Während das Volumen der im digitalen Zeitalter erzeugten Daten exponentiell wächst, ist die sichere und energieeffiziente Speicherung dieser Informationen über Jahrhunderte hinweg zu einem kritischen Problem geworden. Von Magnetbändern über optische Disk-Systeme bis hin zu DNA-basierten Speicherkonzepten wurden viele Methoden diskutiert. Eine der einfachsten und widerstandsfähigsten Lösungen könnte jedoch darin bestehen, Daten direkt auf Glas zu gravieren.
Eines der konkretsten Ergebnisse der Forschung in diesem Bereich ist das System, das Microsoft „Project Silica“ nennt. In einer in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Studie gab das Unternehmen bekannt, einen funktionierenden Prototyp entwickelt zu haben, der Daten mit Gigabit-Dichte in kleine Glasplatten schreiben und daraus lesen kann.
Warum eignet sich Glas?
Obwohl Glas gemeinhin für seine Zerbrechlichkeit bekannt ist, repräsentiert es tatsächlich eine breite Materialfamilie. Glasarten mit der richtigen chemischen Zusammensetzung können laut Forschern thermisch und chemisch extrem stabil sowie resistent gegen Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen und elektromagnetische Störungen sein.
Das von Microsoft bevorzugte Borosilikatglas kann laut beschleunigten Alterungstests bei Raumtemperatur die Datenintegrität über mehr als 10.000 Jahre bewahren. Zudem verbraucht das System im Standby-Modus keinerlei Energie für die Datenspeicherung.
Datenschreiben mit Lasern
Das Funktionsprinzip von Silica basiert im Wesentlichen auf optischer Speicherung. Ähnlich wie bei DVDs, bei denen Filme mit Lasern in die Diskoberfläche eingraviert werden, wird auch hier die Glasoberfläche durch Femtosekunden-Laserpulse physisch verändert. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass die Daten nicht nur auf der Oberfläche, sondern im dreidimensionalen Volumen des Glases geschrieben werden.
Diese Laser erzeugen Pulse, die nur eine Billiardstel Sekunde dauern, können Millionen von Schüssen pro Sekunde abgeben und konzentrieren sich auf ein winziges Volumen des Glases, um eine hohe Datendichte zu ermöglichen.
Im Rahmen von Project Silica wurden zwei verschiedene Schreibtechniken entwickelt. Jede Dateneinheit wird als „Voxel“ bezeichnet, und diese Voxel werden dreidimensional in verschiedenen Schichten des Glases platziert.
Bei der ersten Methode werden durch Laserpulse ovale mikroskopische Hohlräume im Glas erzeugt, die durch einen zweiten polarisierten Laserpuls doppelbrechende Eigenschaften erhalten. Die Identität des Voxels wird durch die Ausrichtung dieser ovalen Struktur bestimmt. Da verschiedene Ausrichtungen unterschieden werden können, lassen sich in einem einzigen Voxel mehrere Datenbits speichern.
Bei der zweiten Methode wird die Energie des Laserpulses variiert, um die Stärke des Brechungseffekts anzupassen. Auch mit dieser Technik können mehrere Bits pro Voxel gespeichert werden, allerdings ist die Datendichte bei diesem Ansatz geringer.
Zum Auslesen der Daten nutzt das System ein Mikroskop, das Unterschiede im Brechungsindex erkennen kann. Diese Methode ist als Phasenkontrastmikroskopie bekannt. Die Glasplatte wird beim Schreiben mit bestimmten Abständen zwischen den Schichten bearbeitet, sodass das Mikroskop in jeder Fokus-Ebene nur eine einzige Voxelschicht sieht.
Ein automatisiertes System nutzt Referenzsymbole auf dem Glas, um sich an der richtigen Stelle zu positionieren, und sammelt Bilder, indem es die Fokus-Ebene langsam zwischen den Schichten wechselt.
Die Interpretation dieser Bilder erfolgt nicht mit klassischen Methoden, sondern durch Convolutional Neural Networks (CNNs). Das entwickelte KI-Modell analysiert Bilder in und nahe der Fokus-Ebene gemeinsam, um auch feine optische Effekte benachbarter Voxel zu berücksichtigen. Dies gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Datenanalyse.
Das Silica-System fügt dem rohen Datenstrom Fehlerkorrekturcodes hinzu, bevor es ihn schreibt. Die hier verwendete Methode ist der Low-Density-Parity-Check-Code (LDPC), der auch in 5G-Netzwerken bevorzugt wird. Anschließend werden die Bits zu Symbolen kombiniert, die die Multi-State-Kapazität der Voxel nutzen, und dieser Symbolstrom wird in das Glas eingraviert.
4,84 TB Glasplatte
Einer der beeindruckendsten Aspekte des Systems ist die Kapazität. Eine einzelne Glasplatte mit den Maßen 12 cm x 12 cm und 0,2 cm Dicke kann bei der dichtesten Methode bis zu 4,84 Terabyte an Daten speichern. Diese Menge entspricht etwa 2 Millionen gedruckten Büchern oder 5.000 Ultra-High-Definition-Filmen. Mit der alternativen Technik bleibt die Kapazität bei etwa 2 Terabyte, kann aber mit einfacherer optischer Hardware umgesetzt werden.
Die Schreibgeschwindigkeit ist derzeit noch der Flaschenhals des Systems. Microsoft hat eine Hardware entwickelt, die mit vier Lasern gleichzeitig schreiben kann, um Überhitzung zu vermeiden. Dieser Aufbau erreicht eine Schreibgeschwindigkeit von 66 Megabit pro Sekunde. Theoretisch könnten bis zu 12 zusätzliche Lasermodule integriert werden. Bei der derzeitigen Geschwindigkeit dauert das vollständige Füllen einer Glasplatte mehr als 150 Stunden.
Trotz der beeindruckenden Kapazität gibt es ein erhebliches Skalierungsproblem. Beispielsweise wird erwartet, dass das Square Kilometre Array, eines der weltweit größten Radioteleskop-Projekte, jährlich etwa 700 Petabyte an Daten archiviert. Für dieses Volumen wären mehr als 140.000 Glasplatten und Hunderte von Silica-Maschinen im Parallelbetrieb erforderlich. Daher scheint das System heute noch weit davon entfernt zu sein, die alleinige Lösung für riesige Rechenzentren zu sein. Merkmale wie die energielose Lagerung, die physische Beständigkeit und die Möglichkeit des schnellen Zugriffs machen Silica jedoch zu einem starken Kandidaten für die Langzeitarchivierung.
