Как можно сохранить триллионы гигабайт
Ученые подсчитали, что каждый день человечество производит два с половиной экзабайта данных — это 2500 млрд гигабайт. Согласно прогнозу агентства IDC уже через четыре года объем накопленных данных достигнет 40 000 эксабайт. Это 40 трлн гигабайт, для которых пока нет подходящего носителя: традиционные диски имеют ограниченные емкость и срок службы. Чтобы не потерять ценную информацию, мировые научные лаборатории и IT-корпорации ищут принципиально новые пути обработки и хранения данных.
Дерево знаний
Ученые из Университетского медицинского центра в Словении разработали способ записи данных на самый древний носитель информации — ДНК. Научный сотрудник этого центра Карин Любич Фистер предложила хранить информацию в виде двоичного кода в ДНК растений. Ранее ученые из Высшей технической школы Цюриха подсчитали, что на небольшом участке двойной спирали ДНК можно сохранить 300 тыс. терабайт данных. А соответственно, упомянутые 40 трлн гигабайт, которые человечество создаст к 2020 г., уместятся в менее чем 100 г ДНК. Принципиально важно, что информация на молекуле может храниться без изменений и появления ошибок в течение 2000 лет. Для сравнения, сегодня самый лучший жесткий диск способен вместить всего шесть терабайт данных на срок до 50 лет.
Записать данные на ДНК несложно. Фистер говорит, что нужно просто перевести четырехбуквенный генетический язык (А, Г, Ц и T) в двоичный код. Компьютерная программа — это по своей сути последовательность нулей и единиц. В случае с ДНК А соответствует 00, Ц — 10, Г — 01 и Т — 11. Участок синтетической молекулы с цифровым кодом собирается по буквам, а потом с помощью бактерий внедряется в родную ДНК растения.
В процессе эксперимента ученые закодировали сообщение "Привет, мир!" в семена табака. Новые растения, выращенные из семян, содержали модифицированную ДНК в каждой клетке. Для того чтобы считать информацию, ученые извлекали ДНК из растений и секвенировали ее с помощью традиционных методов генетического анализа. После того как данные перевели обратно в двоичную систему, на экране возникло сообщение: "Привет, мир!". Технология станет основой "интеллектуальных" деревьев и растений, которые будут хранилищами многовековых знаний. Ученые говорят, что на одном ящике семян можно сохранить все существующие сейчас архивы.
Квантовые технологии
В качестве надежных носителей информации ученые рассматривают не только ДНК. Пока мировые IT-лаборатории бьются над созданием квантовых компьютеров, инженеры Австралийского национального университета и Университета Онтаго уже создали квантовые диски. Аналогичные эксперименты были и раньше, но все квантовые носители могли хранить данные не более доли секунды. Новое же устройство функционирует целых шесть часов.
В процессе сложного эксперимента физики встроили в кристаллы ортосиликата итрия спин ядер редкоземельного элемента европия, после чего кристаллы охлаждали до температуры -271 градус и окружали комбинацией из фиксированного и колеблющегося магнитного поля.
По словам ведущего автора эксперимента Маньцзинь Чжун, эти два поля изолировали спины ядер европия и предотвращали утечку информации. По сути, устройство представляет собой первый прототип оптического накопителя для частиц, находящихся в состоянии квантовой запутанности. Чжун говорит, что шесть часов для данной технологии отнюдь не предел: ее потенциал огромен. Это первый в мире успешный эксперимент по созданию квантового носителя, который также позволит разработать новые методики передачи квантовой информации.
"Светлая" память
Еще одно весьма перспективное хранилище информации — свет. На протяжении многих лет ученые пытаются создать фотонную память, но до недавнего времени безуспешно. Главная проблема в том, что такие устройства требуют постоянного питания. Эту задачу удалось недавно решить международной команде исследователей из США, Германии и Англии, которые разработали первый энергонезависимый блок памяти, полностью состоящий из фотонов.
Для этого использовали стеклообразный сплав германия, теллура и сурьмы, который применяется в перезаписываемых CD- и DVD-дисках. Под действием электрических или оптических импульсов такой полупроводник может менять свое состояние, то затвердевая, то размягчаясь.
По словам ведущего автора разработки Хариша Бхаскарана из Оксфордского университета, такие свойства сплава позволяют кодировать информацию в его состояние. То есть, нагревая и охлаждая материал, кодируются "ноль" и "единица" классического компьютерного бинарного кода. С помощью света можно не только записывать, но и считывать информацию. А посылая луч с разной длиной волны, одновременно и записывать, и считывать. Причем по одному каналу за доли секунды поступают сотни световых импульсов с различной длиной волны, что позволяет мгновенно обрабатывать тысячи бит информации.
Кроме того, свет разной интенсивности меняет состояние только части сплава, делая его одновременно аморфным и кристаллическим в разных пропорциях. Бхаскаран говорит, что это позволит вместо бинарного кода использовать до десяти и более единиц шифра, то есть в одном бите хранить в несколько раз больше информации, чем сегодня.
Мозг в помощь
Большие надежды ученые возлагают и на мемристоры — электронные приборы, которые называют электронными нейронами головного мозга. Это, по сути, ячейки энергонезависимой памяти, на основе которых можно создавать чипы нового поколения. Такие устройства, обрабатывающие и складирующие информацию, как это делает мозг, станут в перспективе также основой создания настоящего искусственного интеллекта.
Специалисты из Королевского технологического института в Мельбурне разработали новый вид мемристоров, на базе которых создали тонкопленочные устройства сверхскоростной аналоговой памяти. Ячейки такой памяти могут принимать очень большое количество значений, а чипы на базе технологии способны одновременно обрабатывать и сохранять многочисленные независимые потоки данных так, как это делает мозг человека.
В состав новых мемристоров входят аморфный титанат стронция, в структуру которого искусственно введены определенные дефекты на основе частичек окисных соединений других металлов. Благодаря этому удалось расширить диапазон сопротивления устройства, а соответственно — увеличить количество состояний, в которых может находиться ячейка памяти. По словам возглавившего проект Хуссейна Нили, таким образом технология позволяет обрабатывать информацию именно так, как это делают нейроны головного мозга. Благодаря внесенным дефектам, поведение мемристора зависит не только от текущего состояния, но и от его прошлых состояний, то есть учитывается полученный ранее опыт. Разработчики уверены, что технология станет основой носителей нового поколения, на которые можно будет полностью переписать сознание человека.
Живые "диски"
Самую оригинальную на сегодня идею хранения информации предложили ученые из Калифорнийского университета в Беркли: они доказали, что в качестве мемристоров можно использовать обычных слизевиков. Эти древние простейшие организмы, обитающие на планете несколько миллиардов лет, способны объединяться в слизеподобную многоядерную субстанцию и создавать огромные информационные базы.
Пропуская через слизевика электрический ток разного напряжения, исследователи обнаружили, что его пищевые отростки меняли свое сопротивление, то есть демонстрировали свойства биологического мемристора.
Помещенные в процессе эксперимента в лабиринт слизевики доказали, что обладают чем-то вроде примитивного интеллекта, который позволяет им находить оптимальный путь к источнику пищи. Кроме того, они способны выстраиваться в наиболее эффективную заданную структуру. Например, слизевиков заставили расположиться так, что они составили дорожные карты разных стран мира. Сейчас наряду с созданием биологических хранилищ информации ученые используют принципы самоорганизации слизевиков для разработки новых принципов построения компьютерных схем.
