Eine diesen Monat vorgestellte neue Speichertechnologie verspricht, bis zu 500 Terabyte Daten auf einer etwa CD-großen Glasscheibe zu speichern – doch wie breit sie eingesetzt werden kann, ist ungewiss.
In einer wissenschaftlichen Arbeit der Optica Society schreiben Forscher der University of Southampton im Vereinigten Königreich, dass sie eine neue Methode entwickelt haben, mit der sich per Laser Daten auf Glas – Quarzglas – schreiben lassen, sodass eine enorme Datenmenge auf einer optischen Disc gespeichert werden kann.
Damit könnten Organisationen die Daten – bis zu 10.000-mal mehr als auf einer Blu-ray-Disc – über lange Zeit auf einem handlichen und tragbaren Medium aufbewahren. Möglich wurde dies durch einen Laser, der Punkte in das Glas ätzte, indem er alle Femtosekunden (ein Billiardstel einer Sekunde) einen Impuls aussendete.
Die fünf Dimensionen
Der fünfdimensionale Aspekt bezieht sich auf die Nutzung zweier optischer Dimensionen – der Lichtintensität und der Polarisation sowie der durch die Punkte hervorgerufenen Veränderungen – und der typischen drei räumlichen Dimensionen, die bei herkömmlichen Speichern verwendet werden.
5D-Speicher sind nicht neu. Es gibt sie seit mehreren Jahren; Forscher der University of Southampton erzielten Durchbrüche bereits 2016. Die 5D-Kristalldatenspeichertechnologie wurde „Superman-Speicherkristalle“ genannt – eine Anspielung auf die Kristalle im Film „Superman“ von 1978. Sie galt als Möglichkeit, große Datenmengen auf einem Medium zu speichern, das eine längere Lebensdauer und höhere Kapazität bot als Bandspeicher.
Dies geschieht zudem in einer Zeit, in der sich die Branche mit dem Aufstieg von Flash-Speichern und SSDs sowie den Fortschritten in Bereichen wie Computational Storage weiterentwickelt.
Langzeitspeicherung
Die speicherbare Datenmenge ist nicht die einzige bemerkenswerte Zahl. Forschern zufolge könnten die Daten auf einem 5D-Speicher noch nach 13,8 Milliarden Jahren lesbar sein und Temperaturen von bis zu 1.000 Grad Celsius überstehen, ohne sich zu verschlechtern.
Allerdings gab es Probleme. Insbesondere wurde die Technologie durch langsame Schreibgeschwindigkeiten ausgebremst, wodurch sie für die meisten Anwendungen unpraktisch war.
„Angesichts der langsamen Schreibgeschwindigkeit eignet sich das Verfahren am besten für die Langzeitspeicherung. Das war problematisch, weil Bandspeicher, die für die Langzeitspeicherung eingesetzt werden, keine unbegrenzte Lebensdauer haben und durch die Umgebung, in der sie gelagert werden, beeinträchtigt werden können“, sagte Rob Enderle, Chefanalyst bei The Enderle Group, gegenüber Enterprise Storage Forum. „Sie sind anfällig für Magnetfelder, die von starken Sonnenereignissen ausgehen.“
Die Branche „befasst sich bereits seit einiger Zeit mit mehrdimensionalen Glasspeichern“, sagte Enderle. „Die Technologie scheint praktikabel zu sein. Das Problem war die Lese- und Schreibgeschwindigkeit, die sie für jede Online-Speicheranwendung ungeeignet und für den Einsatz als Archiv historisch zu langsam macht.“
Die Geschwindigkeit ist das Problem
Die Herausforderung lag in der Geschwindigkeit, mit der sich der Laser bewegte. Bewegte er sich zu schnell, konnte dies die Struktur der Disc beeinträchtigen und ihren Nutzen mindern. Der Doktorand Yuhao Lei und seine Kollegen an der University of Southampton schreiben jedoch in ihrer Arbeit, dass sie dieses Problem gelöst haben.
Dazu verwendeten sie den Femtosekundenlaser mit hoher Wiederholungsrate. Außerdem schrieben sie nicht direkt mit dem Laser in das Glas. Stattdessen nutzten sie ein als Nahfeldverstärkung bezeichnetes Phänomen, bei dem im Wesentlichen einige schwache Lichtimpulse verwendet werden, um winzige Strukturen namens Nanovoids zu erzeugen – kleine Nanostrukturen im Glas.
Nach zahlreichen Versuchen konnten sie einen Laserimpuls mit der richtigen Geschwindigkeit und Leistungsstufe finden, der das Schreiben beschleunigte und gleichzeitig die thermischen Schäden an der Glasscheibe minimierte. Ihrer Arbeit zufolge erreichten die Forscher eine maximale Datenrate von 1 Million Voxeln pro Sekunde, was einer Datenrate von etwa 230 Kilobyte pro Sekunde entspricht. Durch die beschleunigte Schreibgeschwindigkeit wurde es möglich, eine Disc mit einer Kapazität von etwa 500 TB zu füllen – ein Vorgang, der ungefähr zwei Monate dauern würde.
Durch paralleles Schreiben mit mehreren Laserstrahlen, die auf die Glasscheibe schreiben, könnte die Geschwindigkeit erhöht werden.
Tests sind vielversprechend
Tests ergaben, dass die Forscher mit der neuen Technik 5 Gigabyte Daten mit einer Genauigkeit von bis zu 99,5 % auf eine Quarzglasscheibe schreiben konnten. Mithilfe eines Fehlerkorrekturalgorithmus könnte dieser Wert auf 100 % gesteigert werden.
Derzeit ließe sich die 5D-Speichertechnologie am besten für Daten einsetzen, die über lange Zeit aufbewahrt werden müssen, sagte Enderle.
„Diese Technologie wäre für alles geeignet, was eine Langzeitspeicherung erfordert, etwa Eigentumsdokumente, Dokumente, die ein geschütztes Produkt definieren, rechtliche Vorgaben – beispielsweise Regierungsdokumente –, medizinische Forschung [und] DNA-Analysen von Arten, die vom Aussterben bedroht sind“, sagte Enderle. „Sie ist jedoch ideal für alle Datentypen, die langfristig aufgezeichnet werden müssen, keinen Echtzeitzugriff erfordern und historisch feststehen, statt sich im Laufe der Zeit dynamisch zu verändern.“
Eine breitere kommerzielle Nutzung würde davon abhängen, die Schreib- und Lesegeschwindigkeiten zu erhöhen. Die derzeitigen langsamen Geschwindigkeiten schränken die Einsatzmöglichkeiten der Technologie ein.
Sollte sich die Technologie zudem für die kommerzielle Nutzung als praktikabel erweisen, müssen Organisationen sorgfältig darauf achten, wie und von wem sie eingesetzt wird.
„Diese Art von Medium wäre ideal für jeden, der große Datenmengen stehlen möchte und Zugriff auf die Hardware hat“, sagte Enderle. „Man denke an [Edward] Snowden auf Steroiden. Die Schreibgeschwindigkeit setzt dem zwar Grenzen, aber ein Mitarbeiter könnte die Daten über einen längeren Zeitraum langsam abziehen und anschließend das Medium entfernen. Mit steigenden Schreibgeschwindigkeiten wird die Eignung dieses Speichermediums für Datendiebstahl jedoch erheblich zunehmen.“