Powrót fizycznych nośników? Chińscy naukowcy opracowują super dysk optyczny, o pamięci liczonej w petabajtach

Chiński zespół badawczy dokonał przełomu w badaniach nad trójwymiarową optyczną pamięcią masową. Ruan Hao badacz z Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics opowiada o wynikach badań. Zdjęcie: thepaper.cn

Pamięć masowa jest ściśle związana z ludzką cywilizacją, nawet nasz mózg jest pewnego rodzaju pamięcią masową. Teraz w erze sztucznej inteligencji pamięć masowa jest potrzebniejsza niż kiedykolwiek indziej. Maksymalna pojemność tradycyjnych komercyjnie sprzedawanych dysków optycznych wynosi około kilkuset gigabajtów, a chiński zespół badawczy zaprezentował pierwszy na świecie nośnik o pojemności jednego petabajta. 1 petabajt odpowiada tysiącu terabajtom, czyli milionowi gigabajtów. Zmniejszają się nie tylko liczby, bo standardowe szafy danych w przyszłości zamienią się w tylko jeden dysk optyczny.

Budowa Dysku.

Zespół badaczy z Szanghajskiego Instytutu Optyki i Maszyn Precyzyjnych, Szanghajskiego Instytutu Technologii i innych jednostek badawczych, jako pierwszy na świecie stworzył technologię optycznej pamięci masowej z podwójną wiązką stymulowanej luminescencji OSL, informacje zapisywane były na stuwarstwowym dysku, którego zagłębienia miały rozmiar 54 nanometrów, a odstępy między nimi 70 nanometrów, daje to ponad petabajt danych. Przełom w kluczowej technologii przechowywania danych to wielkie osiągnięcie dla Chin. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Nature 22 lutego.

Dane porozsiewane są na świecie jak diamenty, które codziennie wydobywasz.

Ruan Hao, jeden z autorów artykułu i badacz z Szanghajskiego Instytutu Optyki i Maszyn Precyzyjnych, powołując się na badania naukowe, powiedział: „Ilość danych rośnie coraz szybciej. Przewiduje się, że w przyszłym roku świat wygeneruje 175 zettabajtów danych, a 1 zettabajt odpowiada milionowi petabajtów”. Dane z badań naukowych i dane finansowe są martwe i prawie nikt z nich nie korzysta. 80% danych jest martwych, a ciągle wymagaja taniego przechowywania. Ruan Hao powiedział, że obecnie używane technologie przechowywania danych to głównie pamięć magnetyczna, pamięć optyczna i pamięć półprzewodnikowa. Pamięć półprzewodnikowa świetnie nadaje się do przechowywania często używanych danych, ale jest kosztowna, co nie opłaca się w przypadku danych martwych. Z drugiej strony, technologia optycznego przechowywania danych ma wyjątkowe zalety, jest ekologiczna i energooszczędna, bezpieczna i niezawodna, a jej żywotność wynosi 50-100 lat, co jest idealne do długiego i taniego przechowywania ogromnych ilości danych. Niestety ze względu na dyfrakcję, odstępy między zagłębieniami na dysku nie mogą być dalej zmniejszane, co powoduje, że maksymalna pojemność tradycyjnych dysków optycznych wynosi tylko kilkaset gigabajtów. Ruan Hao powiedział: „W erze CD i DVD dyski optyczne były gorącym tematem, ale przez dziesięciolecia stały się przeżytkiem, głównie dlatego, że nie można przeskoczyć bariery dyfrakcji”.

Spośród 125 najbardziej przełomowych zagadnień naukowych na świecie opublikowanych przez czasopismo Science w roku 2021, przełamanie ograniczenia dyfrakcyjnego znajduje się na szczycie listy w dziedzinie fizyki. W obecnych czasach, w których ilość informacji stale rośnie, przełamanie bariery dyfrakcji, zmniejszenie rozmiaru zagłębień informacyjnych i zwiększenie pojemności pojedynczego dysku stało się celem numer jeden dla udoskonalenia optycznej pamięci masowej.

W 1994 roku niemiecki naukowiec profesor Stefan W. Hell, zaproponował technologię mikroskopijnego wymuszonego wygaszania emisji STED, która po raz pierwszy w dziedzinie obrazowania dowiodła, że można przełamać granicę dyfrakcji. Za swój wkład w naukę w 2014 roku został nagrodzony Noblem w dziedzinie chemii. Po ponad 20 latach rozwoju technologia ta została zaimplementowana między innymi w mikroobrazowaniu i mikroskopach fluorescencyjnych.

Jednak tradycyjne markery są bardzo podatne na wygaszanie fluorescencji, co równoznaczne jest z utratą informacji. Problemem są również szumy obecne w mikroskali, co prowadzi do trudności w odczytywaniu informacji i zwykle polega na odczycie skanu mikroskopem elektronowym, co ogranicza zastosowanie technologii w dziedzinie przechowywania danych. W związku z tym próby implementacji technologi STED i trójwymiarowego przechowywania danych w nośniach o długiej żywotności trwają od ponad 10 lat.

Gan Fuxi, Zhao Miao i Ruan Hao.

W latach osiemdziesiątych naukowiec z Szanghajskiego Instytutu Optyki i Maszyn Precyzyjnych Gan Fuxi był pionierem chińskich badań nad technologią pamięci optycznej, a jego zespół badawczy jako pierwszy zajmował się dziedziną optycznej pamięci masowej. Współtwórca artykułu Doktor Habilitowany Zhao Miao z Szanghajskiego Instytutu Optyki i Maszyn Precyzyjnych, który ukończył studia magisterskie i doktoranckie na Szanghajskim Instytucie Optyki i Maszyn Precyzyjnych, postawił sobie cel, aby rozwiązać ten problem: „Myślę, że jeśli mi się uda, to będzie to ogromny przełom”.

Na pierwszym planie zdjęcia znajdują się Panowie Hao Ruan i Zhao Miao. Zdjęcie: thepaper.cn

Z tego powodu jego mentor Ruan Hao wyposażył Zhao Miao w think tank, aby podłożyć fundamenty dla jego pracy. Zhao Miao jest niezykle zdeterminowany i ciągle się uczy. Po niecałych czterech latach badań nadal nic nie miał i ciągle sobie powtarzał: „Teraz spróbuję tak, koniec z tamtym. Po prostu zrobię to tak, a jeśli to nie uda, to oddaje fartuch”. Wyrażenie „Oddaje fartuch” nie było rzucane na wiatr, bo gdyby Chińczyk nie odkrył niczego znaczącego, to nie mógłby nawet uzyskać tytułu magistra. Podstawiony pod ścianę ciągle nalegał na kolejne badania i przeprowadzał eksperymenty nawet przez całą dobę. W oparciu o technologię podwójnej wiązki stymulowanej luminescencji OSL zespół badawczy w końcu przełamał barierę dyfrakcji zarówno w zapisie, jak i odczycie informacji. Stworzył nośnik o pojemności 1,6 petabajta na stuwarstwowym dysku, którego zagłębienia miały rozmiar 54 nanometrów, a odstępy między nimi 70 nanometrów.

Zdjęcie dysku. Zdjęcie: thepaper.cn

Jest to pierwszy na świecie przypadek osiągnięcia pamięci masowej o ultradużej pojemności liczonej w petabajtach. Ruan Hao powiedział, że: „Stworzony przez nas dysk jest całkowicie przezroczysty, dzięki czemu może wykorzystywać światło do trójwymiarowego przechowywania danych. Okazuje się, że możemy zmniejszyć ogromne bazy danych do rozmiaru płyty CD”.

Przyszłość technologii.

Wyniki badań pomagają Chinom rozwijać się w dziedzinie przechowywania danych, odegrają znaczącą rolę w zagospodarowywaniu dużych zbiorów danych. Recenzenci artykułu skomentowali, że wyniki badań mogą doprowadzić do przełomu w przechowywaniu danych, rozwiązując obecne problemy techniczne związane z tanim przechowywaniem danych o dużej pojemności. Ruan Hao powiedział, że: „Chociaż nasza publikacja pomyślnie przeszła proces weryfikacji, to przed nami jeszcze długa droga do użycia technologii na masową skalę. Przedsięwzięcie nadal wymaga dużych nakładów finansowych i usprawnień. Urządzenie do odczytu musi być mniejsze, prędkość odczytu musi być większa, a materiały ulepszone. W przyszłości nasza grupa badawcza liczy na kolejne innowacje i przełomy technologiczne, aby promować nową technologię pamięci optycznej oraz rozszerzyć jej zastosowanie na dziedziny takie jak mikroskopia i optyczne przetwarzanie informacji”.