IT-Байки: За миллиард лет до стирания памяти / Аналитика

Не скоро совершается суд над худыми делами;
От этого и не страшится сердце сынов человеческих
Делать зло
©Экклезиаст 8:11

Глядя на старинные семейные чёрно-белые снимки бабушек и дедушек, прабабушек и прадедушек, их письма и открытки, просто диву даёшься, как эти бесценные реликвии смогли пережить лихолетье XX Века и донести до нас образ родственников, которых мы никогда не видели или храним о них лишь смутные детские воспоминания. Признайтесь, вы уже перевели в цифровой вид фотографии из старинных семейных альбомов? Или хотя бы задумывались о том, что семейные фото отнюдь не высечены в скале и имеют ограниченный срок хранения?

IT-Байки: За миллиард лет до стирания памяти

Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory
and University of California at Berkeley

Признаюсь и я: оцифровка моих семейных реликвий в самом разгаре. В цифру переведены все домашние нецифровые снимки; оцифровываются архивы всех родственников, до которых только могу дотянуться. Мои дети смотрят на это занятие пока что с любопытством, но не более. Хотя, уверен, придёт время - они тоже заинтересуются своей историей и расскажут о ней моим внукам. Великая вещь современная электроника, она позволяет хранить в домашнем компьютере память о событиях и знаниях человечества за весть путь его развития. В современном карманном плеере можно при желании уместить все лучшие музыкальные произведения, написанные и исполненные гениями от музыки всех времён и народов. С помощью современной цифровой фото/видеокамеры можно запечатлеть в высочайшем качестве любой момент нашей жизни и сохранить всё это для потомков. Не говоря уж о мыслях и словах, которые нынче записать проще простого, а уж тем более сохранить и поделиться с другими – именно этим живут многочисленные форумы и блоги. Умные при этом мысли запечатлеваются на века или глупые, хорошие или плохие, совсем неважно. Может быть, именно уровень безумия наших блогов позволит учёным будущего точнее оценить энтропию Вселенной. В любом случае, историкам и археологам, например, XXIII века, изучающим наше время, будет в чём покопаться кроме глиняных черепков, наскальных надписей и отходов жизнедеятельности в виде неразложившихся за века бутылок из-под колы. Если… если только к тому времени от наших цифровых записей останется хоть что-нибудь вменяемое, доступное для восстановления и расшифровки. О чём речь? Вот вам простой пример из жизни: давеча мне понадобилось вспомнить несколько цифр, связанных с кризисом полупроводниковой индустрии 2001-2002 годов. За информацией пришлось обратиться к архиву моих статей, хранящихся на специально выделенной под это дело книжной полке с DVD дисками, на котором, собственно говоря, и хранится этот архив, разбитый по годам. Так вот: архив за 2001 год, представьте себе, читается только частично и с большим затруднением; даже трудно себе представить что происходит с более ранними записями.

Кстати, в прошлом году мне уже довелось выкинуть CD-R носитель, записанный в 1998 году. Даже не понадобилось вставлять диск в привод, и без того было заметно невооружённым глазом изуродованную фольгу рабочего информационного слоя, окислившуюся и пожранную неведомой хворью. Хорошо что там хранились всего лишь сканы геодезических карт… Итого, к оптическим дискам как архивным носителям доверия больше нет. Лично меня не устраивает такой вариант игры в рулетку, при котором через десяток-другой лет один диск будет прочитан приводом, а другой нет, и ведь по закону Мэрфи именно на этом убитом диске окажутся безвозвратно погибшие сканы фотографий семейного архива. И даже тройное дублирование, как показывает практика, не даёт гарантий: в этот момент вспоминаются бытовавшие несколько лет назад разговоры о том, что оптические диски якобы способны хранить архивы сотню лет, и уже после этого были обнаружены хитрые бактерии, с удовольствием поедающие фольгу дисков. А уж как быстро диски покрываются царапинами и трещинами... Добить аргументацию бесперспективности оптических дисков для архивирования можно припомнив их малую по нынешним временам ёмкость: ни DVD, ни даже современные (но так до сих пор толком не подешевевшие) Blu-ray диски не способны справиться с нашими современными потребностями в архивировании. Есть, безусловно, и ряд многообещающих проектов по созданию перспективных оптических накопителей, но проходят годы, а все эти мегаголографические-ультралазерные диски, способные хранить триллиарды гипербайт, пока остаются лишь на бумаге. Поживём-увидим.

А как же магнитные носители, жёсткие диски или магнитные ленточные накопители, интересны ли они в качестве устройств для долголетнего архивирования? Увы и ещё раз увы: редкий производитель винчестеров даёт на свою продукцию гарантию на пять лет, а уж сколько известно случаев, когда жёсткий диск "умер" мгновенно и безвозвратно похоронил под своей металлической "черепушкой" ценные данные... Магнитные головки с прецизионным позиционированием, магнитные диски на подшипниках с огромной скоростью вращения и прочее – слишком много факторов, снижающих суммарную надёжность хранилища данных. Здесь даже о десяти годах говорить слишком оптимистично, три года хорошо, пять-семь – отлично. Спасает лишь то, что современные жёсткие диски имеют огромную ёмкость и сравнительно низкую стоимость, благодаря чему данные можно резервировать теоретически бесконечно долго, переливая с одного диска на другой. Именно так сейчас и приходится поступать с действительно ценными данными: дублировать их копии на нескольких накопителях и не забывать обновлять эти копии хотя бы раз в пару лет.

Остаётся лишь один вариант – флэш-память. И действительно, этот вид твердотельной полупроводниковой памяти энергонезависим, не имеет механических движущихся частей и выдерживает сотни тысяч циклов записи-перезаписи, благодаря чему оставляет далеко позади и оптику, и магнитные носители. Из минусов – только цена, которая, впрочем, падает со стремительной скоростью. Но, увы, и здесь, когда речь идёт о долгосрочном хранении данных, хорошего мало, поскольку запись и хранение бита данных во флэш-памяти – это не что иное как хранение уровня электрического заряда на затворе транзистора ячейки флэш-памяти. Десять лет хранения заряда для такой ячейки – срок замечательный, не удивлюсь если при определённых условиях этот срок будет увеличен до 20-30 лет. Но, пожалуй, это верхний предел срока хранения для флэша без периодической перезаписи. Итак, есть ли в нашем активе что-нибудь более надёжное для долгосрочного хранения больших объёмов информации? Казалось бы, проблема очевидна и её решений должно быть придумано в наше время множество. Ан нет, ничего не приходит в голову. Может, танталовые конденсаторы, хранящие заряд сотню лет? Или лазерная гравировка битов на гранях алмаза? Что тогда остаётся - клинопись на черепках, иероглифы на базальте, охра на стенах пещеры, берестяные грамоты, наконец? Ниже приведена забавная иллюстрация, характеризующая весь ужас сегодняшней ситуации с архивированием: чем современнее система хранения данных, чем выше её ёмкость, тем меньше срок хранения данных. И действительно, если бы древние послание были запечатлены на флэшках, а не наскальными насечками или записями на бумаге, пергаменте и бересте, ничего бы до наших дней не сохранилось. Так, иероглифам, найденным в Луксоре и имеющим плотность информации порядка 2 на квадратный дюйм, уже более 3800 лет, берестяным грамотам – под тысячу. Информация, "записанная" в отдельный атом с помощью сканирующего туннельного микроскопа, может иметь теоретическую плотность до 100 терабит на квадратный дюйм, однако "живёт" такая запись при комнатной температуре всего 10 пикосекунд.

Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory
and University of California at Berkeley

Увы. Если в области длительного хранения гигабайт данных что-то к настоящему времени и было придумано, массовой доступной технологией оно так и не стало. Иначе мы бы об этом, разумеется, знали. К счастью, последние сообщения из научных лабораторий несут добрые вести о решении задачи длительного архивирования информации. Физическое обоснование уже есть, первые опыты удачны, и не за горами практическое применение. Всё теперь упирается в нанотехнологии (а вы как думали, без них нынче никуда).

Тридцать, пятьдесят, сто лет хранения архивных данных? Да кому это надо! Маловато будет! Группа учёных из Калифорнийского университета (University of California), Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) и Государственного университета Пенсильвании (Pennsylvania State University), опубликовавшая в одном из последних выпусков журнала ACS’ Nano Letters статью с интригующим заголовком Nanoscale Reversible Mass Transport for Archival Memory, сразу же замахнулась на сроки вселенских масштабов. Только представьте, в своей статье учёные говорят о возможности создания компьютерного устройства памяти для хранения в тысячи раз большего объёма данных чем нынешние кремниевые чипы, с ориентировочным сроком хранения на протяжении более миллиарда лет!

В своей работе учёные описывают принцип работы экспериментального устройства памяти, логическая ячейка памяти которого состоит из наночастицы железа, заключённой в полую углеродную нанотрубку. Этакий туннель для железного "челнока", чуткого к электромагнитному полю. Ничего необычного, разве что диаметр этого "туннеля" в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса.

Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory
and University of California at Berkeley

На картинке ниже показано схематическое изображение конструкции элемента с наночастицей, заключённой в многослойную углеродную нанотрубку. Ключевая проблема физической реализации и использования такой "челночной памяти" – создание такого устройства, при котором запись и считывание данных не приводили бы к разрушению конструкции.

Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory
and University of California at Berkeley

Тщательное изучение свойств электромиграционных свойств различных материалов показало, что на роль "челноков", передвигающихся в нанотрубках, отлично подходят различные металлические наночастицы, в частности, железо. Учёные также подчёркивают, что геометрия подобных конструкций наномеханических устройств памяти уже порядком изучена и испытана на практике. Более того, имеются пока не реализованные на практике идеи о использовании фуллеренов в качестве движущихся в нанотрубках "челноков". Походящие для эксперимента гетерогенные наноструктуры из нанотрубки с инкапсулированной наночастицей железа были синтезированы учёными в одношаговом процессе пиролиза ферроцена (ferrocene) в парах аргона при температуре порядка 1000°C. Распределение элементов нанотрубок памяти производилось затем в изопропаноле под воздействием ультразвука. В качестве подложки для экспериментальных исследований использовалась изготовленная с применением одношаговой литографии мембрана из нитрида кремния. Электрические контакты из палладия были размещены на концах 100 нм нанотрубки. Следующая иллюстрация представлена серией снимков нанотрубки и интегрированной наночастицы, сделанных с помощью просвечивающего электронного микроскопа (TEM, transmission electron microscopy). Электрические контакты находятся за пределами зоны видимости.

Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory
and University of California at Berkeley

При подаче электрического тока "челнок" путешествует внутри нанотрубки под воздействием электромиграционных сил. При реверсе тока направление перемещения "челнока" также меняется на противоположное. Сбрасывание тока на ноль приводит к резкому снижению скорости передвижения "челнока", практически, к "замораживанию" его позиции. Что касается скорости перемещения "челнока", уже выяснено, что она может быть настроена в широких пределах элементарной регулировкой подаваемого напряжения, как показано на графике ниже. Так, при напряжении порядка 1,55В скорость движения "челнока" составляет примерно 1 нм/с, при 1,75В потенциале скорость достигает уже 1,4 мкм/с, что уже сравнимо со скоростью моторного белка миогемоглобина. Учёные подчёркивают, что в других экспериментах ими наблюдалось увеличение скорости на 4 порядка – до 2,5 см/с (это максимум, который в состоянии регистрировать видеокамера просвечивающего электронного микроскопа); на практике скорость может быть ещё больше.

Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory
and University of California at Berkeley

Итак, подаём электричество, наночастица железа начинает путешествовать из одного крайнего положения в другое, процесс, разумеется, совершенно обратим элементарной сменой полярности "записывающего сигнала". Чем не прототип ячейки памяти!

Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory
and University of California at Berkeley

С записью понятно, а как же с чтением? Просвечивающий электронный микроскоп – удовольствие, вообще-то, дорогое и не очень портативное, пригодное разве что для лабораторной диагностики. Выход нашёлся и здесь: по словам учёных, для этого вполне пригодно такое свойство нанотрубки, как осевое электрическое сопротивление, чувствительное к физическому расположению инкапсулированной наночастицы. Таким образом, текущее позиционирование "челонока" может быть измерено "вслепую", путём элементарного замера сопротивления с помощью двух электродов (челнок "здесь" – сопротивление на минимуме, и vice versa). Разумеется, ни о каком "синусе" изменения сопротивления и речи быть не может, тем более о "меандре" (см. рисунок ниже), однако замеры сопротивления, соотнесённые в опытах с TEM-показаниями, дали достаточно точное совпадение результатов.

Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory
and University of California at Berkeley

Также интересно отметить, что кратковременные пульсации слабого напряжения на электродах практически не оказывают влияния на положение "челнока" внутри трубки; это гарантирует жизненность способа определения положения бита памяти электрическим способом замера сопротивления без разрушения информации.

Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory
and University of California at Berkeley

На иллюстрации ниже показан процесс записи последовательности 101010 в устройство памяти и последующее 4-разовое считывание.

Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory
and University of California at Berkeley

Итак, налицо новый тип элементов энергонезависимой памяти - масштабируемый, управляемый очень низким напряжением, и, по словам разработчиков, легко встраиваемый в современный процесс производства кремниевых полупроводников. Каждый такой электромеханический элемент чипа при этом действительно защищён от воздействия окружающей среды и может содержать сотни, тысячи, миллионы, миллиарды ячеек. Учёные уже посчитали, что благодаря 2-электродной конфигурации плотность "упаковки" информации в подобных устройствах памяти может достигать фантастических объёмов – до 10¹² бит (да, именно терабайт) на квадратный дюйм! Для сравнения: типичная плотность записи в современных жёстких дисках составляет что-то около 200 Гбит на квадратный дюйм. Интересно также отметить, что плотность может быть увеличена на порядки при условии нахождения возможности считывания нескольких положений "челнока". Более того, благодаря тому, что подобные электромеханические элементы памяти выполнены на базе совершенно герметичных элементов, а изменение состояния информационного бита происходит только после механического перемещения "челнока", гарантирована высокая термодинамическая стабильность подобных элементов памяти. Теоретические расчеты позволили учёным заявить о возможности хранения информации таким элементом на протяжении более 3,3 х 10¹⁷ секунд, то есть, более миллиарда лет.

Такие дела. Такой вот резкий рывок среди устройств хранения данных намечается, можно сказать, в ближайшие годы. Трудно сказать, как там будут обстоять дела у первых "челночных" чипов памяти с быстродействием и реальной плотностью записи данных, однако учёные гарантируют, что со сроками хранения записей дела будут обстоять просто невообразимо хорошо. Одно только пока неизвестно - срок появления таких устройств на прилавках. Даже примерный.

Народная пословица гласит "Все проходит... Но кое-что застревает". Иными словами, ничто не вечно под Луной, но какие-то шансы увековечиться у нас всё же есть. Лично мне совсем не нужен архив на миллиард лет (помните у Хайнлайна "Эй, вперед, обезьяны! Или вы хотите жить вечно?" ©Неизвестный сержант), но надёжное хранилище данных на пару столетий – почему бы нет. За это время или информация станет неактуальной, или для её хранения придумают что-нибудь более практичное.

Ссылки по теме:

Материалы для дополнительного чтения: