Fizička ograničenja dugovječnosti podataka posljedica su samih tehnologija kojima su mediji izrađeni i kojima se podaci zapisuju te predstavljaju izazov za proizvođače a ponekad i glavobolju za korisnike, osobito u industrijskim krugovima, gdje je pouzdana pohrana veće količine ključnih podataka osobito bitna.
Na gubitak podataka nije imun nijedan od trenutno korištenih medija. Tako kod optičkih diskova imamo pojavu „disc rottinga“, uglavnom kao posljedice oksidacije aluminijskog reflektivnog sloja, najviše u kontaktu s kisikom i vodenom parom ili zbog upotrebe loših vezivnih materijala koji povezuju sloj aluminija i polikarbonata na diskovima. Ni magnetni mediji ne kotiraju osobito visoko. Bitovi zapisani na magnetnom materijalu mogu gubiti orijentaciju pod utjecajem vanjskih faktora ili rjeđe spontano, što medij čini nedovoljno pouzdanim za dugotrajno čuvanje podataka. Dok ovo pišemo, jedina dugoživuća komercijalizirana tehnologija za pohranu podataka je M-DISC, kod kojeg je sloj za zapis podataka izrađen od izdržljivog ugljičnog materijala. Ovo rješenje je još uvijek dosta skupo, unatoč testiranjima i modelima prema kojima su pohranjeni podaci sigurni i do 1000 godina. U tom kontekstu, recimo da uobičajeni Blu-ray disk traje dvadesetak, dok poluvodička memorija kao flash i SSD diskovi, kao predstavnici poluvodičke memorije gotovo nepostojeće latencije, visoke energetske učinkovitosti i robusnosti, samo desetak godina. Unatoč tome, svim vrstama medija trajanje je ograničeno, robusnost im nije beskonačna i podliježu gubitku spremljenih podataka za vrijeme životnog vijeka računala ili ako hoćete, korisnika.
Primjeri pohranjenih datoteka: Magna Carta, Biblija, UN-ova deklaracija o ljudskim pravima te kao šećer za kraj – Newtonova Optika, među prvim su upisanim djelima. Pohranjeni podaci istaknuti su kao mala kružna zamućena područja.
Zapitajmo se kako bi bilo kad bi mogli osigurati da naši radovi, slike, snimke itd. nadžive nas same i ostanu u pouzdano stabilnom mediju za buduće generacije? Imamo dobre vijesti: nova tehnologija “vječne” pohrane podataka smiješi se na obzoru.
Vodeći tim Centra za optoelektroniku Sveučilišta u Southamptonu razvio je tehnologiju zapisa golemih količina podataka na male staklene diskove pomoću lasera, metodom 5D digitalnog zapisa. Kod ovog novog pristupa, pozicija u prostoru, veličina i prostorna orijentacija zajedno čine kompletnu jedinicu memorije, a zapis se vrši laserskim nanostrukturiranjem, odnosno postupkom urezivanja jedinica u kvarcno staklo uz gustoću zapisa veću nego kod DVD-a. Time je ostvarena nešto starija ideja koja vuče korijene iz 1996. godine, a temelji se na holografskoj pohrani podataka koja je već dijelom primijenjena kod HVD diskova.
Glava: femtosekundnog lasera u procesu upisa podataka
Pohranu na staklene diskove najbolje je usporediti sa zapisom na CD-u, kod kojeg se bitovi podataka također upisuju laserom, međutim zapis je ograničen na polikarbonatni sloj, de facto na površinu CD-a, što podatke čini vrlo neotpornim na mehanička i kemijska oštećenja. Osim toga, posljedica površinskog zapisa je ograničenje na dvije dimenzije, a prostorni zapis kod klasičnog CD-a pokušava se uglavnom neuspješno razvijati zadnjih desetak godina kao Digital Multilayer Disc, kod kojeg postoje problemi s očitavanjem upisanih podataka. Pohrana u staklo prvi je puta provedena 2011. godine, kada su spomenuti tim iz Southamptona te Hitachijev R&D tim neovisno razvili 3D zapis na kvarcno staklo upotrebom vrlo jakih laserskih impulsa, po istom principu zapisa koji vrijedi i za klasični CD, stvaranjem šupljina u materijalu koje odgovaraju bitovima podataka. Tim iz Southamptona sada je otišao dva koraka dalje, dodavši još dvije dimenzije.
5D disk: s upisanom Deklaracijom o ljudskim pravima. Logotip UN-a ima isključivo dekorativne svrhe, tekst je pohranjen u manjem polju u središtu diska
Kod 5D diskova, bitovi su pohranjeni u unutrašnjosti stakla kao precizno oblikovane optičke nanorešetke (nanogratings) – nanostrukture koje mijenjaju smjer refleksije svjetla, i to u „pet“ dimenzija. Tako promjena u intenzitetu laserske zrake sadrži informacije o: prostornoj lokaciji nanorešetki, njihovoj orijentaciji i intenzitetu lomljenog svjetla. Posljednje su dvije dimenzije razlog zahvaljujući kojem postaje moguće zapisati veliku količinu podataka na 5D disk i to na razini pohrane u pojedinim vokselima, osnovnim elementima memorije u prostoru. Tako Blu-ray disk može pohraniti do 128 GB podataka, dok 5D disk iste veličine ima gotovo 3000 puta veći kapacitet: 360 TB.
Kada laser kojim se upisuju podaci ostavlja trag na staklu, ne formira se samo šupljina kao kod CD-a, već nastaju nanorešetke koje djeluju kao optički elementi koji su za razliku od šupljina fino strukturirane – imaju periodičku strukturu, na kojoj se svjetlost raspršuje u više zraka, pod različitim kutevima, koji su ovisni o razmaku elemenata nanorešetke, a ukoliko rešetka difrakcijom modulira fazu (umjesto konvencionalnog moduliranja amplitude upadnog zračenja), tada takve rešetke pronalaze primjenu u holografiji, što je bio cilj ove nove tehnologije, kako takva vrsta materijala koji sam konvertira koherentno zračenje dozvoljava preciznu optičku manipulaciju i zapis.
Profesor Kazansky i Sir Payne: uz 5D disk i laserski sustav za femtosekundno printanje
Zapisom informacija u obliku nanorešetke, lokalno se mijenjaju optička svojstva stakla na tom mjestu, a moguće ih je precizno kontrolirati laserom prilikom izrade. Graviranje nanorešetke, a time i upis podataka izvodi se jakim laserom kao izvorom femtosekundnih impulsa snage 8 µJ uz frekvenciju 200 kHz, kojima se može precizno urezivati mreža elemenata u staklenu matricu, te je isti proces ponovljen na ograničenom elementu volumena u tri sloja međusobno udaljena 5 mikrometara. Predviđa se da bi zapisivanje moglo biti provedeno u do 1000 slojeva.
Drugi veliki plus 5D tehnologije je napuštanje plastike te primjena kvarcnog stakla kao otpornog i kompaktnog materijala za izradu medija, kojeg u prirodi ima u velikim količinama. Kvarcno staklo stabilno je pri temperaturama do 1000 °C te prema dinamičkim difuzijskim simulacijama i modelima može pouzdano čuvati podatke u razdoblju do 13 milijardi godina pri sobnoj temperaturi, a ta se pouzdanost ne gubi niti duljim izlaganjem temperaturi do 190 °C, tako da ćete bez problema moći nositi pohranjene podatke sa sobom na plažu.
Za klasični način formiranja šupljina u staklu, za čitanje upisanih podataka bio je potreban optički mikroskop, dok se ovim novim pristupom podaci mogu očitavati laserom, što cijeli proces čini znatno jeftinijim. Visoki i dalje ostaju troškovi upisa podataka, s obzirom da pristup iziskuje lasere kojima je moguće fino uštimavati polarizaciju te intenzitet zraka. Trajanje postupka trenutno je druga prepreka, jer je potrebno do par sekundi za formiranje pojedine nanorešetke, što u praksi znači brzine zapisa oko 1 MB/s. Za usporedbu, prvi DVD-ovi zapisivali su podatke takvom brzinom, dok je zapis kod flash memorije ipak za nekoliko redova veličine brži.
Shema: femtosekundnog lasera za jetkanje u kvarcno staklo. Osim Fourierovih leća ključni su mehanički modulatori laserske zrake. Boje prikazuju različite intenzitete zraka.
Ovo otkriće otvara novu fazu u pohrani podataka. Kako takvi diskovi imaju virtualno beskonačno trajanje, od njega bi koristi mogli imati ponajprije muzeji, nacionalne knjižnice i arhivi, a zatim i realni sektor. Začetnici novog načina pohrane najavljuju brz proboj na tržište, što je dosta ambiciozno uzevši u obzir tradicionalnu inerciju koja je prisutna u IT industriji kad se radi o izlasku nove vrste medija. Iako bi očitavanje podataka od strane krajnjeg korisnika bilo iznenađujuće jednostavno i izvedivo modifikacijom DVD playera na kojoj se trenutno radi, tehnologija proizvodnje ovakvog medija trenutno je komplicirana i dosta skupa. Uz to, ne smijemo zaboraviti niti na rivale koji razvijaju druge načine spremanja. Tako Hitachi i dalje razvija vlastitu vrstu 3D pohrane podataka na staklu klasičnim formiranjem šupljina na diskovima (void printing) ali uz veću gustoću zapisa, a tu je i egzotični „tekući hard drive“, koji bi za pohranu podataka primjenjivao nanočestice suspendirane u tekućini koje se zatim orijentiraju na određeni način. Bilo kako bilo, ideja o 5D pohrani je provedena u djelo u laboratoriju, ostaje još „poliranje“ i komercijalizacija tehnologije, tako da ćemo jednog dana moći pohraniti naš cjelokupni opus magnum fotografija te filmova na jedan jedini disk za vječnost.
