiewicz
in Innowacje, Przechowywanie danych, Technológia
on 7 sierpnia 2025

DNA Drives, Glass Discs & 5D Crystals: The Race to Store Data Forever

NVIDIA Drive Thor vs Tesla FSD HW 4 vs Snapdragon Ride Flex

Nasz świat generuje dane w zawrotnym tempie – znacznie szybciej, niż dzisiejsze dyski twarde, dyski SSD i taśmy magnetyczne są w stanie ekonomicznie nadążyć datacenterdynamics.com fraunhofer.de. Nawet gdybyśmy mogli zbudować wystarczająco dużo takich urządzeń, one szybko się zużywają (dyski twarde wytrzymują ok. 5 lat, taśmy 15–30 lat w idealnych warunkach) datacenterdynamics.com, co wymusza kosztowne migracje danych, by uniknąć ich utraty. To wywołało wyścig w poszukiwaniu radykalnie nowych technologii przechowywania danych, które mogą upakować więcej danych na mniejszej przestrzeni i zachować je przez wieki lub dłużej. Trzy z najbardziej obiecujących rozwiązań to:

Syntetyczne przechowywanie danych w DNA – kodowanie bitów cyfrowych w kodzie A/C/G/T sztucznych cząsteczek DNA.
Project Silica Microsoftu – wykorzystanie ultraszybkich laserów do kodowania danych w szklanych płytach z kwarcu.
5D nanostrukturalne szkło („kryształ pamięci Supermana”) – przechowywanie informacji w mikroskopijnych nanogratowaniach wewnątrz szkła, z pięcioma wymiarami kodowania danych.

Każde z tych futurystycznych nośników oferuje ultra-wysoką gęstość, ekstremalną trwałość i żywotność liczona w tysiącach lat, ale różnią się sposobem działania i stopniem zaawansowania na drodze do praktycznego zastosowania. Poniżej porównujemy te technologie pod względem sposobu działania, pojemności, trwałości, odporności na warunki środowiskowe, efektywności energetycznej, szybkości, obecnego postępu (w tym przełomów z lat 2024–2025) oraz rzeczywistych zastosowań – z komentarzami ekspertów stojących na czele tych prac.

Syntetyczne przechowywanie danych w DNA

Syntetyczne przechowywanie danych w DNA polega dosłownie na przechowywaniu plików cyfrowych w cząsteczkach DNA – tym samym typie DNA, który przenosi informacje genetyczne, ale wytwarzanym w laboratorium. Brzmi jak science fiction, ale zespoły badawcze i startupy poczyniły szybkie postępy w urzeczywistnianiu „dysków pamięci” z DNA.

Jak działa przechowywanie danych w DNA

Kodowanie danych: Dane cyfrowe (binarne 0 i 1) są tłumaczone na sekwencje czterech zasad DNA (A, C, G, T). Na przykład, prosty schemat mapuje 00→A, 01→C, 10→G, 11→T blocksandfiles.com. W ten sposób powstaje zbiór syntetycznych nici DNA reprezentujących plik. Na wysokim poziomie zamieniamy bity na zasady microsoft.com, tworząc cyfrową sekwencję DNA.

Zapis (synteza): Specjalistyczne maszyny następnie chemicznie syntetyzują te nici DNA, zasadniczo „drukując” sekwencję na cząsteczkach microsoft.com. Wczesne pisanie DNA jest powolne i odbywa się w małych probówkach, ale nowe podejścia wykorzystują mikroczipy z masowo równoległymi reakcjami, aby zwiększyć wydajność fraunhofer.de fraunhofer.de. Na przykład, niedawny projekt wykorzystuje krzemowy chip z tysiącami maleńkich komór reakcyjnych i wbudowanymi kontrolerami do produkcji DNA z dużą prędkością, dramatycznie miniaturyzując to, co kiedyś zajmowało całe pomieszczenia z syntezatorami fraunhofer.de.

Przechowywanie: Po zapisaniu, cząsteczki DNA (każda mająca zaledwie kilkaset zasad długości) są przechowywane w formie obojętnej – często suszone i zamknięte w maleńkich pojemnikach (takich jak mikroskopijne kulki lub kapsułki), aby je chronić blocksandfiles.com. DNA jest nadzwyczaj stabilne gdy jest przechowywane w chłodzie, suchości i ciemności. W rzeczywistości, dowodem koncepcji w naturze jest starożytne DNA: naukowcy odzyskali czytelne DNA z 700 000-letniej kości konia zachowanej w wiecznej zmarzlinie, a nawet z milionletnich szczątków mamuta techxplore.com. Odpowiednio przechowywane syntetyczne DNA może podobnie przetrwać wiele stuleci lub dłużej bez degradacji.

Odczyt (sekwencjonowanie): Aby odzyskać dane, DNA jest sekwencjonowane – to ten sam proces, który wykorzystuje się w biologii do odczytywania kodu genetycznego. Nowoczesne maszyny do sekwencjonowania potrafią odczytywać miliony nici DNA równocześnie, generując sekwencje A/C/G/T, które następnie są dekodowane z powrotem do oryginalnych danych cyfrowych microsoft.com microsoft.com. Algorytmy korekcji błędów (wiele z nich zaadaptowanych z branży telekomunikacyjnej i pamięci masowych) radzą sobie z faktem, że procesy biologiczne nie są doskonałe, obsługując wszelkie brakujące lub zniekształcone fragmenty microsoft.com microsoft.com. Zasadniczo, przechowywanie w DNA obejmuje cykl zapisu (synteza) i cykl odczytu (sekwencjonowanie), a dane pozostają uśpione w formie molekularnej pomiędzy tymi cyklami.

Gęstość i pojemność przechowywania

Gęstość danych w DNA jest zdumiewająca. Teoretycznie DNA może pomieścić o rzędy wielkości więcej informacji na jednostkę objętości niż jakikolwiek układ krzemowy czy taśma magnetyczna. Naukowcy wykazali kodowania danych zbliżone do 215 petabajtów na gram DNA en.wikipedia.org – to około 215 milionów gigabajtów w kropli DNA wielkości kostki cukru. W praktyce, „10 pełnometrażowych filmów mogłoby zmieścić się w objętości wielkości ziarenka soli” dzięki DNA, według DNA Storage Alliance blocksandfiles.com. A jedna z analiz sugeruje, że 1 gram DNA mógłby pomieścić niemal 1 zettabajt danych (bilion gigabajtów) w optymalnych warunkach blocksandfiles.com.

Ta niezrównana gęstość oznacza, że archiwum całego centrum danych mogłoby teoretycznie zmieścić się na dłoni. „DNA jest niezwykle gęste – przechowuje znacznie, znacznie więcej informacji na jednostkę objętości i masy niż jakiekolwiek obecnie dostępne nośniki danych”, zauważa badaczka Microsoftu dr Karin Strauss, która prowadziła badania nad przechowywaniem danych w DNA microsoft.com. Przewyższa nawet zaawansowane nośniki optyczne: archiwum DNA mogłoby zredukować bibliotekę taśm wielkości pokoju do probówki. Gęstość to kluczowa cecha DNA i jeden z powodów, dla których tak wiele laboratoriów ją bada.

Trwałość i wytrzymałość

Dane zapisane w DNA mogą przetrwać tysiąclecia. Jako molekularny nośnik danych, DNA nie ma ruchomych części i nie wymaga zasilania, aby leżeć na półce. Jeśli jest przechowywane w stabilnych warunkach, nie ulegnie „bit rot” tak jak taśmy się rozmagnesowują czy płyty DVD blakną. W rzeczywistości, zachowane DNA w skamieniałościach przetrwało setki tysięcy lat w naturze techxplore.com. W przypadku przechowywania danych przez człowieka, firmy z pewnością deklarują co najmniej 1000 lat trwałości archiwów danych DNA prnewswire.com.

Odporność DNA wynika z jego samej natury: ewoluowało, by niezawodnie przechowywać informacje. Można je także kapsułkować dla dodatkowej ochrony. Naukowcy testowali przechowywanie DNA w trudnych warunkach – wysokiej wilgotności, wahaniach temperatury, a nawet promieniowaniu – i stwierdzili, że jest ono dość odporne microsoft.com. Jedno z badań Microsoftu wykazało nawet, że wysuszone nici DNA, zamknięte w szkle, przetrwały bombardowanie promieniowaniem neutronowym bez utraty danych microsoft.com, co podkreśla jego potencjał do przetrwania ekstremalnych warunków środowiskowych.

Jednak DNA jest cząsteczką organiczną, więc ma swoje słabości. Wysoka temperatura (powyżej ~150°C) lub agresywne chemikalia mogą je uszkodzić. Tak więc, podczas gdy kwarcowa płyta mogłaby przetrwać pożar w nienaruszonym stanie, próbki DNA spłonęłyby w ekstremalnych temperaturach. Dla rzeczywistej długowieczności, archiwa DNA byłyby przechowywane w klimatyzowanych skarbcach (lub przynajmniej w chłodnych, suchych i ciemnych warunkach). Na szczęście, utrzymanie DNA w chłodzie i suchości jest znacznie łatwiejsze niż np. uruchamianie dysków twardych co kilka lat. Przy odpowiedniej opiece, DNA może przetrwać dłużej niż jakikolwiek inny nośnik danych, jaki stworzyliśmy – potencjalnie dziesiątki tysięcy lat lub więcej, rzeczywiście przeżywając kolejne generacje technologii prnewswire.com.

Odporność na środowisko i zrównoważony rozwój

Przechowywanie danych w DNA uzyskuje wysokie oceny pod względem odporności na czynniki środowiskowe oraz przyjazności dla środowiska. Ponieważ „nośnik” to po prostu cząsteczki, jest odporny na zakłócenia elektromagnetyczne – nie ma obaw o magnesy, impulsy elektromagnetyczne czy promieniowanie kosmiczne zmieniające bity (promieniowanie kosmiczne nie zmienia znacząco nieaktywnego DNA southampton.ac.uk). Zamknięte DNA może wytrzymać wstrząsy i drgania, które zniszczyłyby dysk twardy. I w przeciwieństwie do dysków czy taśm, wahania temperatury i wilgotności nie są katastrofalne (choć dla ekstremalnej trwałości najlepsze są stabilne warunki). Zasadniczo, jeśli zapieczętujesz dane DNA w suchej kapsule, mogą być zakopane, zamrożone lub wysłane w kosmos i nadal możliwe do odczytania po odzyskaniu.

Co istotne, przechowywanie danych w DNA może być wyjątkowo energooszczędne w długim okresie. Po zapisaniu danych w DNA, nie jest potrzebna żadna energia do ich przechowywania – fiolkę można postawić na półce i przez dekady nie zużyje ona ani trochę energii. Nie ma potrzeby okresowego odświeżania lub migracji bitów, jak w przypadku nośników magnetycznych, które ulegają degradacji datacenterdynamics.com. „Przechowywanie danych w DNA umożliwi bardziej ekologiczne centra danych z trwałym przechowywaniem, które nie wymaga ciągłej migracji ani przepisywania, zmniejszonym zapotrzebowaniem na energię oraz zminimalizowanym wpływem na emisję dwutlenku węgla i elektrośmieci,” mówi Varun Mehta, CEO nowego startupu DNA storage Atlas prnewswire.com. To duża motywacja: obecnie centra danych pochłaniają około 3% globalnej energii elektrycznej techxplore.com, częściowo z powodu ciągłego chłodzenia urządzeń pamięci masowej i duplikowania danych dla bezpieczeństwa. Archiwa DNA mogłyby bezpiecznie leżeć w szafie, bez potrzeby zasilania czy klimatyzacji, znacznie zmniejszając ślad węglowy długoterminowego przechowywania danych techxplore.com.

Z drugiej strony, procesy zapisu i odczytu DNA są chemiczne i biochemiczne, co wiąże się z zużyciem materiałów i energii (odczynniki, enzymy itp.). Istnieje również kwestia odpadów: synteza DNA wykorzystuje chemikalia laboratoryjne, choć trwają prace nad uczynieniem tych procesów bardziej zrównoważonymi (np. enzymatyczna synteza DNA wykorzystuje reakcje wodne zamiast agresywnych chemikaliów). Jednak w porównaniu z produkcją układów krzemowych czy obsługą bibliotek taśmowych wymagających stałego zasilania, zużycie zasobów przez DNA na dużą skalę może być znacznie mniejsze. A sam nośnik – DNA – jest biodegradowalny i nietoksyczny, co eliminuje problem elektrośmieci. Wizja zakłada, że przyszłe archiwa danych mogą przypominać bardziej laboratoria biologiczne niż serwerownie, potencjalnie zmniejszając obciążenie środowiska związane z rozwojem naszych zasobów danych.

Wyzwania związane z szybkością zapisu/odczytu

Jeśli DNA ma niemal idealną gęstość i trwałość, gdzie tkwi haczyk? Jednym słowem: szybkość. Dzisiejszy odczyt/zapis danych DNA (I/O) jest wielokrotnie wolniejszy niż w przypadku konwencjonalnych nośników. Zapisanie nawet kilku megabajtów do DNA może zająć godziny lub dni przy obecnej technologii syntezy, a odczyt (sekwencjonowanie) jest podobnie czasochłonny. Na przykład, w demonstracji z 2022 roku wykazano, że zakodowanie zaledwie 2 MB danych w DNA i ich odczyt kosztowało tysiące dolarów i zajęło wiele godzin en.wikipedia.org. Inny niedawny raport zauważył, że odzyskanie ~100 MB z archiwum DNA mogło zająć kilka dni przy wcześniejszych metodach techxplore.com techxplore.com. Jasne jest, że DNA nie jest szybkie jak plug-and-play jak pendrive – to raczej jak wysłanie danych do powolnego molekularnego skryby i późniejsze przeprowadzenie testu laboratoryjnego, aby je odzyskać.

Naukowcy rozwiązują ten problem z szybkością poprzez równoległość i automatyzację. Microsoft i Uniwersytet Waszyngtoński zbudowali w 2019 roku prototyp urządzenia do przechowywania danych w DNA, które automatyzowało cały proces (od bitów do DNA i z powrotem) dla kilku bajtów, używając mikrofluidycznych chipów do przemieszczania cieczy – w zasadzie „robota” zapisującego dane w DNA microsoft.com microsoft.com. Nowe firmy, takie jak Catalog, zaprojektowały maszyny do kodowania danych przez mieszanie gotowych fragmentów DNA w różnych kombinacjach zamiast syntezowania każdego bitu od podstaw, co znacznie przyspiesza zapis. W jednym z prototypów Catalog pokazał maszynę (wielkości lodówki), która mogła kodować dane z prędkością rzędu kilobajtów na sekundę, co stanowi ogromny postęp, choć wciąż daleko do prędkości elektroniki.

Po stronie odczytu, wysokoprzepustowe sekwenatory mogą faktycznie odczytywać miliardy zasad w jednym przebiegu, więc teoretycznie można odzyskać gigabajty danych w ciągu kilku godzin. Wąskim gardłem jest często obróbka komputerowa – wyodrębnianie danych z masowych, równoległych odczytów. W 2025 roku zespół z Technion Israel zaprezentował dekoder oparty na AI („DNAformer”), który skrócił czas odzyskiwania danych z DNA o 3 200×, redukując to, co zajmowało dni, do 10 minut dla zestawu danych 100 MB techxplore.com techxplore.com. Osiągnięto to poprzez trenowanie modeli uczenia maszynowego do szybszego korygowania błędów sekwencjonowania i rekonstrukcji pliku. Takie postępy pokazują, że prędkość odczytu DNA może się znacznie poprawić, być może zbliżając się do czasu rzeczywistego dla niewielkich ilości danych.

Mimo to, DNA nigdy nie dorówna opóźnieniom DRAM czy SSD – pomyśl o minutach do godzin, aby uzyskać swoje dane, a nie o mikrosekundach. Dlatego DNA jest postrzegane głównie jako rozwiązanie do archiwizacji „zimnych” danych – danych, które przechowujesz i rzadko musisz pobierać. Jak żartowała Emily Leproust, CEO Twist Bioscience, pierwszym zastosowaniem przechowywania danych w DNA może być usługa „offline”: wysyłasz dane, oni zapisują je w DNA, a gdy ich potrzebujesz, są dostarczane trochę jak wywoływanie filmu. Rzeczywiście, Twist Bioscience (lider w syntezie DNA) planował usługę wczesnego dostępu do przechowywania danych w DNA do 2025 roku, skierowaną do klientów, którzy muszą archiwizować ogromne zbiory danych i mogą tolerować dłuższy czas odzyskiwania (według Leproust w wywiadzie z 2022 roku).

Podsumowując, prędkość jest główną przeszkodą, która obecnie utrzymuje przechowywanie danych w DNA w laboratoriach. Jednak dzięki trwającym pracom badawczo-rozwojowym proces ten przyspiesza z każdym rokiem. Oczekuje się, że w przypadku czysto archiwalnych scenariuszy (pomyśl: zapis jednorazowy, odczyt może po latach), gęstość i trwałość DNA w zamian za prędkość są akceptowalne. Często cytowany cytat: „Jeśli ludzkość kiedykolwiek stanie przed koniecznością opuszczenia Ziemi, wskaźnik megabajtów na gram [DNA] będzie miał znaczenie” – co oznacza, że sama gęstość może uzasadniać wolniejszy dostęp przy przenoszeniu planetarnych ilości danych datacenterdynamics.com. Na razie jednak przechowywanie danych w DNA nie dotyczy natychmiastowego dostępu – chodzi o zapisanie raz, odczyt może znacznie później.

Aktualne osiągnięcia (2024–2025)

Ostatnie dwa lata przyniosły duże postępy i inwestycje w przechowywanie danych w DNA, sygnalizując przejście od czystych badań do komercjalizacji:

Standardy i sojusze: W marcu 2024 roku DNA Data Storage Alliance (założony przez Microsoft, Illumina, Western Digital i Twist) opublikował pierwszą oficjalną specyfikację dla przechowywania danych w DNA, definiującą sposób kodowania podstawowych informacji systemu plików w DNA (specyfikacja „Sector 0/1”) snia.org. To pierwszy krok w kierunku interoperacyjności – zapewnienia, że różne technologie przechowywania danych w DNA mogą odczytywać dane innych. Sojusz nawiązał także współpracę ze Storage Networking Industry Association (SNIA) w celu opracowania standardów, „co sygnalizuje dojrzałość technologii przechowywania danych w DNA” i ma na celu budowę ekosystemu do końca tej dekady blocksandfiles.com.
Duże finansowanie i spółki wydzielone: W maju 2025 roku Twist Bioscience – kluczowy gracz w syntezie DNA – wydzielił swój dział przechowywania danych w DNA do nowej firmy, Atlas Data Storage, z pokaźnym kapitałem zalążkowym w wysokości 155 milionów dolarów prnewswire.com. Zadaniem Atlas jest komercjalizacja przechowywania danych w DNA dla centrów danych, łącząc technologię zapisu DNA opartą na półprzewodnikach Twist z nowymi technikami enzymatycznymi prnewswire.com. Kierownictwo firmy tworzą weterani branży przechowywania danych, a ich celem jest dostarczenie „ultra-wysokiej gęstości, bezpiecznego, trwałego przechowywania danych” za pomocą DNA, z myślą o największych dostawcach chmury i rządach prnewswire.com prnewswire.com. To wydzielenie i inwestycja pokazują, że branża wierzy, iż przechowywanie danych w DNA wkrótce przestanie być tylko ciekawostką laboratoryjną. „Teraz jest czas, aby wykorzystać rosnącą dynamikę i rozbudować ekosystem, by sprostać zapotrzebowaniu w tej dekadzie,” powiedział Steffen Hellmold, dyrektor ds. przechowywania danych w DNA w Twist blocksandfiles.com.
Prototypy i dema: Europejscy naukowcy w ramach finansowanego przez UE projektu BIOSYNTH zaprezentowali w 2025 roku prototyp syntezatora DNA opartego na mikrochipie, pokazany na konferencji SynBioBeta fraunhofer.de. Urządzenie to integruje elektronikę CMOS, mikrofluidykę i mikrogrzałki, aby drastycznie zwiększyć wydajność zapisu przy jednoczesnym obniżeniu kosztów i zużycia energii fraunhofer.de fraunhofer.de. Celem jest zastąpienie laboratoriów DNA wielkości pokoju przenośnym, energooszczędnym chipem, który potrafi zapisywać dane DNA, przybliżając komercyjne urządzenia do przechowywania DNA do rzeczywistości fraunhofer.de. Tymczasem firmy takie jak Catalog zademonstrowały zautomatyzowane maszyny do zapisu DNA (na jednym ze zdjęć prototyp wygląda jak duża drukarka blocksandfiles.com), a francuski startup Biomemory (wspierany przez Illumina) rozwija enzymatyczną syntezę DNA, by przyspieszyć zapis danych 100-krotnie. Amerykańska agencja badawcza IARPA (wywiad) prowadzi program (MIST) finansujący kilka projektów przechowywania DNA, dodatkowo napędzając rozwój tej technologii.
Testy zastosowań: Analitycy Gartnera przewidywali, że do 2024 roku 30% firm cyfrowych będzie testować przechowywanie danych w DNA na potrzeby archiwizacji. Choć dokładne liczby są trudne do potwierdzenia, zainteresowanie rzeczywiście rośnie. Na przykład Biblioteka Kongresu USA w latach 2023–24 badała możliwość wykorzystania DNA do długoterminowego przechowywania kluczowych dokumentów (ogłosili nabór na badania w tym zakresie). Firmy z branży mediów i rozrywki (posiadające ogromne archiwa wideo) również wykazują zainteresowanie – w 2022 roku w ramach projektu z Konkursem Piosenki Eurowizji zarchiwizowano niektóre teledyski w DNA jako dowód koncepcji. Wszystkie te działania sugerują, że przechowywanie danych w DNA przesuwa się z uczelni do przemysłu, a wstępna mapa drogowa zakłada uruchomienie pierwszych usług komercyjnych w drugiej połowie lat 2020.

Pomimo ekscytacji, pojawiają się także sceptycy. W szczególności Microsoft (niegdyś jeden z założycieli DNA Alliance) ostatnio ograniczył swoje działania w zakresie DNA. „Przestaliśmy – po prostu nie osiągają przewidywanego wzrostu o rzędy wielkości… Zwolennicy podkreślali ekstremalną gęstość, ale nie jest jasne, czy to ma znaczenie” – powiedział architekt pamięci masowej Microsoftu Richard Black w 2024 roku dla datacenterdynamics.com. Microsoft doszedł do wniosku, że zalety DNA mogą mieć znaczenie tylko w bardzo odległej przyszłości (np. podróże międzygwiezdne), a w najbliższym czasie inne technologie (np. pamięć masowa na szkle) mogą być bardziej praktyczne datacenterdynamics.com. Ta szczera opinia podkreśla, że przechowywanie danych w DNA wciąż napotyka poważne wyzwania badawczo-rozwojowe. Jednak wielu innych specjalistów z tej dziedziny nie zgadza się z pesymizmem Microsoftu – wskazując, że ilość danych stale rośnie i potrzeba gęstości DNA pojawi się prędzej czy później, zwłaszcza gdy koszty spadną. Jak zażartował jeden z badaczy, „kryzys przechowywania danych nie poczeka na supernową” – co oznacza, że będziemy potrzebować pojemności DNA na Ziemi na długo przed budową archiwów na statkach kosmicznych.

Potencjalne zastosowania i perspektywy

Biorąc pod uwagę swoje cechy, przechowywanie danych w DNA jest przeznaczone do bardzo długoterminowego archiwizowania. Niektóre przewidywane zastosowania w ciągu najbliższej dekady obejmują:

Zimne archiwa dla chmury i przedsiębiorstw: Duzi dostawcy chmury lub instytucje mogliby używać DNA do przechowywania „zimnych” danych – kopii zapasowych, dokumentacji zgodności, archiwów wideo – do których rzadko się sięga, ale które muszą być przechowywane potencjalnie na zawsze. Na przykład szpital mógłby archiwizować skany i dokumentację pacjentów w DNA, mając pewność, że będą bezpieczne przez ponad 100 lat; firmy medialne mogłyby zachować oryginalne filmy lub nagrania telewizyjne bez obaw o cyfrową degradację. Badania Microsoftu wykazały, że DNA doskonale nadaje się do archiwalnych danych, które są zapisywane raz i odczytywane sporadycznie microsoft.com.
Archiwa narodowe i repozytoria kulturowe: Archiwa państwowe, biblioteki i muzea są zainteresowane DNA do zachowania danych historycznych i kulturowych. Wyobraź sobie narodowe biblioteki kodujące wszystkie swoje cyfrowe książki lub UNESCO przechowujące dokumenty dziedzictwa światowego w kapsułach DNA zakopanych w skarbcu czasu. Mały fizyczny rozmiar DNA oznacza, że nawet petabajty narodowych archiwów można przechowywać poza siedzibą (a nawet poza planetą) jako kopie zapasowe.
Dane naukowe i medyczne: Projekty generujące ogromne zbiory danych (genomika, astronomia, fizyka cząstek) mają trudności z długoterminowym przechowywaniem wszystkich danych. Przechowywanie w DNA mogłoby umożliwić archiwizowanie wszystkiego, zamiast odrzucania danych. Istnieje poetycka zgodność, by laboratoria genomiki przechowywały dane genomowe w samym DNA. W rzeczywistości w 2021 roku projekt artystyczno-naukowy zarchiwizował *pełny tekst Wikipedii oraz dane badawcze dotyczące COVID-19 w nici DNA, a następnie fizycznie zintegrował je z syntetycznymi skamieniałościami do odkrycia w przyszłości.
Kopie zapasowe odporne na katastrofy: Trwałość DNA sprawia, że jest ono atrakcyjne do tworzenia kopii zapasowych odpornych na zagładę. Istnieją koncepcje przechowywania archiwów DNA w głębokich rdzeniach lodowych, jaskiniach, a nawet wysyłania ich w kosmos. Na przykład jeden startup bada możliwość przechowywania danych w DNA, zamkniętych w maleńkich szklanych kulkach i rozsypywania ich w stratosferze – „aerozolowa biblioteka”, która mogłaby przetrwać globalną katastrofę. Choć brzmi to fantastycznie, podkreśla atrakcyjność DNA jako prawdziwie długoterminowej pamięci cywilizacji.

Przyszłe perspektywy dla przechowywania w DNA zależą od rozwiązania problemów kosztów i szybkości. Koszt za megabajt jest wciąż bardzo wysoki (choć gwałtownie spada z każdym rokiem wraz z rozwojem technologii syntezy DNA). Eksperci są optymistyczni, że w ciągu 5–10 lat koszty spadną na tyle, że przechowywanie w DNA stanie się opłacalne ekonomicznie dla specjalistycznego archiwizowania (być może na poziomie 100 dolarów za terabajt przechowywanych danych, co konkurowałoby z bibliotekami taśmowymi, biorąc pod uwagę, że DNA nie wymaga konserwacji). Jeśli te trendy się utrzymają, w latach 30. XXI wieku możemy zobaczyć skarbce danych DNA jako część głównych centrów danych.

Jak mówi dr George Kadifa z Atlas Data Storage, „Jestem przekonany, że technologia przechowywania danych tworzona przez Atlas umożliwi przechowywanie miliardów i miliardów terabajtów przy niskich kosztach, zużyciu energii i odpadach”, co będzie miało „ogromny długoterminowy wpływ gospodarczy i na bezpieczeństwo narodowe” prnewswire.com. Innymi słowy, jeśli przechowywanie w DNA osiągnie swój potencjał, może to zasadniczo zmienić nasze myślenie o zachowywaniu informacji – być może wreszcie będziemy mieć medium, w którym nic nigdy nie będzie musiało być usuwane z powodu braku miejsca lub degradacji. To właśnie ta rewolucyjna obietnica napędza badania nad syntetycznym przechowywaniem danych w DNA.

Microsoft Project Silica (Przechowywanie w szkle kwarcowym)

Podczas gdy przechowywanie w DNA czerpie inspirację z biologii, Project Silica opiera się na jednym z najstarszych materiałów ludzkości: szkle. Microsoft Project Silica rozwija system przechowywania danych wewnątrz wytrzymałych płyt ze szkła kwarcowego za pomocą ultrakrótkich impulsów laserowych. Wizją jest tworzenie „rycin w szkle”, które mogą pomieścić ogromne ilości danych, być odczytywane optycznie i pozostawać stabilne przez wiele tysięcy lat. Microsoft określa to jako pierwszą technologię archiwizacji „zbudowaną od podstaw dla chmury” – zasadniczo jako zamiennik taśm magnetycznych w centrach danych chmurowych, z ogromnymi korzyściami w zakresie trwałości microsoft.com.

Jak to działa: lasery zapisujące w szkle

Project Silica wykorzystuje lasery femtosekundowe (lasery emitujące niezwykle krótkie impulsy, rzędu 10^-15 sekundy) do wypalania mikroskopijnych wzorów wewnątrz cienkiej płytki szkła kwarcowego. Gdy te skupione impulsy lasera trafiają w szkło, tworzą maleńkie „woksele” (piksele 3D) – zasadniczo nanometryczne punkty uszkodzeń lub siatki dyfrakcyjne w strukturze szkła. Zmieniając natężenie lasera, polaryzację oraz położenie na osiach X, Y i Z szkła, każdy woksel może zakodować wiele bitów informacji. Często określa się to jako pamięć „5D”, ponieważ istnieje 5 stopni swobody kodowania danych: trzy współrzędne przestrzenne (szerokość, wysokość, głębokość w szkle) oraz dwie właściwości optyczne (orientacja i rozmiar powstałych nanostruktur) southampton.ac.uk 5dmemorycrystal.com. Mówiąc prościej, wytrawiają dane cyfrowe w wielu warstwach przez całą grubość szkła, a subtelne różnice w sposobie utworzenia każdego mikroskopijnego punktu niosą dodatkowe bity informacji.

Każdy kawałek szkła krzemionkowego przypomina mały przezroczysty dysk lub kartę (obecne prototypy mają około 7,5 cm szerokości i 2 mm grubości, czyli wielkości podstawki pod kubek). Dane są zapisywane warstwa po warstwie: laser zaczyna blisko spodu szkła i tworzy wzór wokseli, następnie przesuwa się o mikrometr w górę i zapisuje kolejną warstwę, i tak dalej – „jak wylewanie warstw cementu” aż do wierzchu datacenterdynamics.com datacenterdynamics.com. Pojedynczy kawałek może zawierać setki warstw wokseli. Wczesne wersje przechowywały dane w dwóch warstwach, ale nowsze znacznie zwiększyły tę liczbę (Microsoft nie ujawnia dokładnej liczby w obecnych prototypach, ponieważ jest to część ich najnowszych osiągnięć datacenterdynamics.com).

Odczytywanie danych odbywa się poprzez przepuszczanie światła (np. za pomocą mikroskopu polaryzacyjnego) przez szkło i obserwowanie wzorów. Nanostruktury utworzone przez laser zmieniają sposób przechodzenia światła (poprzez dwójłomność – zmieniają polaryzację światła) 5dmemorycrystal.com 5dmemorycrystal.com. Czujnik kamery rejestruje obraz dyfrakcji lub polaryzacji, a algorytmy uczenia maszynowego dekodują wzory z powrotem na bity geekwire.com. Zasadniczo szkło, choć przezroczyste, ma miliony drobnych „blizn”, które sprytny system optyczny może zinterpretować jako cyfrowe jedynki i zera (a nawet więcej, ponieważ orientacja pozwala na symbole wielobitowe). Microsoft opracował oprogramowanie, które wykorzystuje AI do dekodowania obrazów wokseli szybko i dokładnie geekwire.com.

Ważny aspekt: te inskrypcje laserowe są trwałe i niezmienne. Szkło pozostaje przezroczyste (nie widać danych gołym okiem), ale fizyczne zmiany wewnątrz są utrwalone, dopóki szkło nie zostanie stopione lub rozbite. Richard Black, lider badań w projekcie Silica, wyjaśnia, że ultrakrótkie impulsy laserowe powodują „trwałą, wykrywalną, a jednocześnie przezroczystą modyfikację szkła”, więc dane są „tak trwałe, jak samo szkło” geekwire.com. Innymi słowy, raz zapisane dane będą żyć i umrą razem ze szkłem – nie wyblakną ani nie wyciekną.

Gęstość i pojemność pamięci

Gęstość zapisu Project Silica jest wysoka, choć nie aż tak astronomicznie wysoka jak w przypadku DNA. Wczesna publiczna demonstracja Microsoftu w 2019 roku przechowywała 75,6 GB (gigabajtów) danych na pojedynczym szklanym nośniku – słynnie zarchiwizowali film Superman z 1978 roku na szkle wielkości podstawki pod napój. Był to dowód koncepcji. Do lat 2023–2024 ich prototypy znacznie się poprawiły: Microsoft potwierdził, że nowsze szklane nośniki Silica mogą pomieścić wiele terabajtów każdy geekwire.com. Black zauważył, że dostarczyli jeden egzemplarz testowy mieszczący 100 GB, a później wersje mieszczące 4 TB i 7 TB na pojedynczym kawałku kwarcu datacenterdynamics.com. Sugeruje to znaczny wzrost liczby warstw i efektywności bitów na woksel. Pod względem gęstości, Silica jest teraz „konkurencyjna z Linear Tape-Open (LTO) pod względem gęstości”, według Microsoftu datacenterdynamics.com. Taśma LTO-9 mieści około 18 TB na kartridż, co jest porównywalne z kilkoma szklanymi nośnikami Silica.Kluczowe jest to, że Microsoft zdał sobie sprawę, że po pewnym momencie nie muszą już dalej zwiększać gęstości. „Mocno zwiększaliśmy gęstość. W końcu dział Azure [chmura] poprosił nas, żebyśmy przestali… 'przestańcie zwiększać gęstość, skupcie się na innych aspektach’,” wspomina Black datacenterdynamics.com datacenterdynamics.com. W centrum danych ultrawysoka gęstość jest mniej istotna niż koszt i niezawodność – zawsze można dodać więcej szklanych talerzy, jeśli zajdzie taka potrzeba, bo magazyny są duże. Tak więc, choć teoretycznie gęstość Silica mogłaby być jeszcze większa (badania Uniwersytetu w Southampton sugerują, że na szklanej płycie wielkości DVD można by zmieścić nawet 360 TB przy bardzo drobnych wokselach datacenterdynamics.com southampton.ac.uk), Microsoft optymalizuje pod kątem równowagi między gęstością a szybkością zapisu. W praktyce odkryli, że kodowanie 2–3 bitów na woksel jest optymalne, zamiast dążyć do 7+ bitów na woksel, co drastycznie spowalniało zapis datacenterdynamics.com datacenterdynamics.com. „Około dwóch do trzech bitów to optymalny poziom… potrzeba tylko niewielkiej ilości energii, by utworzyć każdy z nich, a całą pozostałą energię można wykorzystać do zapisu setek wokseli jednocześnie,” wyjaśnia Black datacenterdynamics.com. Dzięki zapisywaniu wielu wokseli naraz (podziałowi lasera na równoległe wiązki) i utrzymaniu umiarkowanej ilości danych na woksel, osiągnęli lepszą przepustowość.Dla kontekstu z prawdziwego świata: talerz Silica o pojemności kilku terabajtów jest równoważny dyskowi twardemu lub taśmie LTO pod względem pojemności, ale ma rozmiar podstawki pod kubek, którą łatwo mogą obsługiwać roboty. Do zastosowań archiwalnych to w zupełności wystarcza – zwłaszcza że można mieć optyczną bibliotekę tysięcy takich szklanych nośników. Microsoft wyobraża sobie regały z talerzami Silica przechowywanymi w systemach bibliotecznych z ramionami robotycznymi („roboty-kraby na szynach”, jak to określono), które pobierają odpowiedni nośnik i podają go czytnikom optycznym datacenterdynamics.com datacenterdynamics.com. Koncepcja jest podobna do bibliotek taśmowych, ale z dużo trwalszym nośnikiem.

Podsumowując, pojemność jednostkowa Project Silica prawdopodobnie osiągnie wieloterabajtową skalę już w pierwszych wersjach, z możliwością dalszego wzrostu w razie potrzeby. Może nie dorówna DNA pod względem bitów na gram, ale nie musi – już teraz jest wystarczająco gęsta, by zastąpić taśmy i dyski optyczne w archiwach. A ponieważ nośniki są trwałe, można je także łatwo fizycznie transportować lub przechowywać poza siedzibą na potrzeby odzyskiwania danych po awarii (tak jak robi się to z taśmami).

Trwałość i odporność na czynniki środowiskowe

Jedna z największych zalet Silica: może przetrwać praktycznie wiecznie według ludzkich standardów. Szkło to niezwykle stabilny materiał – nie koroduje ani nie degraduje w normalnych warunkach. Microsoft testował próbki szkła Silica w ekstremalnych warunkach, by zapewnić trwałość danych. Informują, że Silica może „bez problemu przetrwać pieczenie w piekarniku, podgrzewanie w mikrofalówce, zalanie, szorowanie, rozmagnesowanie czy kontakt z wilgocią”, wszystko to bez utraty danych datacenterdynamics.com. Wytrzymuje także upadki czy uderzenia w znacznym stopniu – choć to szkło i może pęknąć pod ekstremalną siłą, to dane są zapisane wewnątrz materiału, więc drobne rysy powierzchniowe nie mają znaczenia. W testach Uniwersytetu w Southampton na podobnym 5D nanoglassie, dyski wytrzymały temperatury rzędu 1 000 °C, ciśnienia do 10 ton na centymetr kwadratowy, a nawet ekspozycję na promieniowanie kosmiczne bez utraty danych southampton.ac.uk. Krótko mówiąc, żaden praktyczny czynnik środowiskowy (ciepło, zimno, woda, pola magnetyczne, promieniowanie) nie usunie ani nie uszkodzi danych. Jedynym realnym zagrożeniem jest rozbicie szkła lub jego stopienie.

Długowieczność jest mierzona w tysiącleciach. Microsoft często podaje, że nośniki Silica mogą przechowywać dane przez ponad 10 000 lat datacenterdynamics.com datacenterdynamics.com. Naukowcy z Southampton idą jeszcze dalej: teoretycznie nanostrukturalne szkło mogłoby przetrwać miliardy lat bez degradacji materiału w temperaturze pokojowej southampton.ac.uk 5dmemorycrystal.com. W praktyce nikt nie czeka, by to sprawdzić, ale pewność wynika z obojętności chemicznej szkła – w przeciwieństwie do plastiku czy materiałów magnetycznych, szkło nie ulega łatwo rozkładowi chemicznemu. Dlatego muzea mają szklane artefakty ze starożytnego Egiptu, które przetrwały ponad 3000 lat. Więc jeśli zapiszesz zdjęcia rodzinne lub, powiedzmy, kopię Wikipedii na płytce Silica i przechowasz ją w bezpiecznym miejscu, może być nadal czytelna w roku 12025 i znacznie dłużej datacenterdynamics.com.

Ta ekstremalna trwałość jest powodem, dla którego Microsoft porównuje Silica do „złotej płyty” dla chmury. Tak jak Złota Płyta sondy Voyager miała zachować dźwięki Ziemi na eony w kosmosie, tak Project Silica ma na celu zachowanie danych cyfrowych dla przyszłych pokoleń. W 2024 roku współpracowali nawet z projektem studenckim, aby stworzyć „Złotą Płytę 2.0” na szkle – kodując obrazy, muzykę i literaturę o ludzkości na płytkach Silica, wraz z wygrawerowanym kluczem instrukcji dla obcych lub ludzi z odległej przyszłości, jak to odczytać geekwire.com geekwire.com. Każda płytka może pomieścić kilka terabajtów i pozostać czytelna przez wiele tysiącleci, jak zauważył projekt geekwire.com. Dla Złotych Płyt Microsoft wygrawerował także wizualną instrukcję obsługi na samym szkle (za pomocą symboli), wyjaśniającą zasady DNA, koncepcję mikroskopu itp., aby pomóc nieznanym znalazcom ją odszyfrować southampton.ac.uk. To pokazuje poziom zaufania do długowieczności Silica – planowanie na tysiące lub miliony lat do przodu.

Dodatkowo, w przeciwieństwie do większości obecnych nośników, Silica nie wymaga specjalnej kontroli klimatu. Dyski twarde i taśmy wymagają kontrolowanej temperatury/wilgotności, aby spełnić swoje specyfikacje dotyczące żywotności (taśmy, na przykład, są oceniane tylko wtedy, gdy są przechowywane w chłodnych, niskowilgotnych archiwach). Silica jednak nie potrzebuje stałego chłodnego środowiska – nie rdzewieje ani nie pleśnieje. A ponieważ nie jest podatna na wahania wilgotności, nie potrzebujesz energochłonnej klimatyzacji ani osuszaczy powietrza, aby ją chronić datacenterdynamics.com. „Gdy dane zostaną zapisane, [ich] koszt to w zasadzie tylko powierzchnia magazynowa,” mówi Black. „Nie potrzebuje żadnej energochłonnej klimatyzacji… mówimy o prawdziwym zimnym archiwum.” datacenterdynamics.com. To ogromna praktyczna zaleta: centra danych mogłyby przechowywać archiwa Silica w zwykłych warunkach magazynowych – nawet w niezasilanych magazynach – bez ryzyka degradacji, co drastycznie obniża koszty operacyjne przechowywania.

Jeśli chodzi o odporność na katastrofy: archiwa Silica mogłyby przetrwać pożary, powodzie, impulsy elektromagnetyczne i inne. Na przykład, jeśli centrum danych spłonie, nośnik Silica w środku może zostać zwęglony, ale dane prawdopodobnie pozostaną (kwarc topi się w ~1700°C, więc typowe pożary go nie zniszczą). Podobnie, archiwum Silica mogłoby zostać zanurzone pod wodą lub pozostawione w kopalni soli na wieki i nadal pozostać nienaruszone. To czyni je atrakcyjnym dla archiwów dziedzictwa i kopii zapasowych (niektórzy sugerowali użycie Silica do przechowywania danych w Globalnym Banku Nasion Svalbard lub innych miejscach głębokiej konserwacji).

Efektywność energetyczna i koszty

Podobnie jak DNA, Silica to prawdziwy nośnik „zapisz i odłóż na półkę” – po zapisaniu nie pobiera energii do utrzymania. Nie wymaga obracania, odświeżania ani okresowego przepisywania. „Jak taśma, ale w przeciwieństwie do HDD i SSD, Silica to także prawdziwe zimne archiwum. Nie wymaga zasilania, by utrzymać ją w stanie spoczynku,” zauważa Black datacenterdynamics.com. Oznacza to ogromne oszczędności energii dla danych archiwalnych. Obecnie nawet „zimne” dane na dyskach twardych zużywają trochę energii (dyski wymagają okazjonalnego obracania i kontroli klimatu). Silica mogłaby to wyeliminować: dostawca chmury mógłby zapełnić regały szklanymi archiwami i dosłownie wyłączyć zasilanie tych regałów, dopóki nie będzie potrzebny odczyt. W skali lat to ogromna redukcja zużycia energii i także zmniejszenie kosztów utrzymania sprzętu.

Z perspektywy kosztów, surowiec – szkło – jest niezwykle tani. Pusta płytka krzemionkowa kosztuje praktycznie nic w porównaniu np. z kasetą taśmową LTO czy dyskiem twardym. Głównym kosztem w Silica jest proces zapisu: lasery femtosekundowe są obecnie drogie i wolne. Jednak Microsoft spodziewa się, że te koszty spadną wraz z dojrzewaniem technologii (tak jak nagrywarki DVD były drogie na początku). „Głównym kosztem pozostają lasery femtosekundowe… [ale] mamy nadzieję, że technologia pójdzie śladem laserów nanosekundowych i pikosekundowych, taniejąc wraz ze skalowaniem,” mówi Black datacenterdynamics.com. Nawet jeśli lasery pozostaną drogie, Microsoft ma plan: ponieważ oferują przechowywanie jako usługę w chmurze service, mogą zamortyzować koszt lasera, wykorzystując go na pełnych obrotach. Użytkownicy Azure nie będą płacić za każde użycie lasera; po prostu zapłacą za archiwalną przestrzeń jako poziom, a Microsoft zajmie się migracją danych na szkło w tle datacenterdynamics.com. Zasadniczo Microsoft może zapisywać dane na Silica w czasie poza szczytem, utrzymując laser w ciągłej pracy, maksymalizując wydajność i obniżając koszt za bajt.

Black sugeruje nawet, że w kontekście chmury klienci nawet nie wiedzieliby ani nie przejmowali się tym, że ich dane zostały przeniesione na szkło – Azure po prostu miałby „poziom archiwalny” i mógłby po cichu przenosić rzadko używane dane z dysku na Silica z czasem datacenterdynamics.com. Ponieważ Silica jest trwała praktycznie wiecznie, po zapisaniu nie ma już kosztów wymiany. W perspektywie dekad może to być znacznie tańsze niż wymiana taśm lub dysków HDD co kilka lat. „Oszczędności kosztów w długim terminie będą napędzać zmiany społeczne,” argumentuje Black, zauważając, że gdy koszt przechowywania zbliży się do zera, organizacje będą przechowywać dane dłużej, a przepisy mogą wymagać dłuższej retencji, ponieważ technologia już tego nie ogranicza datacenterdynamics.com datacenterdynamics.com.

Podsumowując, Silica obiecuje bardzo niskie koszty operacyjne (energia, chłodzenie, konserwacja) oraz trwałość, która odracza koszty wymiany w nieskończoność. Główną barierą ekonomiczną jest początkowy wydatek kapitałowy – sprzęt do zapisu – ale jest to przeszkoda, którą można pokonać na dużą skalę. Jeśli plan Microsoftu się powiedzie, magazynowanie na szkle może faktycznie przebić taśmy pod względem TCO (całkowity koszt posiadania) dla archiwów. Zespół już twierdzi, że Silica jest porównywalna z taśmą LTO pod względem kosztu za TB i gęstości datacenterdynamics.com, a ponieważ nigdy nie trzeba wymieniać dysku Silica, koszt w całym cyklu życia powinien być niższy. Na dowód swojej pewności Microsoft przechował wszystkie archiwa magazynu Datacenter Dynamics (wraz z artykułem opisującym samą Silicę) na dysku Silica jako trwały zapis datacenterdynamics.com – to trafna demonstracja, że nośnik jest gotowy do przenoszenia danych historycznych w przyszłość.

Wydajność (przepustowość i szybkość)

Prędkości odczytu/zapisu Project Silica są lepsze niż w przypadku DNA, ale wciąż nie tak szybkie jak w konwencjonalnych dyskach. Zapis danych w Silica polega na skanowaniu lasera przez szkło – to sekwencyjny optyczny zapis. Wczesne wersje były powolne (zapisanie kilkudziesięciu GB mogło zająć wiele godzin). Jednak Microsoft osiągnął kilka przełomów, które przyspieszyły ten proces:

Opracowali metodę, aby podzielić wiązkę lasera na wiele wiązek (np. 8 wiązek), dzięki czemu można zapisywać wiele wokseli równolegle datacenterdynamics.com. Można to porównać do zapisywania 8 bitów naraz zamiast jednego. Taka równoległość bezpośrednio zwiększa przepustowość.
Używają obracającego się wielokąta lustrzanego (jak w drukarkach laserowych lub skanerach kodów kreskowych w supermarketach), aby szybko przesuwać wiązkę lasera po szkle bez fizycznego przesuwania szkła datacenterdynamics.com. Pozwala to na szybki zapis linia po linii.
Optymalizując liczbę bitów na woksel i odstępy (jak wspomniano, ~2 bity na woksel, aby uniknąć zbyt wielu impulsów na woksel), utrzymują efektywną pracę lasera zamiast przeciążania jednego miejsca datacenterdynamics.com.

Chociaż dokładne dane są poufne, Black zasugerował, że zespół osiągnął „szereg przełomów w ostatnich latach” w zakresie gęstości i szybkości, które na razie pozostają tajemnicą datacenterdynamics.com. Wymowne jest, że Azure poprosiło ich o zaprzestanie zwiększania gęstości, co sugeruje, że nacisk przesunął się na poprawę przepustowości. Wiadomo, że zapis wciąż nie jest natychmiastowy: laboratorium Silica zajmuje duży stół z soczewkami i czujnikami, a zapisanie wieloterabajtowego szkła prawdopodobnie wciąż zajmuje co najmniej kilka godzin. Jednak Microsoft planuje udoskonalić to do mniejszej, gotowej do produkcji maszyny (być może wykorzystując doświadczenie zespołu optycznego HoloLens) datacenterdynamics.com.

Szybkość odczytu jest całkiem korzystna: ponieważ można odczytać całą warstwę szkła naraz za pomocą obrazowania, pobieranie danych może być bardzo szybkie – potencjalnie rzędu Mbps do Gbps po optymalizacji systemu, ponieważ polega to tylko na robieniu zdjęć każdej warstwy. Wąskim gardłem jest ustawienie szkła w odpowiedniej pozycji i ustawienie ostrości, co robot może zrobić stosunkowo szybko. Microsoft nie opublikował danych liczbowych, ale można sobie wyobrazić, że pobranie kilku terabajtów może zająć od kilku minut do kilku godzin, co dobrze konkuruje z taśmami (które zwykle przesyłają dane z prędkością 100+ MB/s, ale mają długi czas ładowania).

Jedno ograniczenie: dostęp losowy vs sekwencyjny. Silica, podobnie jak taśma, jest bardziej sekwencyjna – prawdopodobnie odczytuje się duże fragmenty lub całe płytki naraz, zamiast losowo wyszukiwać plik 1 MB. Jednak dzięki sprytnemu indeksowaniu (i ponieważ koszt odczytu to tylko czas, a nie zużycie), może być możliwe pobieranie pojedynczych plików poprzez odczyt tylko odpowiednich warstw lub sekcji.

Biorąc pod uwagę zastosowanie Microsoftu (archiwizacja w chmurze), są zadowoleni, jeśli Silica odczytuje/zapisuje hurtowo z opóźnieniem rzędu kilku sekund do minut. To rozwiązanie do kopii zapasowych, a nie do baz danych na żywo. Tak więc wydajność, choć niższa niż w przypadku dysków talerzowych, jest dostosowana do archiwizacji o wysokiej przepustowości.

Mówiąc prościej: Silica jest szybsza niż zapis DNA lub nagrywanie Blu-ray, ale wolniejsza niż zapis na SSD czy nawet HDD. Zajmuje nowe miejsce w hierarchii pamięci masowej – wolniejsza w zapisie i odczycie niż „gorąca” pamięć, ale nie nieznośnie wolna. A ponieważ nikt nie będzie używał Silica do aktywnych, często używanych danych, taki kompromis jest akceptowalny. Największą zaletą jest to, że po zapisaniu nie trzeba jej dotykać przez stulecia, więc prędkość jest głównie jednorazowym problemem.

Status rozwoju i najnowsze wiadomości (2024–2025)

Project Silica przeszedł z eksperymentu laboratoryjnego do niemal gotowego produktu w dziale chmury Microsoftu:

Plany integracji z Azure: Pod koniec 2024 roku Microsoft poinformował, że jest na „wczesnym etapie rozważań nad wdrożeniem” Silica w swoich centrach danych chmury Azure datacenterdynamics.com. Firma planuje zaoferować ją jako warstwę pamięci archiwalnej. Sugeruje to, że projekt jest już na tyle zaawansowany, że trwają prace nad strategiami wdrożenia (jak roboty będą obsługiwać płytki, jak dane będą przenoszone między standardową pamięcią Azure a Silica itd.). Nie podano dokładnej daty, ale może to oznaczać pilotażowe użycie w centrach danych już w latach 2025–2026.
Osiągnięcia prototypowe: Microsoft zaprezentował możliwości Silica w kilku znaczących prototypach:
- W 2021 roku pokazali szkło przechowujące całą grę Microsoft Flight Simulator 2020 (~2 petabajty danych o świecie w chmurze; oczywiście nie wszystko na jednym szkle, prawdopodobnie reprezentatywny fragment) datacenterdynamics.com datacenterdynamics.com. Black dosłownie trzymał kawałek kwarcu z zapisanym Flight Simulatorem jako dowód postępu.
- W 2024 roku nawiązali współpracę z UK’s National Archives, aby przetestować Silica do przechowywania dokumentów historycznych (Microsoft zapisał na Silica część zarchiwizowanych dokumentów jako demonstrację dla Archiwów). Choć nie było to szeroko nagłaśniane, tagi w artykule DCD sugerują zainteresowanie National Archives datacenterdynamics.com. To zgodne z ideą, że archiwa poszukują nośników o ultradługiej trwałości.
- Projekt Golden Record 2.0 w 2024 roku (wspomniany wcześniej) – Microsoft zakodował wybrane przez studentów treści o ludzkości na płytkach Silica, symulując kapsułę czasu dla odległej przyszłości geekwire.com geekwire.com. Współpracowali nawet z twórcami oryginalnego Golden Record, jak Jon Lomberg, co potwierdza atrakcyjność Silica dla zachowania dziedzictwa kulturowego.
Partnerstwa: Pierwszym dużym partnerem Microsoftu był Warner Bros., który współpracował przy proof of concept filmu Superman w szkle w 2019 roku. Warner był zainteresowany, ponieważ studia mają ogromne archiwa filmowe do zachowania. To partnerstwo prawdopodobnie trwa nadal, mając na celu ostateczne zarchiwizowanie zawartości archiwum Warnera na Silica. Dodatkowo, Microsoft współpracuje z naukowcami z University of Southampton, którzy byli pionierami w dziedzinie 5D glass storage. Artykuł DCD zauważa, że Microsoft początkowo współpracował z Southampton przy wczesnych iteracjach Silica datacenterdynamics.com. Od tego czasu Microsoft przeniósł prace całkowicie do własnych struktur, ale ta współpraca akademicka dała impuls całemu przedsięwzięciu (badania Southampton z lat 2013–2016 zasadniczo udowodniły koncepcję, która umożliwiła Silica datacenterdynamics.com datacenterdynamics.com).
Krajobraz konkurencyjny: Chociaż Microsoft wydaje się być liderem w dziedzinie przechowywania danych w szkle, inni również badają podobne koncepcje. W 2022 roku startup Cerabyte ogłosił prace nad przechowywaniem danych za pomocą lasera femtosekundowego, ale z użyciem materiałów ceramicznych zamiast szkła (również deklarując trwałość liczoną w tysiącach lat). Firma o nazwie Piql z Norwegii stosuje inne podejście: film optyczny zaprojektowany tak, by przetrwać 500–1000 lat (nieco analogiczna koncepcja, choć o niższej gęstości) datacenterdynamics.com. Microsoft jest tego świadomy, ale wydaje się pewny, że Silica jest liderem. Oświadczyli, że Microsoft prawdopodobnie „będzie oferować Silica wyłącznie jako usługę chmurową”, posiadając technologię i nie licencjonując jej szeroko datacenterdynamics.com datacenterdynamics.com. To podejście własnościowe wskazuje, że chcą mieć unikalną przewagę Azure.

Niedawne wiadomości rzuciły cień na rozwiązania DNA, jak wspomniano wcześniej, gdy Richard Black z Microsoftu otwarcie powiedział, że wycofali się z DNA, by skupić się na Silica, ponieważ przynosiło to bardziej praktyczne rezultaty datacenterdynamics.com. To był znaczący moment w 2024 roku: duża firma technologiczna zasadniczo wybrała szkło zamiast DNA jako swoją przyszłą strategię archiwizacji. Podkreśla to dynamikę Project Silica i pewność Microsoftu co do tego rozwiązania.

Od 2025 roku oczekuje się, że Microsoft wkrótce ogłosi bardziej formalny harmonogram lub komercjalizację Silica. Być może podgląd w Azure dla wybranych klientów (takich jak ci z dużymi archiwami zgodności) pojawi się do 2026 roku. Sprzęt wciąż musi się zmniejszyć i stać się bardziej wytrzymały – obecnie system zapisu ma rozmiar stołu, ale Microsoft przewiduje wersję produkcyjną „znacznie mniejszą” bez wszystkich czujników diagnostycznych, podobnie jak wczesne prototypy HoloLens zmniejszyły się do rozmiaru zestawu słuchawkowego datacenterdynamics.com. System odczytu (mikroskop+kamera) może być również zintegrowany w jednostce przypominającej napęd.

Jeśli wszystko pójdzie dobrze, w ciągu kilku lat możemy zobaczyć, jak Azure reklamuje poziom „Immutable Storage”, gdzie dane są przechowywane na szkle kwarcowym dla ultrabezpiecznego przechowywania. Jest całkiem możliwe, że pierwsza na świecie komercyjna usługa przechowywania danych na szkle pochodzić będzie z Microsoft Azure, dzięki przewadze Project Silica i skali chmury Microsoftu umożliwiającej jej wdrożenie.

Przypadki użycia w rzeczywistym świecie i potencjał na przyszłość

Docelowe przypadki użycia Project Silica pokrywają się z DNA w dziedzinie archiwizacji, ale z pewnymi różnicami wynikającymi z szybszego dostępu Silica i nieco niższej gęstości:

Archiwizacja w chmurze i przedsiębiorstwach: Bezpośrednim przypadkiem użycia jest zastąpienie taśm w centrach danych chmurowych. Usługi zimnego przechowywania (takie jak AWS Glacier, Azure Archive) mogłyby używać Silica do przechowywania kopii zapasowych, danych zgodności (np. dokumentacji finansowej, którą należy przechowywać przez 7+ lat), dokumentacji medycznej itp. Klienci skorzystaliby z wyższej trwałości (brak degradacji bitów), a dostawcy z niższych kosztów utrzymania (brak robotów do czyszczenia taśm i zużywających się kartridży). Zasadniczo, każdy scenariusz, w którym dziś używa się bibliotek taśm LTO, jest kandydatem na biblioteki Silica.
Archiwa medialne: Studia filmowe, nadawcy i twórcy treści mają petabajty wideo przechowywane w archiwach. Silica mogłaby być używana do archiwizacji kopii matki filmów, programów telewizyjnych, nagrań audio w celu ich zachowania. Test Warner Bros. polegający na przechowywaniu Supermana na szkle pokazuje to zastosowanie. W przeciwieństwie do taśm filmowych czy magnetycznych, które ulegają degradacji, szkło może zachować oryginalny materiał do przyszłego remasteringu lub jako dziedzictwo kulturowe. Podobnie nadawcy narodowi mogliby zachować historyczne transmisje na Silica (archiwa BBC itp.).
Archiwa naukowe: Duże eksperymenty naukowe (takie jak zderzacze cząstek, teleskopy, rejestry danych klimatycznych) generują dane, które mogą być potrzebne nawet po wielu dekadach do analizy lub weryfikacji. Silica mogłaby przechowywać surowe zbiory danych lub przetworzone wyniki, do których rzadko się sięga, ale nie mogą zostać utracone. Jej odporność na promieniowanie sprawia, że nadaje się nawet do przechowywania danych w kosmosie lub na innych planetach (np. wdrożenie archiwum danych Silica na Księżycu lub Marsie, które przetrwa wysokie promieniowanie i wahania temperatury).
Rejestry prawne i instytucjonalne: Rządy i instytucje mogą używać Silica do spełnienia wymogów długoterminowego przechowywania dokumentacji (przez wieki). Na przykład, krajowe rejestry urodzeń/zgonów, księgi wieczyste czy archiwa parlamentarne mogłyby zostać zabezpieczone w Silica, tak aby nawet za 500 lat dane były czytelne. Zainteresowanie Narodowego Archiwum Wielkiej Brytanii na to wskazuje. Również kluczowe dokumenty, takie jak teksty konstytucyjne, traktaty czy pisma religijne w formie cyfrowej mogłyby być zachowane na Silica, by chronić je przed utratą lub zmianą przez wieki.
Dziedzictwo i kapsuły czasu: Poza danymi użytkowymi, Silica otwiera możliwości tworzenia cyfrowych kapsuł czasu. Muzea mogłyby tworzyć „cyfrowe Kamienie z Rosetty” na szkle, przechowując informacje o naszej cywilizacji dla odległej przyszłości. Golden Record 2.0 to doskonały przykład: kulturowy wycinek zapisany na Silica i być może przechowywany w głębokiej jaskini lub wystrzelony na orbitę, z pewnością, że przetrwa, gdy obecne formaty cyfrowe dawno znikną.

Patrząc w przyszłość, Project Silica może rozwinąć się do większych pojemności (dzięki jeszcze większej liczbie warstw lub większym kawałkom szkła) i prawdopodobnie szerszego zastosowania poza Microsoftem. Jeśli Microsoft udowodni skuteczność rozwiązania, inni mogą opracować podobne systemy przechowywania na szkle. Nietrudno wyobrazić sobie przyszłe archiwa, zarówno rządowe, jak i firmowe, korzystające z urządzeń do przechowywania na szkle (nawet jeśli początkowo w modelu Azure, a docelowo jako jednostki sprzedawane przez Microsoft do użytku lokalnego). Przez dekady Silica może też uzupełniać przechowywanie w DNA – DNA sprawdzi się tam, gdzie liczy się absolutnie minimalny rozmiar fizyczny, natomiast Silica wygrywa, gdy potrzebny jest szybszy dostęp i można zaakceptować nieco większą objętość.

Co ciekawe, prace Microsoftu sugerują także zmianę w tym, jak myślimy o trwałości danych. Jeśli Silica rzeczywiście uczyni dane praktycznie nieśmiertelnymi, będziemy potrzebować nowych polityk. Black wspomniał, że gdy pojawi się tanie, ultratrwałe przechowywanie, ludzie mogą być zobowiązani do dłuższego przechowywania danych datacenterdynamics.com – na przykład firmy mogą być zobligowane do przechowywania danych środowiskowych lub medycznych dla dobra publicznego przez wieki, ponieważ stary argument o degradacji nośników przestaje mieć znaczenie. „Jeśli ludzie zrozumieją, co to oznacza, to będzie przełom w naszym podejściu do ochrony danych… Nie musimy już tyle tracić,” mówi dr Ioan Ștefănovici, jeden ze współpracowników Blacka datacenterdynamics.com datacenterdynamics.com. Istnienie Silica i przechowywania w DNA może zapoczątkować erę, w której cyfrowe zapominanie stanie się wyborem, a nie koniecznością.

Podsumowując, Project Silica to fascynujące połączenie starożytnego materiału (szkło kwarcowe) z najnowocześniejszą technologią (ultraszybkie lasery i AI), by rozwiązać współczesny kryzys danych. Obecny rozwój pokazuje, że jest bardzo blisko praktycznego zastosowania, a już za kilka lat nasze najcenniejsze dane mogą być powierzane małym szklanym płytkom, bezpiecznym na wieki.

5D Nanostrukturalne Kryształy Pamięci Szklanej

Często nazywane „Superman Memory Crystal” (od fikcyjnych kryształowych nośników danych w Twierdzy Samotności Supermana), 5-wymiarowe optyczne przechowywanie danych to kolejna technologia oparta na szkle, która jest blisko związana z Project Silica, ale wywodzi się z badań akademickich. Koncepcja została zapoczątkowana przez Optoelectronics Research Centre (ORC) Uniwersytetu w Southampton, które w 2013 roku po raz pierwszy zademonstrowało użycie nanostrukturalnego szkła do zapisu danych w wielu wymiarach datacenterdynamics.com. Technologia ta również wykorzystuje ultraszybkie lasery do kodowania danych w szkle kwarcowym, ale z pewnymi różnicami w technice i naciskiem na maksymalną gęstość oraz trwałość. Można to uznać za akademickiego kuzyna Project Silica, badającego granice pojemności i trwałości szkła.

Jak działa 5-wymiarowe przechowywanie optyczne

5D storage wykorzystuje bardzo podobną ideę tworzenia drobnych zmian indukowanych laserem w szkle. „5D” odnosi się do tych samych pięciu stopni swobody (3 przestrzenne + 2 optyczne) opisanych wcześniej southampton.ac.uk. Jednak metoda zespołu z Southampton kładzie nacisk na tworzenie nanogratyngów – niezwykle małych, periodycznych struktur – których orientacja i siła kodują bity za pomocą dwójłomności (rozdzielania światła na różne polaryzacje) 5dmemorycrystal.com 5dmemorycrystal.com. Mówiąc prościej, zamiast samych „bąbelków” lub pustek, tworzą w szkle na poziomie nanometrycznym małe wzory, które zmieniają sposób przechodzenia światła. Analizując światło za pomocą polaryzatora (jak w okularach polaryzacyjnych) i mikroskopu, można odczytać wiele bitów z jednego punktu w zależności od kąta tych nanogratyngów 5dmemorycrystal.com.

Proces zapisu wykorzystuje laser femtosekundowy, który porusza się przez dysk z kwarcu topionego (czyste szkło krzemionkowe), skupiając impulsy w celu zapisu warstwa po warstwie, podobnie jak w Silica. Każdy punkt (woksel) może przechowywać do 8 bitów (jeden bajt) danych dzięki zastosowaniu różnych orientacji i sił retardancji nanogratowania 5dmemorycrystal.com. W eksperymentach laboratoryjnych osiągnięto do 7–8 bitów na woksel (stąd często ilustrowany termin „5D” – np. 2^8 możliwości na woksel). Jednak, jak odkrył Microsoft, dążenie do 8 bitów na punkt spowalnia zapis. Zespół z Southampton, nieograniczony względami komercyjnymi, dążył do osiągnięcia teoretycznej maksymalnej gęstości, nawet jeśli jest to powolne.

Jeśli chodzi o pojemność, opublikowali, że standardowy szklany dysk o średnicy 12 cm jak DVD wykorzystujący nanostruktury 5D mógłby teoretycznie pomieścić 360 TB danych datacenterdynamics.com southampton.ac.uk. Zakłada to bardzo ciasne upakowanie wokseli i wysokie wielobitowe kodowanie na woksel. To zasadniczo górna granica, jeśli wypełnisz dysk setkami warstw gęsto upakowanych danych nanogratowania. W praktyce wczesne prototypy były znacznie mniejsze: pierwsza demonstracja w 2013 roku przechowywała 300 kB (kilobajtów) na małym kawałku szkła datacenterdynamics.com. Do 2015 roku przechowywano kilka MB. Postęp przyspieszył i w 2016 roku zapisano pliki tekstowe, takie jak Biblia Króla Jakuba (ponad 1 MB), aby zaprezentować pojemność i odczyt.

Co najbardziej imponujące, we wrześniu 2024 roku zespół Southampton ORC ogłosił, że zapisał cały ludzki genom (ponad 3 miliardy par zasad DNA, ~0,8 GB) na krysztale 5D southampton.ac.uk southampton.ac.uk. Dokonano tego na małym szklanym dysku o średnicy około 8 cm, wykorzystując redundancję (każda litera genomu została zapisana 150 razy dla zapewnienia dokładności) southampton.ac.uk. Osiągnięcie to miało wymiar symboliczny: zachowanie ludzkiego kodu genetycznego na „wiecznym” nośniku danych. Następnie umieszczono ten szklany dysk w archiwum Memory of Mankind – ultradługoterminowej kapsule czasu w kopalni soli w Hallstatt, Austria southampton.ac.uk southampton.ac.uk. Ten wysiłek pokazuje, że technologia działa dla stosunkowo dużych zbiorów danych i jest skierowana do zastosowań wymagających maksymalnej trwałości.

Pojemność i potencjał gęstości zapisu

Jak wspomniano, potencjalna pojemność zapisu optycznego 5D jest ogromna – nawet setki terabajtów na dysk w teorii southampton.ac.uk. W praktyce obecne prototypy wykorzystywały mniejsze wolumeny danych (gigabajty) jako dowód koncepcji. Skupiono się na wykazaniu ekstremalnej trwałości, a nie na maksymalizacji pojemności za jednym razem.

Jednak z perspektywy technologicznej:

Pojedynczy dysk 5D może mieć tysiące warstw danych, ponieważ laser może być ogniskowany głębiej w szkle. Nie ma tu twardego limitu jak w Blu-ray (który miał 3–4 warstwy) – chodzi raczej o to, jak precyzyjnie można ustawić laser w głębi. Zespół ORC wspominał o możliwości „układania warstw bez ograniczeń” poza fizyką dyfuzji itp. Praktycznie pokazano kilkaset warstw, a więcej jest możliwe przy użyciu obiektywów o wysokiej aperturze numerycznej (NA).
Gęstość wokseli w każdej warstwie może dorównywać tej z Blu-ray lub być jeszcze większa (woksele oddalone o ~mikrometry). Używając laserów o krótszej długości fali lub precyzyjniejszego ogniskowania, można zmniejszyć rozmiar wokseli do np. <200 nm, podobnie jak rozmiary pitów Blu-ray 5dmemorycrystal.com. Daje to bardzo dużą liczbę bitów na warstwę.
Wielobitowe kodowanie na woksel dodaje kolejny mnożnik (jeśli niezawodnie zapisujesz np. 3 bity/woksel, to masz 3x większą pojemność niż przy prostym kodowaniu binarnym na woksel).

Łącząc to wszystko, często cytowane „360 TB na dysku” dotyczy sytuacji, gdy w pełni wykorzystasz wszystkie wymiary. To byłoby jak skompresowanie 1000 standardowych archiwalnych płyt Blu-ray w jednym szklanym dysku. Nie zostało to jeszcze osiągnięte, ale nawet ułamek tej pojemności to ogromna wartość.

Jedną z zalet podejścia 5D jest możliwość ponownego zapisu. Co zaskakujące, naukowcy odkryli, że przy użyciu określonych warunków lasera nanosiatki mogą być wymazywane lub ponownie zapisywane 5dmemorycrystal.com. To wciąż eksperymentalne, ale jeśli się uda, oznaczałoby to, że te szklane kryształy nie musiałyby być jednorazowego zapisu; można by na nich aktualizować dane, co normalnie nie jest możliwe na niezmiennych nośnikach, takich jak Silica czy dyski WORM. W artykule ORC z 2016 roku zauważono, że nanostruktury można selektywnie wymazywać przez podgrzewanie lub dodatkowe impulsy, a następnie ponownie zapisywać, choć z pewnymi ograniczeniami. Jeśli zostanie to dopracowane, może to być rewolucyjne: niemal wieczny, wielokrotnego zapisu nośnik danych.

Obecnie projekt pozostaje w fazie badań i nie jest produktem komercyjnym. Jednak firma o nazwie Sphaera Photonics (SPhotonix) wydaje się być spin-offem lub współpracownikiem, który dąży do komercjalizacji kryształów pamięci 5D. Strona 5Dmemorycrystal.com (sygnowana marką SPhotonix) opisuje technologię i nawet oferuje opcję „zamów kryształ pamięci” 5dmemorycrystal.com 5dmemorycrystal.com. Sugeruje to, że mogą być dostępne oferty na małą skalę lub niestandardowe inskrypcje (być może dla celów kolekcjonerskich lub specjalnych projektów archiwizacyjnych). Rzeczywiście, niektórzy entuzjaści zamówili na przykład kryształ 5D z zapisanymi słynnymi dokumentami, aby posiadać przedmiot, który dosłownie zawiera tekst w swoim wnętrzu.

Trwałość i stabilność

Szklany kryształ 5D posiada obecny Rekord Guinnessa jako najtrwalszy materiał do przechowywania danych southampton.ac.uk. Naukowcy chwalą się szacowaną stabilnością termiczną na 13,8 miliarda lat w temperaturze pokojowej (w praktyce dane mogłyby przetrwać do końca wszechświata, o ile nie nastąpi kataklizm) 5dmemorycrystal.com. Liczba ta pochodzi z ekstrapolacji zmierzonego tempa degradacji w wysokich temperaturach – zasadniczo, w normalnych warunkach rozpad jest tak powolny, że można go pominąć. W bardziej przystępnej formie często mówi się o „praktycznie wiecznym” przechowywaniu danych.

Jak opisano wcześniej w przypadku Silica, te kryształy ze szkła kwarcowego są odporne na ekstremalne warunki:

Ciepło: wytrzymuje do 1000°C bez utraty danych southampton.ac.uk. (Możesz więc wrzucić go do wrzątku lub ognia i nic mu się nie stanie, choć sam dysk może się zdeformować, jeśli naprawdę się stopi.)
Zimno: brak wpływu mrozu lub ekstremalnego zimna.
Stabilność chemiczna: Kwarc jest bardzo obojętny. O ile nie rozpuścisz go w kwasie fluorowodorowym, większość chemikaliów lub rozpuszczalników mu nie zaszkodzi.
Ciśnienie: Testowany pod naciskiem 10 ton na cm² – co jest ogromnym ciśnieniem – i pozostał niezmieniony southampton.ac.uk.
Promieniowanie: Dysk w Hallstatt jest wystawiony na naturalne promieniowanie i prawdopodobnie na miony kosmiczne; oczekuje się, że poradzi sobie z tym bez problemu. W komunikacie prasowym wyraźnie stwierdzono, że jest „niezmieniony przez długotrwałą ekspozycję na promieniowanie kosmiczne.” southampton.ac.uk.

Prof. Peter Kazansky, który kieruje zespołem ORC, podkreślił, że w przeciwieństwie do innych formatów, te kryształy „nie ulegają degradacji z upływem czasu” – mogą przechowywać dane „przez miliardy lat, nawet w wysokich temperaturach.” southampton.ac.uk Zostało to udowodnione na tyle, że w 2014 roku zdobyto rekord Guinnessa. Można śmiało powiedzieć, że kryształy 5D i Project Silica mają tę samą fundamentalną trwałość, ponieważ oba są oparte na kwarcu; różnica polega na tym, że ORC przesuwa granice możliwości.

Aby naprawdę zabezpieczyć się na przyszłość, zespół z Southampton wziął również pod uwagę dostępność informacji w czasie. Wiedząc, że po tysiącach lat ktoś może znaleźć kryształ bez żadnej wiedzy o naszej technologii, wyryli na dysku wizualne „wskazówki” lub klucze, które wyjaśniają, jak odszyfrować dane southampton.ac.uk. Na dysku z ludzkim genomem wygrawerowali symbole atomów, strukturę DNA itp., aby poprowadzić przyszłą inteligencję w interpretacji kodu binarnego genomu southampton.ac.uk. To odzwierciedla to, co zrobiono z Złotą Płytą Voyagera (która miała diagramy wyjaśniające, jak ją odtworzyć). Zawarto nawet wizerunek ludzkiej postaci jak na tabliczce Pioneera, jako ukłon w stronę zapisów wysyłanych w kosmos southampton.ac.uk. Takie środki pokazują, że twórcy przewidują, iż te kryształy mogą przetrwać naszą cywilizację, dlatego są wyposażone w instrukcje dla każdego (lub czegokolwiek), kto je odkryje w odległej przyszłości.

Jeśli chodzi o konserwację, ponownie, nie są potrzebne żadne warunki środowiskowe. Kryształ 5D można zostawić na półce w jaskini na wieki (tak jak zrobiono to w Hallstatt). Nie ma potrzeby okresowego kopiowania. To naprawdę nośnik „zapisz i zapomnij” – miejmy nadzieję, że nie zapomnieć o odzyskaniu, ale zapomnieć w kwestii utrzymania.

Aktualny etap i aktualizacje na lata 2024–2025

Na połowę 2025 roku pamięć krystaliczna 5D to wciąż głównie projekt badawczy, ale z rosnącą liczbą demonstracji w rzeczywistych warunkach:

Wrześniowe ogłoszenie z 2024 roku o zapisaniu ludzkiego genomu było ważnym wydarzeniem w tej dziedzinie southampton.ac.uk. Przyciągnęło uwagę mediów (relacjonowały to m.in. Phys.org, Smithsonian Magazine), nie tylko ze względu na osiągnięcie techniczne, ale i filozoficzne – zachowanie planu ludzkości w tak trwały sposób technologynetworks.com reddit.com. Udowodniło, że można obsłużyć dane o wielkości wielu gigabajtów (genom z nadmiarowością to kilka gigabajtów zakodowanych danych).
Partnerstwo Memory of Mankind (MoM): Umieszczając kryształ genomu w archiwum MoM w Austrii, zespół zasygnalizował zastosowanie swojej technologii – dołączenie do repozytorium mającego na celu zachowanie ludzkiej wiedzy dla bardzo odległej przyszłości. Archiwum MoM składa się głównie z ceramicznych tabliczek z mikrodrukowanym tekstem, ale teraz zawiera także ten zaawansowany technologicznie szklany dysk. Może to otworzyć drzwi dla kolejnych wkładów: być może przyszłe depozyty MoM będą zawierać kryształy 5D z bibliotekami lub dziełami sztuki.
SPhotonix / Komercyjny aspekt: Widać oznaki prób komercjalizacji na małą skalę. SPhotonix (prawdopodobnie prowadzony przez absolwentów ORC) oferuje produkty „Memory Crystal”. Nie jest jasne, czy sprzedają już usługi przechowywania dużych ilości danych, czy jest to raczej eksperymentalne. Można sobie wyobrazić, że wczesnymi klientami mogłyby być muzea lub zamożne osoby, które chcą zachować określone dane w nowatorskim, wiecznym formacie (na przykład oferując usługę przechowywania rodzinnych zdjęć lub danych osobistych na krysztale dla prawnuków). Nie mamy dowodów na duże zamówienia, ale fakt istnienia strony internetowej i odniesień do tej technologii sugeruje przynajmniej działania promocyjne.
Współpraca z Microsoftem? W poprzednich latach Microsoft współpracował z Southampton ORC, jak wspomniano w artykule DCD datacenterdynamics.com. Ta współpraca zakończyła się, gdy Microsoft zaczął rozwijać własny projekt. Oznacza to jednak, że technologia 5D i Silica wymieniały się pomysłami. Zespół akademicki nadal przesuwa granice (np. osiągając 7 bitów/voxel, pokazując możliwość zapisu wielokrotnego lub realizując archiwum genomu), podczas gdy Microsoft skupia się na inżynierii wdrażalnego systemu (z 2-3 bitami/voxel i robotyką). W 2022 roku profil DCD dotyczący różnych długoterminowych metod przechowywania danych zauważył, że „inni pracują nad alternatywnymi podejściami (patrz ramka)” i cytował prace Southampton datacenterdynamics.com. Tak więc Microsoft uznaje ich za równoległą ścieżkę. Możemy zobaczyć rozbieżność, w której Silica Microsoftu stanie się standardem korporacyjnym, podczas gdy kryształy 5D będą ultra-trwałą opcją dla specjalnych archiwów.

W 2025 roku nie widzieliśmy jeszcze, by pamięć 5D była sprzedawana jako produkt typu „przechowaj swoje dane na zawsze za $X”, ale biorąc pod uwagę zainteresowanie, może to być już niedaleko. Być może startup zaoferuje to jako usługę archiwizacyjną podobną do pilotażowych usług DNA. Warto zauważyć, że odczyt danych z tych kryształów wymaga również specjalistycznego układu optycznego (mikroskop polaryzacyjny z kamerą i oprogramowaniem dekodującym). Każda oferta komercyjna musiałaby więc obejmować zapewnienie rozwiązania do odczytu lub gwarancję przyszłej czytelności.

Potencjalne zastosowania

Wiele zastosowań pokrywa się z Project Silica, ponieważ oba służą potrzebom ultra-długiego przechowywania danych. Jednak kryształy 5D mogą znaleźć niszowe zastosowania tam, gdzie maksymalna trwałość lub gęstość danych jest najważniejsza, nawet kosztem szybkości lub ceny. Przewidywane scenariusze:

Kapsuły czasu i archiwa cywilizacyjne: Ta technologia jest niemal stworzona do takich zastosowań jak projekt Memory of Mankind czy przyszła „Biblioteka Ziemi”, którą wyślemy na Księżyc lub zakopiemy pod ziemią. Połączenie gęstości i trwałości oznacza, że można zarchiwizować całe biblioteki, muzea, archiwa naukowe itp. w kilku pudełkach po butach kryształów i mieć całkiem dużą pewność, że przetrwają ludzkość. Na przykład przechowywanie całej Wikipedii, Projektu Gutenberg i migawki wiedzy z internetu na kryształach i zamknięcie ich w skarbcu dla przyszłej cywilizacji. Kryształ z ludzkim genomem jest tego doskonałym przykładem (zasugerowano nawet zrobienie tego samego dla genomów zagrożonych gatunków jako kopii zapasowej bioróżnorodności) southampton.ac.uk southampton.ac.uk.
Misje kosmiczne: Jeśli kiedykolwiek stworzymy ponownie sondę międzygwiezdną podobną do Voyagera, kryształy 5D byłyby świetnym nośnikiem do dołączenia. Mogą przetrwać promieniowanie kosmiczne i upływ czasu, a pomieszczą znacznie więcej niż płyty fonograficzne czy złote tabliczki. „Złota Płyta 3.0” mogłaby być kryształem krzemionkowym z kompendium kultury Ziemi. Nawet w przypadku bliższych misji, np. baza księżycowa przechowująca dane na miejscu – kryształy przetrwałyby surowe warunki księżycowe (wahania temperatury, promieniowanie) znacznie lepiej niż elektronika. W rzeczywistości niektórzy żartobliwie sugerowali wysłanie kapsuły czasu na Księżyc z wiedzą ludzkości na szkle 5D – na wszelki wypadek.
Ostateczna kopia zapasowa kopii zapasowych: Organizacje mogą używać pamięci 5D jako formatu dla archiwów odzyskiwania danych po katastrofie. Na przykład krytyczne dane państwa mogłyby być zapisane na kryształach i przechowywane w bezpiecznym bunkrze (lub kilku bunkrach). Byłby to „w razie apokalipsy, rozbij szkło” – skarbiec danych (gra słów zamierzona). Firmy technologiczne mogłyby używać tego do przechowywania kodu źródłowego lub kluczy szyfrujących w niezmiennej formie offline.
Muzea i dziedzictwo kulturowe: Archiwa narodowe lub muzea mogłyby oferować ekspozycje, gdzie np. kryształ 5D zawiera całą cyfrową kolekcję muzeum – skany dzieł sztuki, dokumenty itp. – jako symboliczny kamień węgielny dla zachowania dziedzictwa. To zarówno funkcjonalne, jak i edukacyjne: odwiedzający mogą zobaczyć „wieczne archiwum” i mieć pewność, że te dzieła są bezpieczne na wieki. Już teraz widać zainteresowanie: podczas wydarzenia związanego z kryształem genomu prof. Kazansky zauważył, że „otwiera to możliwości budowy wiecznego repozytorium informacji genomowych… z którego złożone organizmy mogłyby zostać odtworzone, jeśli nauka na to pozwoli” southampton.ac.uk, sugerując przechowywanie innych złożonych danych, jak np. cyfrowe plany organizmów czy kluczową wiedzę.
Archiwa wojskowe lub bezpieczne: Wojsko i wywiad mogą przechowywać wrażliwe dane na kryształach, ponieważ są one odporne na manipulacje (nie można zmienić danych bez pozostawienia śladów) i mogą przetrwać impuls elektromagnetyczny lub inne ataki. Na przykład archiwa kodów startowych broni jądrowej lub dokumenty traktatowe mogłyby być przechowywane na nośniku, którego nie zniszczy nawet wybuch jądrowy, zapewniając ciągłość informacji.
Osobiste dane dziedzictwa: To jest bardziej spekulatywne, ale być może w przyszłości ludzie będą mogli przechowywać swoje osobiste dane – rodzinne zdjęcia, dzienniki, drzewo genealogiczne – na małym krysztale, który przekażą jako pamiątkę. To jak cyfrowy medalion, który prapraprawnuki wciąż mogłyby odczytać. Choć nie jest to jeszcze powszechne, koncepcja „cyfrowego dziedzictwa” przechowywanego przez wieki może przemawiać do niektórych, zwłaszcza gdy koszty spadną.

Jedna rzecz warta uwagi: odczytanie kryształu 5D w dalekiej przyszłości zakłada znajomość budowy mikroskopu polaryzacyjnego i rozumienia systemu binarnego. Jednak badacze starali się to zminimalizować, dodając wygrawerowane instrukcje, jak wspomniano na southampton.ac.uk. Wyrażają nawet, że „jeśli potrafimy wyjaśnić istotom pozaziemskim, jak to odczytać, to oczywiste, że możemy wyjaśnić to naszym ludzkim potomkom” geekwire.com. Są więc świadomi potrzeby dostępności.

Jeśli chodzi o wersje nowej generacji, sam koncept 5D jest w pewnym sensie następną generacją pamięci optycznej. Przeskakuje Blu-ray i próby pamięci holograficznej, dodając więcej wymiarów kodowania. Jeśli pojawią się jakieś „następne-następnej generacji” ulepszenia, mogą to być:

Użycie różnych materiałów: być może szkła domieszkowanego lub innych materiałów krystalicznych, aby poprawić kontrast lub umożliwić jeszcze drobniejsze woksele.
Wielokolorowe lasery: być może kodowanie za pomocą różnych długości fal światła, aby dodać jeszcze więcej wymiarów danych (to teoretyczne, obecnie nie jest stosowane).
Jak wspomniano, uczynienie jej wielokrotnego zapisu w sposób niezawodny, co byłoby przełomowe.
Automatyzacja: budowa systemów robotycznych do obsługi tych kryształów w bibliotekach (podobnie jak plan Silica).

Na razie kryształy pamięci 5D pozostają fascynującym połączeniem eksperymentu naukowego i przyszłościowego rozwiązania archiwizacyjnego. Pobudzają wyobraźnię, ponieważ spełniają wszystkie marzenia o idealnej pamięci: ekstremalna gęstość, wieczna trwałość, brak potrzeby konserwacji. Jak zauważył prof. Kazansky, „Nie wiemy, czy technologia kryształów pamięci kiedykolwiek podąży śladem [płyt] Voyagera pod względem przebytej odległości, ale z dużym prawdopodobieństwem każdy dysk przetrwa dłużej niż one.” southampton.ac.uk Innymi słowy, mogą to być najbliższe odpornym na czas cyfrowym bibliotekom, jakie stworzyła ludzkość.

Wnioski: Przyszłość, w której dane naprawdę żyją wiecznie

Poszukiwania magazynowania danych nowej generacji zaprowadziły nas na radykalne ścieżki – od syntetycznego DNA w probówkach po niezwykle twarde szafirowe dyski szklane grawerowane laserami. Syntetyczne przechowywanie DNA, Project Silica firmy Microsoft oraz 5D nanostrukturalne szkło oferują rozwiązanie nadchodzącej „apokalipsy przechowywania danych”, w której nasze potrzeby znacznie przewyższają możliwości tradycyjnych nośników. Łączą je wspólne cele: niesamowicie wysoka gęstość, trwałość liczona w tysiącleciach oraz minimalne zużycie energii, jednak różnią się dojrzałością i idealnymi przypadkami użycia:

Syntetyczne DNA wykorzystuje naturalną cząsteczkę informacji do upakowania niewiarygodnych ilości danych w bardzo małych przestrzeniach. Jego zaletą jest najwyższa możliwa gęstość (potencjalnie miliony GB na gram) i udowodniona trwałość w skali geologicznej microsoft.com techxplore.com. Przechowywanie danych w DNA mogłoby teoretycznie skurczyć światowe archiwa do kilku biowoltów wielkości lodówki. Jednak technologia ta wciąż się rozwija – zapis i odczyt są obecnie powolne i kosztowne, co oznacza, że DNA prawdopodobnie będzie rutynowo używane dopiero za dekadę. Wczesne wdrożenia będą skierowane do głębokich archiwów, gdzie akceptowalny jest czas dostępu liczony w godzinach lub dniach. Dzięki dużym inwestycjom w badania i rozwój obserwujemy szybki postęp (np. zautomatyzowane maszyny do przechowywania DNA i algorytmy korekcji błędów), a startupy takie jak Atlas planują komercjalizację do końca lat 20. XXI wieku prnewswire.com blocksandfiles.com. Wraz ze spadkiem kosztów DNA może stać się podstawowym rozwiązaniem dla zimnego przechowywania ogromnych, rzadko używanych zbiorów danych – wyobraź sobie, że dostawcy chmury oferują przechowywanie DNA na potrzeby kopii zapasowych i danych zgodności, które odzyskujesz tylko w nagłych wypadkach.
Projekt Silica uczynił koncepcję „szklanych archiwów danych” namacalną. Skupienie Microsoftu na produkcie rzeczywistym oznacza, że Silica może pojawić się na rynku szybciej niż DNA. Rezygnując nieco z gęstości, ale upraszczając odczyt/zapis, mają system niemal gotowy do wprowadzenia na skalę chmurową datacenterdynamics.com. Siłą Silica jest jej praktyczna wdrażalność: działa z istniejącymi modelami centrów danych (robotyka, napędy optyczne) i obiecuje natychmiastowe oszczędności, ponieważ nigdy nie wymaga wymiany ani zasilania datacenterdynamics.com datacenterdynamics.com. Przy kilku terabajtach na talerz i ekstremalnej wytrzymałości datacenterdynamics.com, jest gotowa wkrótce zrewolucjonizować segment archiwalnych pamięci masowych. Jej prawdopodobną rolą będzie archiwizacja korporacyjna i chmurowa, zastępując biblioteki taśmowe rzędami szkła, które mogą przetrwać wieki. Eksperci Microsoftu promują obecnie Silica jako rozwiązanie, które może pozwolić nam „przechowywać dane świata” bezterminowo i taniodatacenterdynamics.com datacenterdynamics.com. Wkrótce możemy być świadkami zmiany paradygmatu, w której dane dotąd usuwane z powodów kosztowych lub przestarzałości będą mogły być przechowywane na szkle na zawsze – co zmieni podejście do ochrony danych w nauce, historii i biznesie.
5D Nanostrukturalne szkło (kryształy pamięci) reprezentuje najnowocześniejsze osiągnięcia tego, co jest fizycznie możliwe w przypadku nieulotnych nośników danych. Przesuwa granice – celując w setki terabajtów na czymś wielkości płyty DVD i przetrwanie aż do końca czasu southampton.ac.uk 5dmemorycrystal.com. Choć nie jest to jeszcze rozwiązanie komercyjne, stanowi dowód na to, że możemy tworzyć nośniki pamięci, które kpią z ograniczeń rozkładu i pojemności. Podejście 5D prawdopodobnie znajdzie zastosowanie w wyspecjalizowanych obszarach: pomyśl o archiwach ostatecznej instancji, kapsułach czasu oraz archiwach naukowych lub międzygwiezdnych. Może uzupełniać bardziej praktyczne rozwiązania (takie jak Silica), oferując jeszcze większą gęstość dla tych, którzy są gotowi poświęcić szybkość i koszt produkcji. Jeśli przyszłe badania umożliwią np. wielokrotny zapis lub łatwiejszą masową produkcję, te kryształy pamięci mogą wyjść z laboratoriów jako nośniki archiwalne o ultradużej pojemności także dla dostawców chmury. Już teraz fakt, że mały zespół zakodował całe ludzkie genom na maleńkim szklanym dysku i twierdzi, że może on przetrwać miliardy lat southampton.ac.uk southampton.ac.uk, jest znakiem, że „wieczna” pamięć to nie fantazja – ona już tu jest, przynajmniej w formie prototypu.

Na koniec warto posłuchać, co mówią eksperci, porównując te technologie. Dr Richard Black z Microsoftu, pracujący zarówno nad projektami DNA, jak i szkła, stwierdził w 2024 roku, że w najbliższym czasie „nie ma wyraźnego zastosowania dla pamięci DNA”, podczas gdy szkło spełniało potrzeby datacenterdynamics.com. Zauważył, że zwolennicy DNA podkreślali gęstość, ale obecnie centra danych bardziej dbają o koszty i integrację datacenterdynamics.com. Z drugiej strony, zwolennicy pamięci DNA, tacy jak CEO Twist Emily Leproust, pozostają przekonani, że DNA ostatecznie zwycięży w zabezpieczaniu ogromnych wolumenów na przyszłość – prognozowała oferowanie usług przechowywania DNA do 2025 roku i później, podkreślając, że postępy biologii (tańsza synteza, enzymatyczny zapis) zniwelują różnicę. I jak zauważyłby inwestor, oba podejścia mogą się rozwijać: rynek długoterminowego przechowywania jest tak ogromny i zróżnicowany, że DNA i szkło mogą wypełnić własne nisze – jedno dla absolutnej gęstości w mniejszych archiwach, drugie dla szybszego dostępu w dużych, aktywnych archiwach.

Jeśli chodzi o kryształy 5D, mamy entuzjastyczne słowa prof. Petera Kazansky’ego, który nazwał je „praktycznie wieczystą, niezniszczalną pamięcią pozwalającą na setki terabajtów na kryształ” phys.soton.ac.uk. Po zachowaniu ludzkiego genomu na jednym z nich powiedział, że „otwiera to możliwości zbudowania wieczystego repozytorium informacji genomowej” dla przyszłości southampton.ac.uk – sugerując, że te kryształy mogą chronić istotę życia i wiedzy jako takiej.

Podsumowując, pojawienie się tych technologii zwiastuje nadchodzącą erę, w której dane naprawdę mogą być zachowane dla potomności. Zbliżamy się do rozwiązania odwiecznego problemu utraty informacji. Wyobraź sobie przyszłą Bibliotekę Aleksandryjską, której nie da się spalić, bo jej księgi są zakodowane w DNA lub szkle, powielone na całym świecie. Albo konto w chmurze, gdzie twoje zdjęcia i dokumenty, jeśli zechcesz, mogą być przekazywane przez pokolenia bez degradacji. Dzięki syntetycznemu DNA, szklanym nośnikom i kryształom 5D nasza cyfrowa cywilizacja może wreszcie mieć narzędzia archiwizacyjne tak odporne, jak cenne są informacje. Najbliższe lata będą kluczowe, gdy laboratoria zamienią te prototypy w realne systemy. Jedno jest pewne: w wyścigu o wieczne przechowywanie danych ludzkość ma teraz po swojej stronie potężne narzędzia – na skrzyżowaniu biologii, optyki i nanotechnologii – zapewniając, że nasze bajty i bity nie znikną po prostu z upływem czasu.

Źródła: Komunikaty prasowe i wywiady dotyczące przechowywania danych w syntetycznym DNA prnewswire.com microsoft.com; Raporty techniczne Microsoft Project Silica i artykuły medialne datacenterdynamics.com geekwire.com; Ogłoszenia Uniwersytetu w Southampton dotyczące kryształów pamięci 5D southampton.ac.uk southampton.ac.uk; Komentarze ekspertów od badaczy i liderów branży datacenterdynamics.com southampton.ac.uk.

Tags: innowacje, przechowywanie danych, Technologia