DNA,激光蚀刻玻璃及其他:展望数据存储的未来


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数据存储在DNA合成聚合物中| 5D记忆水晶
5D记忆水晶

对于我们大多数人来说,数据存储变得越来越容易。如今,我们不再纠缠于存储空间有限,软盘以及可擦写CD或DVD的计算机硬盘驱动器,而是将“ save”保存在我们正在处理的任何文件上,然后将其拂到云端。这对数据存储没有任何限制,这不仅意味着我们不会用完空间,而且无论走到哪里,我们都可以访问文件。不去爱的种种?

好吧,事实证明,有一点点。一方面,我们的存储空间不足。从字面上看。当前有37亿人每天使用Internet生成大约2.5兆字节的数据,因此需要越来越多的数据中心来满足需求。到2025年,世界有望每年产生160 ZB的数据。那比在可观测的宇宙中有星星还要多。如果没有数据中心覆盖每平方英寸的土地,我们将无法跟上这种增长的步伐。这意味着丢弃可能无价的数据-在某些情况下,我们必须先知道它是否确实是有价值的。

数据公司Catalog的营销副总裁Nick Gold对Digital Trends表示:“如果您查看运行大型强子对撞机的 CERN之类的大型机构,它将每秒在机器运行时生成PB级数据。” “但是无法每秒存储PB,因此它们必须丢弃所生成数据的90%以上。如果有保留的办法,他们很乐意保留所有这些。”

工作中还有一个环境因素。 根据一份报告 ,由技术引起的总碳足迹的17%来自数据中心。当前的单个数据中心可以比中型城镇消耗更多的电力。尽管像Apple这样的公司已采取措施通过采用更多可持续能源来弥补这一问题 ,但仍有理由寻求更好的替代方法。

幸运的是,这正是世界上一些聪明的研究人员正在从事的工作。他们正忙着做梦(并且同样重要的是展示)一些令人印象深刻的下一代存储技术,这些技术可以在未来几年内解决全球数据问题。一劳永逸。

欢迎来到DNA存储世界

将数据存储在DNA中的想法听起来很未来主义。在某些方面,情况恰恰相反。在计算机出现很长时间之前(连同发明人类所需的人类一起),自然界就想出了如何以DNA形式存储大量信息的方法,DNA是我们所知道的生命的组成部分。现在,一些研究人员正在拥抱创建人工基因序列的想法,该序列使用DNA的四个碱基对(A,C,G和T)来表示信息的二进制位。

几年前,斯洛文尼亚卢布尔雅那大学的研究人员证明,可以将计算机代码片段编码到烟草植物的DNA中。他们创建了一个简单的计算机程序,然后将其拼接成烟草植物的基因组成。从本质上讲,仍在计算机程序内部将其克隆。提取植物的DNA并进行测序,结果在计算机屏幕上弹出“ Hello World”消息。

从那时起,哈佛大学的一个团队使用CRISPR基因编辑技术以细菌DNA的形式存储视频 。与我们今天大多数人观看的高分辨率视频相比,该视频更类似于低分辨率GIF,尽管如此,它还是取得了重大进步。 “我们想测试细菌中的CRISPR-Cas系统是否可用于捕获活细菌中具有时间成分的复杂信息,”负责这项实验的哈佛大学神经科学家塞斯·希普曼(Seth Shipman)当时对《数字趋势》表示。

在2017年,希普曼告诉我,这项工作没有立即的实际应用。他补充说:“但希望在不久的将来。”

那个“近地平线”可能是现在。在过去的几年中,先锋公司Catalog一直致力于将DNA存储商业化。他们的建议是,很快就可以在一个大衣橱大小的空间中存储整个世界的数据。这要归功于他们将数据编码为合成聚合物 (而不是像植物这样的生物)的方法。今年夏天,这家初创公司宣布已设法将所有16 GB的英语维基百科压缩成这种材料的小瓶。

这也不是唯一使它令人兴奋的事情。 Catalog通讯总监CJ Huntzinger表示:“简单地存储数据并不一定是我们能做的所有事情。” “甚至不一定是整个平台中最吸引人的部分。我们看到了更多的计算机会,而不仅仅是能够将数据存储在很小的体积中的事物,还可以为人类带来更大的价值。”

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这包括在筛选基于DNA的数据的能力方面的突破。 “当我们将信息输入到这些DNA分子中时,我们已经建立了一种理论框架,来研究如何操纵这些分子来进行基本计算,从而形成复杂的功能,” Huntzinger继续说道。 “在不久的将来,我们的目标是拥有一个通用的计算系统,在该系统中,我们可以将任何类型的布尔逻辑和函数转换为一组分子指令-因此我们不必将信息从DNA分子中提取到数字介质中在我们对它们进行计算之前。”

随着这项技术的不断发展,它不仅在存储方面提供了巨大的潜力,而且还能够跨PB级(十亿亿字节)甚至是EB级(一亿亿字节)的数据执行模式识别。

存储变冷

英国曼彻斯特大学( 全能奇迹材料石墨烯背后的同一所大学)的研究人员还开发了一些令人印象深刻的下一代存储技术。他们创造了一种分子,该分子有一天可以比当前硬盘小得多的外形存储数百倍的数据 。陷阱:它必须保持极高的冷度才能正常运行。但是,尽管数据中心需要使用过冷技术才能使用,但它们也将能够大大减少其占用空间。运行更便宜,更节能,对环境的破坏更少。

曼彻斯特大学化学系资深讲师兼皇家学会大学研究学者Nicholas Chilton博士对“数字趋势”说:“我们对制造可以存储磁性信息的分子感兴趣。”如果这行之有效的话,这可能会导致一项非常有用的技术,因为分子非常非常小。远远小于用于存储信息的现有磁性材料。使用单分子磁体,我们可以潜在地制造密度比当前技术(如HDD和SSD)高100倍的数据存储介质,而HDD和SSD则面临着数据密度方面的局限性。”

由于单分子磁体能够在磁场关闭后的较长时间内记住施加磁场的方向,因此可以对其进行“写入”。 2017年,Chilton和曼彻斯特同事David Mills博士制备并研究了第一个“ dy碳ce”分子 :夹在两个五元碳环之间的a离子。从那以后, 大学的 另外两个 小组根据Chilton和Mills的设计,通过准备其他基分子来建立这项工作。本月,他们发表了一篇描述这项工作的新论文

“最近的结果发表在《科学》杂志上  Chilton解释说,显示出高达80开氏温度的磁存储器,这是一个重要的里程碑,因为它高于液氮的温度-液氮是一种便宜而丰富的资源,与液氦不同。 “但是,这并不意味着在液氮温度下的数据存储在分子中是可行的。数据以80 K可以存储的时间长度约为秒,对于实际应用,我们需要以年为单位。”

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在这项研究的前沿,Chilton和Mills正在尝试用环中的碳代替重元素磷。虽然他们的第一个结果不是比全碳环更好,但他们俩希望这项研究将提供有关如何开发优质分子磁体的见识。

仍然存在要解决的瓶颈,例如如何在不影响其性能的情况下将这些磁性分子放置在表面上,以及如何保护每个分子中的内存不与其邻居相互作用。尽管如此,尽管Chilton承认在商业上可行之前还有很长的路要走,但这些令人振奋的发展值得读者注意。

准备好进行5D光学存储

当然,如果超级冷藏不足以让您兴奋不已,那么通过使用激光将TB级数据雕刻到细小的玻璃盘中来彻底改变数据存储的可能性又如何呢?那是英国南安普敦大学研究人员的使命宣言。为了开发可能存活数十亿年的数字数据存储,他们创建了依赖飞秒激光写入的记录和检索过程。

南安普敦光电研究中心教授彼得·卡赞斯基博士(Peter Kazansky博士)对“数字趋势”表示:“我们正在开发主要用于归档和冷存储(例如,用于数据中心和云)的大量数据的数据存储技术。” “我们的目标之一是替换目前用于此类应用的磁带。我们的技术的优势在于极高的耐用性,因为我们使用石英玻璃作为存储介质,它可以在火灾或太阳耀斑等灾难中幸存下来,这可能对数据中心有害。另一个优势是我们为数据存储使用了额外的自由度,这有助于增加容量。”

该存储解决方案被描述为五维的。信息被编码为多层,包括通常的三个维度。但是,它也按照压印结构的方向和大小进行编码-从而为数据存储提供了五个自由度。该存储允许每个磁盘上数百TB的数据容量。它还具有高达华氏1800度的热稳定性。与仅持续十年左右的磁带的脆弱性相比,相比之下,这种方法似乎是坚不可摧的。

南安普敦大学的工作引起了微软的兴趣。这项名为Project Silica的计划旨在利用玻璃中的5D光学存储技术,以实现有史以来为媒体设计和构建的首个存储技术。 “当前的主要瓶颈是书写速度的提高,”卡赞斯基承认。

哪一个最重要?

目前,这三种方法都处于未来的各个阶段。每个人都有其独特的时间表,挑战以及潜在的利益和原因。

众所周知,我们最终会看到哪些因素塑造数据存储的未来?很难确定。在当今的存储方法取代3½软盘之前,还有许多工作要做。在概念上被无限多的科幻小说所取代。但是事情发展很快。

坦率地说,无论采用哪种迷人的方法,真正的赢家都是那些使用该技术的人。因此,永远不必再删除任何东西。

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