Як можна зберегти трильйони гігабайт

Вчені підрахували, що кожен день людство виробляє два з половиною екзабайта даних — це 2500 млрд гігабайт. Згідно з прогнозом агентства IDC вже через чотири роки обсяг накопичених даних досягне 40 000 ексабайт. Це 40 трлн гігабайт, для яких поки немає відповідного носія: традиційні диски мають обмежені ємність та термін служби. Щоб не втратити цінну інформацію, світові наукові лабораторії та IT-корпорації шукають принципово нові шляхи обробки та зберігання даних.

Дерево знань

Вчені з Університетського медичного центру в Словенії розробили спосіб запису даних на найдавніший носій інформації — ДНК. Науковий співробітник цього центру Карін Любич Фістер запропонувала зберігати інформацію у вигляді двійкового коду в ДНК рослин. Раніше вчені з Вищої технічної школи Цюріха підрахували, що на невеликій ділянці подвійної спіралі ДНК можна зберегти 300 тис. терабайт даних. А відповідно, згадані 40 трлн гігабайт, які людство створить до 2020 р., вмістяться в менш ніж 100 м ДНК. Принципово важливо, що інформація на молекулі може зберігатися без змін і появи помилок протягом 2000 років. Для порівняння, сьогодні найкращий жорсткий диск здатний вміщати всього шість терабайт даних на термін до 50 років.

Записати дані на ДНК нескладно. Фістер каже, що треба просто перевести четырехбуквенный генетичний мову (А, Г, Ц і T) в двійковий код. Комп'ютерна програма — це по своїй суті послідовність нулів і одиниць. У випадку з ДНК відповідає 00, Ц — 10, Г — 01 і Т — 11. Ділянка синтетичної молекули з цифровим кодом збирається по буквах, а потім за допомогою бактерій впроваджується в рідну ДНК рослини.

У процесі експерименту вчені закодували повідомлення "Привіт, світ!" у насіння тютюну. Нові рослини, вирощені з насіння, містили модифіковану ДНК в кожній клітці. Для того щоб вважати інформацію, вчені витягували ДНК з рослин і прослідковували її за допомогою традиційних методів генетичного аналізу. Після того як дані перевели назад в двійкову систему, на екрані виникло повідомлення: "Привіт, світ!". Технологія стане основою "інтелектуальних" дерев і рослин, які будуть сховищами багатовікових знань. Вчені кажуть, що на одному ящику насіння можна зберегти всі існуючі зараз архіви.

Квантові технології

В якості надійних носіїв інформації вчені розглядають не тільки ДНК. Поки світові IT-лабораторії б'ються над створенням квантових комп'ютерів, інженери Австралійського національного університету і Університету Онтаго вже створили квантові диски. Аналогічні експерименти були і раніше, але всі квантові носії могли зберігати дані не більше частки секунди. Нове ж пристрій функціонує цілих шість годин.

У процесі складного експерименту фізики вбудували в кристали ортосиликата итрия спін ядер рідкоземельного елементу європію, після чого кристали охолоджували до температури -271 градус і оточували комбінацією з фіксованого і коливного магнітного поля.

За словами провідного автора експерименту Маньцзинь Чжун, ці два поля ізолювали спини ядер європію і запобігали витік інформації. По суті, пристрій являє собою перший прототип оптичного накопичувача для частинок, що знаходяться в стані квантової заплутаності. Чжун каже, що шість годин для даної технології аж ніяк не межа: її потенціал величезний. Це перший в світі успішний експеримент щодо створення квантового носія, який також дозволить розробити нові методики передачі квантової інформації.

"Світла пам'ять

Ще одна вельми перспективний сховище інформації — світло. Протягом багатьох років вчені намагаються створити фотонну пам'ять, але до недавнього часу безуспішно. Головна проблема в тому, що такі пристрої потребують постійного живлення. Цю задачу вдалося нещодавно вирішити міжнародній команді дослідників з США, Німеччини та Англії, які розробили перший енергонезалежний блок пам'яті, що повністю складається з фотонів.

Для цього використовували стеклообразный сплав німеччина, телуру та сурми, який застосовується в перезаписуваних CD - і DVD-дисках. Під дією електричних або оптичних імпульсів такий напівпровідник може змінювати свій стан, то тверднучи, то розм'якшуючись.

За словами провідного автора розробки Харіша Бхаскарана з Оксфордського університету, такі властивості сплаву дозволяють кодувати інформацію про його стан. Тобто, нагріваючи і охолоджуючи матеріал, кодуються "нуль" і "одиниця" класичного комп'ютерного бінарного коду. За допомогою світла можна не тільки записувати, але і зчитувати інформацію. А посилаючи промінь з різною довжиною хвилі, одночасно записувати і зчитувати. Причому по одному каналу за частки секунди надходять сотні світлових імпульсів з різною довжиною хвилі, що дозволяє миттєво обробляти тисячі біт інформації.

Крім того, світло різної інтенсивності змінює стан тільки частини сплаву, роблячи його водночас аморфною і кристалічною в різних пропорціях. Бхаскаран каже, що це дозволить замість бінарного коду використовувати до десяти і більше одиниць шифру, тобто в одному біті зберігати в кілька разів більше інформації, ніж сьогодні.

Мозок в допомогу

Великі надії вчені покладають і на мемристори — електронні прилади, які називають електронними нейронами головного мозку. Це, по суті, осередки енергонезалежній пам'яті, на основі яких можна створювати чіпи нового покоління. Такі пристрої, обробні та складирующие інформацію, як це робить мозок, стануть у перспективі також основою створення справжнього штучного інтелекту.

Фахівці з Королівського технологічного інституту в Мельбурні розробили новий вид мемристоров, на базі яких створили тонкоплівкові пристрою надшвидкісний аналогової пам'яті. Осередки такої пам'яті можуть приймати дуже велику кількість значень, а чіпи на базі технології здатні одночасно обробляти і зберігати численні незалежні потоки даних так, як це робить мозок людини.

До складу нових мемристоров входять аморфний титанат стронцію, в структуру якого штучно введені певні дефекти на основі частинок окисних сполук інших металів. Завдяки цьому вдалося розширити діапазон опору пристрою, а відповідно — збільшити кількість станів, у яких може перебувати комірка пам'яті. За словами очолив проект Хуссейна Нілі, таким чином, технологія дозволяє обробляти інформацію саме так, як це роблять нейрони головного мозку. Завдяки внесеним дефектів, поведінка мемристора залежить не тільки від поточного стану, але і від його минулих станів, тобто враховується отриманий раніше досвід. Розробники впевнені, що технологія стане основою носіїв нового покоління, на які можна буде повністю переписати свідомість людини.

Живі "диски"

Найоригінальнішу на сьогодні ідею зберігання інформації запропонували вчені з Каліфорнійського університету в Берклі: вони довели, що в якості мемристоров можна використовувати звичайних слизовиків. Ці стародавні найпростіші організми, що мешкають на планеті кілька мільярдів років, здатні об'єднуватися в слизеподобную многоядерную субстанцію і створювати величезні інформаційні бази.

Пропускаючи через слизевика електричний струм різної напруги, дослідники виявили, що його харчові відростки змінювали свій опір, тобто демонстрували властивості біологічного мемристора.

Поміщені в процесі експерименту в лабіринт слизовики довели, що володіють чимось на зразок примітивного інтелекту, який дозволяє їм знаходити оптимальний шлях до джерела їжі. Крім того, вони здатні вибудовуватися в найбільш ефективну задану структуру. Наприклад, слизовиків змусили розташуватися так, що вони склали дорожні карти різних країн світу. Зараз поряд зі створенням біологічних сховищ інформації вчені використовують принципи самоорганізації слизовиків для розробки нових принципів побудови комп'ютерних схем.