Ещё лет тридцать назад понятие терабайта всерьез не рассматривали даже фантасты. Сегодня карманные диски объемом в несколько терабайт никого не удивляют, и потребители привычно ожидают, что вскоре на рынке появятся еще более емкие устройства для хранения данных. Но остается проблема: как долго будет храниться накопленная информация? Возможно ли создать вечный носитель для нее?
От перфокарты из 19 века до винчестера и Blu-ray
Первый в истории полноценный компьютер, способный работать по заложенной программе, попытался создать англичанин Чарльз Бэббидж в первой половине XIX века. При этом в качестве носителя информации он собирался использовать бумажные перфорированные карты, которые в 1808 году ввел в обращение французский ткач Жозеф Жаккар для управления созданием сложных узоров. Примечательно, что перфокарта, даже в самом примитивном виде, использовала двоичную систему исчисления: пробивка — единица, отсутствие пробивки — ноль. Чарльз Бэббидж не довел работу до завершения, поэтому долгие десятилетия перфокарты применялись только ткачами.
В 1890 году правительство Соединенных Штатов провело перепись населения страны. Чтобы ускорить и удешевить обработку собранных данных, инженер Герман Холлерит построил табулятор, который работал с перфокартами. С этого момента они получили широкое распространение и «дожили» до 2012 года, пока не были окончательно сняты с производства. Понятно, что информационная вместимость перфокарт была невелика (подсчитано, что 1 гбайт на перфокартах весил бы 22 тонны), но они обладали несомненным достоинством, отличавший их, например, от перфолент: их можно было тасовать или заменять, внося оперативные изменения в программу.
Конечно, говорить о долговечности не приходится: и перфокарты, и перфоленты быстро изнашивались. В конечном итоге их заменила магнитная лента, чей гарантированный срок хранения информации оценивается сейчас в тридцать лет.
В 1956 году компания IBM выпустила первое устройство хранения данных с магнитной головкой, впоследствии названное «жёстким диском», а на сленге — «винчестером» или «винтом». Емкость устройства составляла всего 5 Мбайт при размерах в два больших холодильника и стоимости 50 тысяч долларов. Однако появление жёсткого диска стало настоящей революцией в компьютерной сфере. Если в начале пути плотность записи на такой диск составляла 2 кбит/кв. дюйм, то сегодня превысила 500 гбит/кв. дюйм, что позволяет записывать до десятка терабайт на одно небольшое устройство. Теоретически достижимый предел такого диска — 1 тбит/кв. дюйм, при этом ученые разрабатывают новые способы записи, которые позволят еще повысить предел емкости.
Увы, но эти носители информации при всех достоинствах не отличаются долговечностью: специальные исследования показали, что за пять лет эксплуатации треть жестких дисков выходит из строя вне зависимости от репутации фирмы-производителя. Со временем ситуация, без сомнения, улучшится, но вряд ли удастся обеспечить хорошую защищенность для устройств, используемых в быту.
Впрочем, в начале 1980-х годов, когда произошел бум в сфере персональных компьютеров, жёсткие диски были еще очень дороги, что открыло дорогу на рынок оптическим дискам, данные на который наносятся лазерной головкой. И CD, DVD, Blu-ray Disc стали продаваться в любом магазине, торгующем компьютерной техникой. По сравнению с жёсткими дисками оптические работают намного медленнее, а плотность информации оставляет желать лучшего. Зато у них есть неоспоримое преимущество по гарантийным срокам хранения данных — пятьдесят лет.
Кристаллы кварца с информацией
Кроме того, на рынок поступили диски, называемые M-Disc и созданные на основе военных технологий компанией «Millenniata». Плотность записи на них не отличается от плотности DVD-5 (4,7 Гбайт) и Blu-ray Disc (25 Гбайт), но есть одно существенное преимущество: он якобы изготовлен из некоего секретного материала, гарантирующего сохранение информации при любом освещении и температурах, как заявляет производитель, от минус 180 до плюс 200 град. Цельсия в течение тысячи лет.
М-Disc, если емкость его будет расти, кажется, решает проблему долгосрочного хранения данных, но вполне может статься, что и его вскоре вытеснит с рынка другая технология, которую представили ученые из Саутгемптонского университета (Англия). В качестве носителя они использовали миниатюрный диск из прочного кварцевого стекла, размером чуть больше почтовой марки. С помощью сверхкоротких импульсов фемтосекундного лазера, луч которого разделяется пространственным модулятором, они изменили внутреннюю структуру диска таким образом, чтобы она стала упорядоченной и могла быть считана специальным оптическим устройством.
На конференции «CLEO 2013», проходившей в Сан-Хосе в 2013 году, ученые продемонстрировали работоспособность новой технологии, записав на диск свой доклад объемом 300 килобайт. Теоретический же предел одного небольшого носителя — 360 терабайт данных.
Но и это не главное. Благодаря используемому материалу, данные могут храниться в кварцевом диске на протяжении 13,8 миллиардов лет, что практически равняется возрасту нашей Вселенной. Причем кварцевый диск выдерживает температуры до плюс 1000 град. Цельсия, не меняя своей структуры.
Понятно, что такому носителю можно придать любую форму, так как диск — это, скорее, дань традиции, чем необходимость. Вспоминаются фантасты, писавшие, что когда-нибудь мы станем хранить информацию в «кристаллах», которые, ко всему прочему, будут отлично смотреться в качестве ювелирных украшений. Только представьте: в одном перстне — все библиотеки мира. И еще останется много места.
Биошифрование: игры с ДНК
Есть и другой путь, который выглядит даже экзотичнее, чем мини-диск из кварцевого стекла. В начале XXI века технология секвенирования и расшифровки генома подешевела на порядки, поэтому возникло новое направление науки — геномика, внутри которого сформировалась практическая дисциплина биоинформатика. Ученые, развивающие ее, полагают, что для хранения полезных данных вполне можно использовать цепочку ДНК. Технология называется «биошифрование при помощи рекомбинации генома». Поскольку ДНК любого организма состоит из четырех нуклеотидов, то биоинформатики собираются использовать четверичную систему исчисления для уплотнения информации.
Процесс выглядит так: сначала химическим путем выращивается искусственная молекула ДНК, содержащая последовательность нуклеотидов, расположенных согласно закладываемым данным; затем она внедряется в реальную ДНК живой бактерии (для первых опытов используется хорошо изученная бактерия escherichia coli), а копирование информации осуществляется за счет естественного размножения.
Подсчитано, что один грамм бактерий может хранить в себе более 900 терабайт информации, в то время как на один грамм жесткого диска приходится всего от 1 до 4 гигабайт. Время хранения информации ограничено только временем размножения этих генно-модифицированных организмов, а оно может достигать тысяч лет.
Понятно, что процесс записи и считывания данных в геноме живых существ — трудоемкое дело. Но кто может сказать, какую информацию мы станем хранить в будущем? Может быть, именно внутри бактерии ей будет самое подходящее место?
Антон Первушин, «Оракул»
