Человечество продолжает создавать все больше информации. Физический мир постепенно оцифровывается, и этот гигантский массив данных требуется где-то хранить. А значит, существует растущая потребность в системах хранения для накопленной информации.

В этом посте рассмотрим перспективные технологии, которые будут помогать сохранять информацию в ближайшем будущем. 

Сверхбыстрая запись: память на базе ортоферрита тулия

В 2016 году в журнале Nature опубликовали итоги совместных опытов российских и европейских ученых. Им удалось создать сверхбыстрый оптический аналог жесткого диска, который тратит ничтожное количество энергии на чтение и запись данных.

В основе устройства лежит свойство некоторых соединений редкоземельных металлов менять намагниченность при обстреле особыми пучками терагерцового излучения. 

Терагерцовое излучение или Т-лучи — электромагнитное излучение, спектр частот которого расположен между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами с длиной волны от 1 до 0,1 мм. Т-лучи легко проходят сквозь большинство диэлектриков, но хорошо отражаются проводящими материалами, например, металлами, и поглощаются многими жидкостями, в том числе водой. 

Ученые выяснили, что Т-лучи воздействуют на состояние спинов гораздо быстрее, чем это делают магнитные поля, и действуют на них примерно в десять раз сильнее. Обнаружив этот эффект, физики решили проверить, до каких пределов можно «разогнать» память или диски, основанные на его базе, и подобрать оптимальный материал для их создания и методику подготовки импульсов терагерцового излучения.

Как обнаружили ученые, силу действия Т-лучей можно заметно повысить, если использовать антиферромагнетик ортоферрит тулия TmFeO3, поверхность которого покрыта особыми наноантеннами из золота. Это снизило потери энергии до минимально возможных и позволило ученым установить новый рекорд по скорости переключения спинов — три пикосекунды.

Как показали эксперименты с реальным прототипом подобной оптическо-магнитной памяти, для переключения спина достаточно всего одного фотона терагерцового излучения, что делает подобную память почти бесплатной с точки зрения энергозатрат.

Несмотря на перспективы, накопители на базе ортоферрита туллия пока не выпускаются.

Спин-кроссоверные молекулы

Развитие технологий магнитного хранения привело к тому, что размеры минимального магнитного элемента для одного бита информации практически достигли фундаментального предела молекулярной и квантовой механики. Для обхода этого ограничения ученые разрабатывают новые подходы, один из которых заключается в использовании спин-кроссоверных молекул (spin-crossover molecules) в качестве элемента хранения данных. 

Такие молекулы могут хранить информацию в своем магнитном состоянии, но для этого их нужно разместить на специальной поверхности. Добиться такого результата удалось в 2017 году коллективу исследователей Университета г. Киль (Kiel University) из Германии. В ходе экспериментов они использовали взаимодействие между соседними молекулами, хотя раньше оно рассматривалось как помеха в процессе записи.

Примечательно, что переход на спин-кроссоверные молекулы в качестве единиц хранения позволяет реализовать не только двоичный, но и троичный код, поскольку молекула может находиться в трех возможных состояниях. Это открывает новые возможности для повышения быстродействия систем памяти, и возникает теоретическая возможность повысить емкость обычных накопителей на жестких дисках в тысячу и более раз.

Нанокристаллы соли

В 2018 году австралийские ученые выяснили, что крошечные нанокристаллы соли BaFCl могут служить хранилищем данных со световым кодированием. Эксперименты показали, что нанокристаллы соли обладают свето-эмитирующими свойствами, которыми можно управлять при помощи лазера. Это позволяет записывать и извлекать информацию, поскольку лазер изменяет электронные состояния кристалла и его флуоресцентные свойства. 

Плотность записи на таком носителе может быть на 1-2 порядка больше, чем на HDD, SSD и BD. Кроме того, в отличие от других оптических форматов, такой носитель можно перезаписывать.

Технология позволяет осуществлять многоуровневую запись нескольких битов на один кристалл, причем могут быть использованы очень маломощные лазеры.

Одной из многообещающих перспектив технологии является также возможность разработки трехмерной среды носителя данных (3D data storage). Трехмерное оптическое хранение данных потенциально может позволить хранить около петабайта в компактном кубике. Для сравнения, считается, что человеческий мозг может хранить около 2,5 петабайт. 

К сожалению, и эта разработка пока не достигла стадии практической реализации. 

Сверхплотные одноатомные хранилища на базе гольмия

В 2017 году исследователи из Швейцарии смогли добиться плотности записи данных на накопитель в один атом и при этом сохранить атомы в достаточно стабильном состоянии, чтобы информация не терялась. 

Накопители, основанные на одноатомных магнитах, состоят из одиночных атомов, адсорбированных на поверхности, причем каждый атом может хранить бит информации. Для записи и считывания этой информации применяется квантовый механизм. Атомы достаточно малы, чтобы их можно было упаковать в хранилище очень большой плотности по сравнению с использующимися сегодня технологиями.

Успешно реализовать одноатомный накопитель мешает остаточная намагниченность, под влиянием которой атомы меняют свое магнитное состояние при изменении температуры или в зоне действия постороннего магнитного поля. Это приводит к потере данных, записанных в атоме. Ученые из EPFL сумели подобрали материалы, обеспечивающие стабильность хранения.

Необходимые свойства обнаружились у атомов гольмия (Ho, 67 элемент таблицы Менделеева), которые в комбинации со вспомогательными атомами кобальта размещались на подложке из оксида магния. Полученный накопитель нагревали и подвергали воздействию сильного магнитного поля, одновременно наблюдая, не меняют ли атомы состояние.

Выяснилось, что атомы гольмия остаются в стабильном намагниченном состоянии при воздействии постороннего поля силой до 8 тесла. Магниты примерно такой силы используюется, например, в Большом адронном коллайдере. Коэрцитивность атомов гольмия, то есть их способность сохранять неизменным собственное магнитное поле под воздействием внешнего поля, авторы исследования назвали «рекордной».

При этом атомы гольмия можно нагревать до 35 кельвинов, то есть −233,15 оС, без риска потерять информацию. При дальнейшем нагреве до 45 кельвинов атомы гольмия поддаются воздействию внешнего магнитного поля, и данные теряются. Напомним, что использование квантового механизма чтения и записи требует очень низких температур.

До практического применения памяти на базе гольмия еще далеко. Как минимум, для этого придется решить «трилемму» магнитной записи данных, которая состоит из проблем стабильности, записи и подавления шумов.

Кварцевые носители и кварцевое стекло

Впервые о создании рабочей технологии записи данных на кварц объявили в 2013 году. В кварцевых кристаллах памяти информация записывается с пятью характеристиками, среди которых координаты в трех измерениях, ориентация и объём. Для контроля ориентации и объёма создатели технологии воспользовались поляризацией и интенсивностью лазера.

Практическим результатом экспериментов стала запись 300-килобайтного текстового файла на кварцевый накопитель, выполненная в 2013 году. Для этого использовали фемтосекундный лазер с длиной волны 1030 нм, импульсами по 8 микроджоулей продолжительностью 280 фемтосекунд с частотой 200 кГц. С его помощью внутри кристалла выжигали расположенные слоями точки, расстояние между которыми составляло 5 мкм.

Такие точки меняют поляризацию проходящего через кварц света, и эту информацию можно считать с помощью оптического микроскопа и поляризатора. С момента создания технологии на кварцевые диски записали Всеобщую декларацию прав человека, Ньютоновскую оптику, Великую хартию вольностей и Библию.

Разработчики заявляют, что их технология идеально подходит для организаций, которым нужно долго хранить в неизменном виде большие объемы данных, например, для музеев и библиотек.

Теоретически срок хранения информации на таком диске не ограничен, если диск не царапается или не получает повреждения. 

Похожую технологию представили Microsoft и Warner Bros, эксперты которой научились записывать видео на кварцевое стекло размером 75×75 мм и толщиной 2 мм. Как и кристаллы кварца, кварцевое стекло ориентировано на хранение данных в течение миллионов лет, а не на использование в домашних видеотеках. 

В отличие от других перспективных технологий в этом посте кварцевое стекло вполне пригодно для практического использования. С его помощью Microsoft и Warner Bros. увековечили оригинальную картину «Супермен» 1978 года, «запечатав» в кварцевом стекле 75,6 Гб данных. 

Технология хранения в кварцевом стекле использует сверхбыструю лазерную оптику и машинное обучение для записи и хранения. Лазер создает объемные слои деформаций кварца на разной глубине и под разными углами. Машинное обучение помогает корректно считать записанные данные, декодируя их.

Разработка востребована не только Warner Bros., но и другими компаниями, которые занимаются  производством видеоконтента. В отличие от цифровых и пленочных копий, в которых сейчас хранятся фильмы, кварцевое стекло значительно надежнее, поскольку теоретически позволяет хранить данные в течение сотен миллионов лет.

Квантовые накопители

В начале 2015 года стало известно, что учёные Австралийского национального университета (ANU) и Университета Онтаго (University of Otago) создали устройство, способное хранить квантовую информацию в течение шести часов.

С помощью лазера команда устанавливала тот или иной спин ядер редкоземельного элемента европия, встроенного в кристаллы ортосиликата иттрия. После этого кристаллы охлаждали до температуры -271°C и окружали комбинацией из фиксированного и колеблющегося магнитного поля. Эти два поля изолировали спины ядер европия и предотвращали утечку информации. 

Получившееся устройство представляет собой первый прототип оптического накопителя для частиц, находящихся в состоянии квантовой запутанности. В перспективе его можно будет перенести в другое место, подключить к новой изолированной сети и продолжить передачу сигнала, зашифрованного в спине ядер.

Разумеется, перспективы практического применения квантовой флешки довольно туманны, поскольку она работает при температурах, близких к абсолютному нулю. Кроме того, ученые сообщают, что реальное время хранения квантовой информации требует более тщательной проверки. 

ДНК как хранилище информации

ДНК представляет собой последовательность четырех нуклеотидов: аденина, гуанина, тимина, цитозина.

Для кодирования информации каждому из них приписывают цифру-код. Например, тимин — 0, гуанин — 1, аденин — 2, цитозин — 3. Таким образом, информация при записи в ДНК хранится не в двоичной, а в четверичной системе счисления. 

Для сохранения информации все буквы, цифры и изображения переводят в двоичный код, то есть последовательность нулей и единиц, а затем — в последовательность нуклеотидов, то есть четверичный код.

Считывать ДНК можно по-разному. Самая распространенная методика — копирование цепочки молекул ДНК с помощью оснований, у каждого из которых есть цветовая метка. Затем очень чувствительный детектор считывает данные, и по цветам компьютер восстанавливает последовательность нуклеотидов.

Запись информации в ДНК производится при помощи технологии CRISPR-Cas9, которую также называют генетическими ножницами. В 2020 году эта технология была удостоена Нобелевской премии по химии.

Прежде для записи информации требовалось специальное оборудование, и это был долгий процесс. Однако группа ученых из Колумбийского университета сумела его автоматизировать. 

По ускоренной процедуре двоичный код компьютерной программы преобразуют в электрические импульсы, которые посылают в клетку. На поверхности клетки есть рецепторы, которые воспринимают эти сигналы и переводят их на язык ДНК, автоматически выстраивая нужную последовательность генома.

В результате к цепочке ДНК добавляется так называемый прицеп, или дополнительный фрагмент. В отличие от цифровой компьютерной информации, он представляет собой набор букв генетического кода, то есть аналоговый шифр, поэтому ученый сравнивает этот отрезок с магнитной лентой.

В результате экспериментов с новой технологией получилось закодировать и прочитать 2,14 МБ информации. Итоговая плотность записи составила 215 млн Гб на один грамм нуклеиновой кислоты.

В марте 2017 года в журнале Science вышла статья американских ученых, которым удалось записать 2×1017 байт на один грамм ДНК и не потерять ни одного байта. 

К несомненным преимуществам записи информации на ДНК относится огромная плотность хранения данных, а также стабильность носителя — правда, лишь при низких температурах.

Несмотря на все преимущества, технология записи информации на ДНК находится на начальном этапе своего развития. Синтез ДНК остаётся дорогим удовольствием: стоимость мегабайта данных на ДНК-«флешке» составляет около 3,5 тыс. долларов США.

Швейцарские ученые из EPFL пошли дальше. Они предложили использовать для хранения нитей ДНК нанопоры, созданные бактериями в живых клетках при помощи токсина аэрозилина. Такие нанопоры могут использоваться для записи и декодирования информации в цифровом виде.

Для считывания информации из нанопор используются полимеры с достаточной скоростью прохождения, а для декодирования информации из полимеров — машинное обучение. Такая система гораздо дешевле, чем использование нитей ДНК в чистом виде.

Эта технология все еще слишком сложная, поэтому пока не подходит для применения в реальной жизни.

Сверхнизкотемпературные одноатомные хранилища используют атомы хлора на медной подложке

В 2016 году специалисты из Нидерландов разработали хранилище, способное хранить информацию на уровне атомов. Устройство позволяет читать, перезаписывать и стирать информацию. Каждый атом в хранилище содержит один бит.

Технология имеет очень высокую плотность записи — около 500 Тб на квадратный дюйм (6.5 см2). Для понимания масштаба представьте, что в такое хранилище в форме куба с длиной стороны в 0,1 мм можно записать все книги библиотеки Конгресса США. Ученые уже продемонстрировали прототип рабочего устройства с емкостью в 1 КБ.

Ячейку памяти устройства представляет собой массив прямоугольных блоков 12×12. Каждый блок содержит атомы хлора, расположенные на медной подложке. Блоки заполнены не полностью, между атомами хлора есть пустые места. Комбинация этих пустых мест и атомов позволяет записывать данные в двоичном коде. Атомы и пустые места можно менять местами примерно так, как это делается в «пятнашках». Таким образом, записанную информацию можно менять или вовсе стирать.

Память такого типа состоит из блоков емкостью 8 байт. Каждый блок помечается собственным маркером, который позволяет идентифицировать расположение блока на медной подложке. Изменения в расположении фиксируются. Таким образом, память такого типа может быть прочитана и перезаписана в автоматическом режиме при помощи маркеров размером с атом.

У такого метода записи информации есть несколько преимуществ. Одно из них — возможность использования жидкого азота вместо жидкого гелия. В этом случае работать можно с температурой не -210°C, а -196°C. Таким образом, затраты на поддержание температуры жидкого азота несколько ниже, чем затраты на поддержание температуры жидкого гелия. Второе преимущество — высокая надежность записи данных (в сравнении с другими схожими методами). Здесь этот показатель достигает 99%.

Для считывания данных требуется мощный туннельный сканирующий электронный микроскоп. Система получает «картинку», которая анализируется и переводится в «цифру». Компьютер показывает, что именно записано в массиве атомов хлора. Если нужно перезаписать данные, дается специальная команда, и через 10 минут структура блоков и атомов меняется, после чего данные можно считать записанными.

Пока что предложенная технология далека от возможности коммерческого использования, поскольку работа с жидким азотом, необходимым для работы накопителя, довольно затратна как с точки зрения техники, так и с точки зрения финансов.
И, разумеется, 10 минут на один цикл чтения или записи данных пока не оправдывают гигантскую емкость, которую обеспечивает технология. Разработчики метода заявляют, что процесс можно ускорить до 1 мегабита в секунду, но с учетом емкости накопителя это тоже чрезвычайно медленно. 

Заключение

Перспективные технологии хранения информации на сегодняшний день все еще далеки от промышленной реализации. А значит, стоит обратить внимание на более приземленные, но зато доступные способы увеличения емкости хранилищ информации, уже предлагаемые производителями. 

Несмотря на быстрый прогресс твердотельных устройств хранения информации, традиционные магнитные накопители всё ещё актуальны и также продолжают развиваться. Современные HDD уже достигли емкости в 100 Тб, и производители обещают, что в течение пяти лет эта емкость удвоится. При этом накопители на жестких магнитных дисках все еще лидируют по стоимости гигабайта дискового пространства и, скорее всего, сохранят лидерство в течение ближайшего десятилетия. 

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

— 15% на все тарифы VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.