微軟將《超人》電影存在一小塊玻璃上未來數據存儲還有哪些黑科技？

圖片來源：微軟

11月4日，在微軟Ignite 2019大會上，首席執行官薩蒂亞•納德拉展示了該公司Project silicon項目長期數據存儲解決方案。

Project silicon項目使用超快激光光學和人工智能將數據存儲石英玻璃上。在與華納兄弟娛樂公司的合作下，這個團隊將1978年的《超人》電影存儲在一塊玻璃上，大小和一個飲料杯墊差不多。矽玻璃很硬，可以在滾燙的水中煮、在烤箱或微波爐中烘烤、去磁或其他破壞傳統檔案介質的因素下使用。

“將整部《超人》電影存儲在穀歌眼鏡中，並能夠成功地將其讀出來，這是一個重大的裏程碑。” 微軟Azure的首席技術官Mark Russinovich在一份新聞稿中說，“我並不是說所有的問題都得到了充分的回答，我們正處在一個致力於改進和實驗的階段，而不是問‘我們能做到嗎?’”

據報道，華納兄弟在得知微軟的研究結果後找到了微軟，以保護其圖書館，其中包括《卡薩布蘭卡》等電影、20世紀40年代的廣播節目和其他曆史資料。

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華納兄弟的首席技術官Vicky Colf在一次發布會上說:“這一直是我們的希望之光，我們相信總有一天會實現，所以當我們得知微軟開發了這項基於玻璃的技術時，我們想要證明它。”

它是如何工作的?激光通過在多個深度和角度創建三維納米光柵層來對玻璃中的數據進行編碼。根據微軟的說法，機器學習算法通過解碼偏振光穿過玻璃時產生的圖像和模式來讀取數據。新聞稿指出，這種玻璃可以使用數百年，不需要在恒溫環境下保存，也不需要經常刷新。

數據存儲空間有限

對於我們大多數人來說，數據存儲變得越來越容易。如今，我們不再糾結於存儲空間有限的計算機硬盤、軟盤以及可重寫CD或DVD，而是點擊“保存”，將正在處理的任何文件快速轉移到雲上。這是一種沒有混亂、沒有麻煩的數據存儲方法，不僅意味著我們不會用完空間，而且無論走到哪裏，我們都可以訪問文件。誰會不喜歡呢?

一方麵，我們的存儲空間不足。從字麵上看，當前有37億人每天使用互聯網，生成大約2.5兆字節的數據，因此需要越來越多的數據中心來滿足需求。到2025年，世界有望每年產生160兆字節的數據。那比在可觀測的宇宙中的星星還要多。如果沒有足夠的數據中心，我們將無法跟上這種增長的步伐。這意味著丟棄可能是無價的數據——在某些情況下，我們必須先知道它是否確實是有價值的。

“如果你看看大型機構，比如運行大型強子對撞機的歐洲核子研究中心，它每秒就會生成PB級的數據。”數據公司Catalog的營銷副總裁Nick Gold表示，“但是無法存儲每秒PB的數據，因此它們必須丟棄所生成數據的90%以上。如果有保留的辦法，他們當然很樂意保留所有這些。”

還有一個環境因素在起作用。根據一份報告，17%的技術造成的碳足跡是由數據中心造成的。目前一個單一的數據中心可能比一個中型城鎮消耗更多的電力。盡管蘋果等公司已經采取措施，通過采用更可持續的能源來抵消這一影響，但仍有理由尋求更好的替代方法。

幸運的是，這正是世界上一些聰明的研究人員所從事的工作。他們正忙著構想(並且同樣重要的是展示)一些令人印象深刻的下一代存儲技術，這些技術可以在未來幾年內解決全球數據問題，而且是一勞永逸的!

歡迎來到DNA存儲世界

將數據存儲在DNA中的想法聽起來頗有未來感。但在某些方麵，情況恰恰相反。早在計算機出現之前(連同發明電腦所需的人類一起)，自然界就想出了如何以DNA形式存儲大量信息的方法，DNA是我們所知道的生命的組成部分。現在，一些研究人員正在接受創建人工基因序列的想法，該序列使用DNA的四個堿基對(A，C，G和T)來表示信息的二進製位。

幾年前，斯洛文尼亞盧布爾雅那大學的研究人員證明，可以將計算機代碼片段編碼到煙草植物的DNA中。他們創建了一個簡單的計算機程序，然後將其拚接成煙草植物的基因組成。從本質上講，就是用計算機程序來克隆它。提取植物的DNA並進行測序，結果在計算機屏幕上彈出“Hello World”消息，十分令人驚喜。

從那時起，哈佛大學的一個團隊使用CRISPR基因編輯技術以細菌DNA的形式存儲視頻。與我們今天大多數人觀看的高分辨率視頻相比，該視頻更類似於低分辨率的GIF，盡管如此，還是取得了重大進步。“我們想測試細菌中的CRISPR-Cas係統是否可用於捕獲活細菌中具有時間成分的複雜信息。”負責這項實驗的哈佛大學神經科學家塞斯·希普曼博士當時對《Digital Trends》表示。

在2017年，希普曼告訴，這項研究目前還沒有實際應用。他補充說：“但希望就在眼前。”

那個“所謂的眼前”可能就是現在。在過去的幾年中，一家開創性的公司Catalog一直致力於將DNA存儲商業化。他們的建議是，很快就可以在一個大衣櫥大小的空間中存儲整個世界的數據。這要歸功於他們將數據編碼為合成聚合物(而不是諸如植物之類的生物)的方法。今年夏天，這家初創公司宣布已設法將所有16 GB的英語維基百科壓縮到一小瓶這種材料中。

令人興奮的遠不至於此。 Catalog的通訊總監CJ Huntzinger表示：“簡單地存儲數據並不僅是我們能做的所有事情。” “甚至不一定是整個平台中最吸引人的部分。我們看到了更多的計算機會，這些東西可以為人類帶來更多的價值，而不僅僅是將數據存儲在很小的空間裏。”

這包括在篩選基於DNA數據的能力方麵的突破。 “將信息投入到這些DNA分子中時，我們已經建立了一種理論框架，以指導我們如何操縱這些分子來進行基本計算，從而形成複雜的功能。” Huntzinger繼續說道，“在不久的將來，我們的目標是擁有一個通用的計算係統，在該係統中，我們可以將任何類型的布爾邏輯和功能轉換為一組分子指令。因此，在我們對它們進行計算之前，我們不必將信息從DNA分子中提取到數字介質中。”

隨著這項技術的不斷發展，它不僅在存儲方麵提供了巨大的潛力，而且還能夠跨PB級甚至是EB級的數據執行模式識別。

超低溫存儲

英國曼徹斯特大學(製造全能奇跡材料石墨烯背後的同一所大學)的研究人員還開發了一些令人印象深刻的下一代存儲技術。他們創造了一種分子，這種分子可以以小得多的體積存儲比當前硬盤多出數百倍的數據。問題是：它需要保持在極低的溫度才能正常工作。盡管數據中心需要過冷技術才能使用，但它們也將能夠大大減少其占用空間。運行更便宜，更節能，對環境的破壞更少。

“我們對製造可以存儲磁性信息的分子感興趣。” 曼徹斯特大學化學係資深講師兼皇家學會大學研究學者Nicholas Chilton博士表示，“如果這行之有效的話，可能會帶來一項非常有用的技術，因為分子非常非常小。遠遠小於用於存儲信息的現有磁性材料。使用單分子磁體，我們可以潛在地製造密度比當前技術(如HDD和SSD)高100倍的數據存儲介質，而HDD和SSD則麵臨著數據密度方麵的局限性。”

由於單分子磁體能夠在磁場關閉後的較長時間內記住施加磁場的方向，因此可以對其進行“寫入”。 2017年，Chilton和曼徹斯特同事David Mills博士製備並研究了第一個“dysprosocenium”分子：夾在兩個五元碳環之間的鏑離子。從那以後，大學的另外兩個小組根據Chilton和Mills的設計，通過製備更多的鏑分子，進一步完善了這項工作。本月，他們發表了一篇描述這項工作的新論文。

“最近發表在《科學》雜誌上的結果顯示，磁性存儲器的溫度高達80開爾文，這是一個重要的裏程碑，因為它高於液氮的溫度，而液氮與液氦不同，是一種廉價而豐富的資源。” Chilton解釋說，“但是，這並不意味著在液氮溫度下的數據存儲在分子中是可行的。這些數據可以存儲在80開爾文時的時間長度是秒的量級上，我們需要把它放在幾年的範圍內，以便於實際應用。”

在這項研究的前沿，Chilton和Mills正在嚐試用重元素磷代替環中的碳。雖然他們的第一個結果不是比全碳環更好，但他們倆希望這項研究將提供有關如何開發優質分子磁體的新思路。

仍然有一些瓶頸需要解決，比如如何將這些磁性分子放置在表麵上而不影響它們的性能，以及如何保護每個分子中的記憶不與相鄰分子相互作用。雖然Chilton承認，要使這一技術在商業上可行，還有“很長的路要走”，但這些令人興奮的進展值得我們關注。

準備好進行5D光學存儲

當然，如果超級冷藏還不能讓你興奮的話，那麼通過使用激光將TB級數據雕刻到細小的玻璃盤中來改變數據存儲的可能性又如何呢?那是英國南安普敦大學研究人員的使命宣言。為了開發可能存活數十億年的數字數據存儲，他們創建了依賴飛秒激光寫入的記錄和檢索過程。

南安普頓光電研究中心教授彼得·卡讚斯基博士(Peter Kazansky)接受采訪時表示：“我們正在開發主要用於對大量數據進行歸檔和冷存儲的數據存儲技術，例如用於數據中心和雲。” “我們的目標之一是替換目前用於此類應用的磁帶。我們的技術的優勢在於極高的耐用性，因為我們使用石英玻璃作為存儲介質，它可以在火災或太陽耀斑等災難中幸存下來，這可能對數據中心有害。另一個優勢是我們為數據存儲使用了額外的自由度，這有助於增加容量。”

該存儲解決方案被描述為五維的。信息被編碼為多層，包括通常的三個維度。但是，它也按照壓印結構的方向和大小進行編碼，從而為數據存儲提供了五個自由度。該存儲允許每個磁盤上存儲數百TB的數據容量。它還具有高達華氏1800度的熱穩定性。與僅持續十年左右的磁帶的脆弱性相比，這種方法似乎是堅不可摧的。

南安普敦大學的研究引起了微軟的興趣。上文中微軟Project Silica項目就是來源於此，旨在開發玻璃中的5D光存儲技術，這是有史以來第一項為雲端媒體設計和建造的存儲技術。卡讚斯基承認，“當前的主要瓶頸是書寫速度的提高。”

哪一個最重要?

目前，這三種方法都處於研究的各個階段。每一個都有其獨特的時間表、挑戰以及潛在的好處和原因。

我們最終會看到什麼樣的數據存儲的未來?這很難說。在當今的存儲方法像3½軟盤被取代之前，還有許多工作要做。

坦率地說，無論采用哪種方法，真正的贏家都是那些使用該技術的人。因為，永遠不必再刪除任何東西。