Forscher haben eine neue Methode zur Datenspeicherung entwickelt, die Glas als Medium nutzt. Mit Femtosekundenlasern werden Informationen in kleine Glasplatten geschrieben, die Daten für mehr als 10.000 Jahre sicher aufbewahren können. Diese Technologie, bekannt als Projekt Silica, könnte die Art und Weise, wie wir wichtige Informationen langfristig archivieren, grundlegend verändern.
Eine einzelne Glasplatte von der Größe einer CD kann mehrere Terabyte an Daten fassen. Das Material ist extrem widerstandsfähig gegen Umwelteinflüsse wie Hitze, Feuchtigkeit und elektromagnetische Störungen, was es zu einer robusten Lösung für die Archivierung des menschlichen Wissens macht.
Wichtige Erkenntnisse
- Eine neue Technologie namens Silica nutzt Glas zur langfristigen Datenspeicherung.
- Daten, die mit Lasern in das Glas geschrieben werden, können über 10.000 Jahre erhalten bleiben.
- Eine 12 cm große Glasplatte kann eine Kapazität von bis zu 4,8 Terabyte erreichen.
- Das System ist darauf ausgelegt, dem wachsenden Bedarf an langlebigen Archivierungslösungen gerecht zu werden.
Das Problem der digitalen Vergänglichkeit
Die Menschheit produziert Daten in einem exponentiellen Tempo. Schätzungen zufolge verdoppelt sich die weltweite Datenmenge etwa alle drei Jahre. Viele dieser Informationen, von persönlichen Erinnerungen bis hin zu wichtigen rechtlichen und kommerziellen Dokumenten, müssen über Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte aufbewahrt werden.
Heutige Archivierungssysteme stoßen hier an ihre Grenzen. Magnetbänder und Festplatten, die am häufigsten verwendeten Medien, haben eine begrenzte Lebensdauer von nur wenigen Jahren. Das bedeutet, dass die Daten regelmäßig auf neue Medien migriert werden müssen, ein Prozess, der nicht nur kostspielig ist, sondern auch zeit- und energieintensiv.
Diese ständige Notwendigkeit der Datenmigration birgt Risiken des Datenverlusts und stellt eine erhebliche Belastung für Rechenzentren dar. Es besteht daher ein dringender Bedarf an einer neuen Speichertechnologie, die Daten sicher und ohne ständige Wartung über sehr lange Zeiträume bewahren kann.
Wie Silica funktioniert: Daten mit Licht schreiben
Das Silica-Projekt nutzt einen hochentwickelten Ansatz, um Daten in Quarzglas zu schreiben. Mithilfe eines Femtosekundenlasers werden winzige, dreidimensionale Modifikationen im Inneren des Glases erzeugt. Diese Modifikationen, sogenannte „Voxel“, fungieren als digitale Bits und Bytes.
Der Prozess läuft in mehreren Schritten ab:
- Datenvorbereitung: Die zu speichernden Daten werden zunächst mit Fehlerkorrekturcodes versehen, um die Integrität sicherzustellen.
- Laser-Schreiben: Ein computergesteuerter Laser fokussiert extrem kurze Lichtimpulse auf präzise Punkte innerhalb der Glasplatte. Durch die Veränderung der Polarisation oder Energie des Lasers werden unterschiedliche Voxel-Strukturen erzeugt, die mehrere Bits pro Voxel speichern können.
- Schichtweiser Aufbau: Die Voxel werden in zweidimensionalen Ebenen angeordnet, die dann Schicht für Schicht übereinander gestapelt werden. Eine 2 mm dicke Glasplatte kann über 300 solcher Datenschichten enthalten.
Was ist ein Femtosekundenlaser?
Ein Femtosekundenlaser sendet ultrakurze Lichtimpulse aus, die nur wenige Billiardstel Sekunden dauern. Diese extrem kurzen Impulse konzentrieren eine hohe Energiemenge auf einen winzigen Punkt, was es ermöglicht, das Innere eines transparenten Materials wie Glas zu verändern, ohne die Oberfläche zu beschädigen.
Lesen der Daten mit Mikroskop und KI
Um die gespeicherten Informationen wieder abzurufen, wird ein computergesteuertes Mikroskop verwendet. Es erfasst Bilder von jeder einzelnen Datenschicht im Glas. Da die Voxel winzig sind und eng beieinander liegen, entsteht beim Lesen ein gewisses „Rauschen“ und Übersprechen zwischen den einzelnen Datenpunkten.
Hier kommt künstliche Intelligenz ins Spiel. Ein neuronales Faltungsnetzwerk (CNN), eine Form des maschinellen Lernens, analysiert die aufgenommenen Bilder. Das System wurde darauf trainiert, die Muster der Voxel zu erkennen und sie wieder in die ursprünglichen digitalen Daten zurückzuübersetzen. Dieser Ansatz ermöglicht ein schnelles und präzises Auslesen der Informationen.
Kapazität und Langlebigkeit im Detail
Die Forscher haben zwei verschiedene Methoden zum Schreiben von Voxeln entwickelt, die jeweils unterschiedliche Vorteile bieten. Eine Methode, die auf doppelbrechenden Voxeln in hochreinem Quarzglas basiert, erreicht eine besonders hohe Dichte.
Beeindruckende Zahlen
- Daten Dichte: Bis zu 1,59 Gigabit pro Kubikmillimeter.
- Kapazität: Eine 120 mm x 120 mm x 2 mm große Platte kann 4,8 Terabyte an nutzbaren Daten speichern.
- Schreibgeschwindigkeit: Ein einzelner Laserstrahl erreicht bis zu 25,6 Megabit pro Sekunde. Durch den Einsatz mehrerer Strahlen parallel kann diese Geschwindigkeit vervielfacht werden.
Eine zweite Methode verwendet sogenannte Phasen-Voxel in günstigerem Borosilikatglas. Obwohl die Dichte hier etwas geringer ist (2,02 TB pro Platte), ist das Verfahren einfacher und kostengünstiger in der Umsetzung.
„Wir projizieren, dass die Daten bei Raumtemperatur für mehr als 10.000 Jahre stabil sind, was das Archivierungspotenzial des Mediums demonstriert.“
Um die außergewöhnliche Langlebigkeit zu beweisen, führten die Wissenschaftler beschleunigte Alterungstests durch. Dabei wurden die Glasproben hohen Temperaturen ausgesetzt, um den Zerfall über Tausende von Jahren zu simulieren. Die Extrapolation dieser Tests ergab eine geschätzte Lebensdauer der Daten von über 10.000 Jahren, selbst bei einer Umgebungstemperatur von 290 °C.
Die Zukunft der Datenarchivierung
Die Silica-Technologie ist mehr als nur ein Laborexperiment. Es handelt sich um ein vollständig entwickeltes System, das alle Schritte vom Schreiben über das Speichern bis hin zum Lesen und Dekodieren der Daten automatisiert abdeckt. Die Robustheit wurde durch das wiederholte Schreiben und Lesen von Milliarden von Bits nachgewiesen.
Der größte Vorteil liegt in der passiven Natur der Speicherung. Einmal beschrieben, benötigt die Glasplatte keine Energie, um die Daten zu erhalten. Sie kann einfach in einem Regal gelagert werden, geschützt vor den üblichen Gefahren, die herkömmliche Speichermedien bedrohen.
Während die Technologie bereits beeindruckende Ergebnisse liefert, gibt es noch Potenzial für weitere Verbesserungen. Fortschritte bei Lasern, Optiken und KI-Modellen könnten die Schreibgeschwindigkeit und Datendichte in Zukunft weiter erhöhen. Die Möglichkeit, Hunderte von Laserstrahlen parallel zu nutzen, könnte den Schreibprozess erheblich beschleunigen und die Technologie für den Einsatz in großen Cloud-Archiven attraktiv machen.
Projekt Silica stellt einen wichtigen Schritt in Richtung einer nachhaltigen und zukunftssicheren Lösung für die Archivierung des digitalen Erbes der Menschheit dar. Es könnte sicherstellen, dass unser Wissen für kommende Generationen erhalten bleibt, eingeschlossen in einem der ältesten und haltbarsten Materialien der Welt: Glas.
