Geniale Speichermedien – Wie Kristalle die Menschheit retten können

Entwicklung der Datenspeicherung

Recording data was crucial to civilization’s founding. In fact, the invention of written records defined the separation between the prehistorical and historical periods. From early cuneiform clay tablets and papyrus scrolls to medieval books and the printing press, improvements in writing methods and technology have been transformative to human societies.

Heute erfassen und verarbeiten wir mehr Daten als je zuvor. Paradoxerweise sind unsere Speichermedien jedoch zunehmend fragil geworden. Zum Beispiel sind wir jetzt über Diskrot, oder CD‑Rot informiert, das die Degradation der reflektierenden Schicht einer Compact Disc (CD) bezeichnet. Es ist wahrscheinlich, dass die meisten dieser Speichermedien, einschließlich Museumarchive, nach nur wenigen Jahrzehnten unlesbar sein werden. Dasselbe Problem betrifft andere optische Speichermethoden wie DVDs und Blu‑Rays.

Quelle: Digital Scrapbooking Storage

Ähnlich können Festplatten sehr empfindlich gegenüber elektromagnetischen Wellen sein, sodass ein ausreichend starkes Sonnensturmereignis oder ein EMP den Großteil der weltweiten Daten löschen könnte.

Insgesamt wird das moderne Wissen im Vergleich zu Manuskripten, die auf Pergament, Papyrus oder Ton geschrieben wurden, nur einige Jahrzehnte bis ein Jahrhundert überdauern, oder steht nur einer Katastrophe von einer vollständigen Zerstörung entfernt.

Glücklicherweise erforschen Wissenschaftler Technologien für wesentlich haltbarere Datenspeicherung. Und amüsanterweise könnte sie stark an die Art von Kristallen erinnern, die wir in außerirdischen Schiffen in Science‑Fiction‑Serien sehen.

Quelle: RPF

Haltbarkeit von Kristallen

Die meisten Materialien verschlechtern sich im Laufe der Zeit, sei es durch fortschrittliche Gravur auf Siliziumwafern oder Papier/Tierhäute. Mineralische Kristalle hingegen sind eine Strukturart, die bemerkenswert stabil über Jahrtausende, wenn nicht sogar Millionen von Jahren, bleibt.

Das liegt daran, dass Kristalle auf atomarer Ebene sehr starr organisiert und strukturiert sind. Das bedeutet, dass man sie auf atomarer Ebene brechen muss, anstatt lediglich die Bindungen zwischen großen Fasern oder die elektromagnetische Ladung eines Siliziumatoms zu reduzieren.

Quelle: Britannica

Dies macht Kristalle extrem widerstandsfähig gegen Schäden durch Hitze, Mikroorganismen oder Elektromagnetismus.

Genau diese Eigenschaften ermöglichten es Prof. Peter Kazansky von der University of Southampton, die Kristall‑Datenspeicherung zu entwickeln. Sie haben kürzlich die Gesamtheit der menschlichen Genomdaten in einem solchen Kristall registriert.

Quelle: University of Southampton

Langfristig könnte es zu einer Methode werden, die Gesamtheit des menschlichen Wissens fast für die Ewigkeit zu speichern.

“Der auf dem Kristall eingravierte visuelle Schlüssel gibt dem Finder Auskunft darüber, welche Daten im Inneren gespeichert sind und wie sie verwendet werden können.

Über den dichten Datenebenen im Inneren zeigt der Schlüssel die universellen Elemente (Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff); die vier Basen des DNA‑Moleküls (Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin) mit ihrer Molekülstruktur; ihre Anordnung in der Doppelhelix‑Struktur der DNA; und wie Gene sich in ein Chromosom einordnen, das dann in eine Zelle eingefügt werden kann.”

5D‑Kristalle

Sie nutzten die 3‑dimensionale Natur von Kristallen. Sie speichern die Daten im Kristall mithilfe von ultraschnellen Lasern, die Daten präzise in nanostrukturierte Hohlräume im Siliziumkristall einprägen – mit Merkmalen von nur 20 Nanometern Größe.

Quelle: ZME Science

Dies steht im Gegensatz zu den meisten derzeit verwendeten Datenaufzeichnungen, die Daten meist auf einer 2‑D‑Ebene speichern, sei es Papier, Magnetband oder Siliziumwafer.

Stattdessen zeichnen sie die Daten in allen Tiefen des Kristalls (3D) auf und erhöhen die Datendichte, indem sie zu der 3‑dimensionalen räumlichen Dimension zwei optische Dimensionen hinzufügen.

Birefringenz

Theoretisch könnte die „einfache“ 3‑D‑Datenspeicherung, die die räumliche Position des nanoskopen Hohlraums im Kristall nutzt, ausreichen. Allerdings würde dies viel größere Kristalle erfordern oder das Datenvolumen, das pro Kristall gespeichert werden kann, begrenzen.

Daher nutzen die Forscher auch ein Phänomen, das „Birefringenz“ genannt wird. Es bedeutet, dass das Material Licht je nach Polarisation unterschiedlich umlenkt. Das ermöglicht es uns, die Datenspeicherdichte um das 8‑fache zu vervielfachen.

Durch die Aufzeichnung von Daten mit stärker fokussierter Optik und Licht kürzerer Wellenlänge ist es möglich, eine räumliche (3D) Verdichtung zu erreichen, die der von Blu‑Ray‑Discs ähnelt und eine Grube von weniger als 200 nm Größe beinhaltet.

In Kombination mit der vierten und fünften Dimension, die durch Birefringenz bereitgestellt wird und es einer einzelnen Grube ermöglicht, acht Bit (ein Byte) an Informationen zu speichern statt nur eines, könnte eine beispiellose Kapazität von mehreren hundert Terabyte in einer einzigen 12 cm‑Durchmesser‑Scheibe erreicht werden.

5D Memory Crystal

Extreme Haltbarkeit

Dies wäre nicht nur so dicht in der Datenspeicherung wie Blu‑Rays, sondern auch deutlich haltbarer. Der verwendete Kristall entspricht Quarzglas, einem der chemisch und thermisch beständigsten Materialien auf der Erde.

Er kann die extremen Temperaturen von Gefrieren bis zu Feuer und Temperaturen von bis zu 1000 °C standhalten. Der Kristall kann zudem einer direkten Aufprallkraft von bis zu 10 Tonnen pro cm² widerstehen und bleibt unverändert bei langer Exposition gegenüber kosmischer Strahlung. Ebenso unbeeinflusst von intensiven elektrischen Strömen.

Anwendungen

Dauerhafte Archive

Obwohl ultra‑haltbar, ist ein solches Datenspeichersystem nicht wiederbeschreibbar. Daher sollten wir nicht erwarten, dass diese Technologie in naher Zukunft Teil unserer Computer wird.

Es ist zudem wahrscheinlich nicht so schnell oder einfach zu lesen wie optische Discs, sodass es ein schlechtes Medium für Daten ist, die wir häufig abrufen möchten.

Es ist jedoch das perfekte Speicherformat für Archive, die wir über einen extrem langen Zeitraum unverändert erhalten wollen. Daher könnte dies ein hervorragendes System sein, um viele Arten von Informationen zu speichern, die sich im Laufe der Zeit nicht ändern und wichtig genug sind, um den Aufwand zu rechtfertigen:

• Historische und archäologische Aufzeichnungen.
• Literatur, Musik und Kunst im Allgemeinen.
• Wissenschaftliches Wissen, von der Geschichte der Wissenschaft bis zu Datenbanken über bekannte Mathematik, Chemie, Physik, Biologie usw.
• Finanzdaten, wobei eine solche Speicherung möglicherweise sogar haltbarer ist als dezentrale Blockchain‑Netzwerke.
• Backup‑Programme und andere Kerndaten von IT‑Systemen.

Katastrophenversicherung

Die kürzlich auf dem 5D‑Kristall aufgezeichneten menschlichen Genomdaten werden in den Memory Of Mankind-Archiven gespeichert. Dies ist eine spezielle Zeitkapsel in einer Salzhöhle, die 2 km tief in Hallstatt, Österreich, vergraben ist.

Die Geologie des Berges wird es dem MOM‑Archiv ermöglichen, sich durch ein natürliches Phänomen vollständig zu schließen: Das Salz „fließt“ mit einer Geschwindigkeit von 2 cm/Jahr in jede Lücke. Dies wird das Archiv vor der größten Bedrohung schützen; dem Menschen selbst.

Ziel ist die Archivierung des menschlichen Gedächtnisses, von von Einzelpersonen gesammelten Zeugenaussagen und Geschichten bis hin zur Dokumentation von Technologie, sowie beispielsweise die Standorte von nuklearen oder toxischen Abfalllagern.

Zuvor verließ sich Memory Of Mankind auf Hochtechnologie‑Keramik, um Text und Bilder dauerhaft zu speichern, mit dem Ziel, in einer Million Jahren lesbar zu sein. Es wird zudem ein sehr umfangreiches Entschlüsselungswerkzeug enthalten, um unsere Sprache zu erklären.

Ein Tablet aus Keramik‑Mikrofilm (20 × 20 cm) kann bis zu 5 Millionen Zeichen tragen, was 5 × 400‑seitigen Büchern entspricht. Ein Buch auf Keramik‑Mikrofilm benötigt nur 1/200 des Volumens im Vergleich zur gedruckten Version.

Genetische Daten ausgestorbener Arten

Manche Daten können nach einem Verlust nie wiederhergestellt werden. Das gilt nicht nur für menschliche Errungenschaften, sondern auch für die natürliche Welt.

Zum Beispiel könnten (sollten?) die genetischen Daten ausgestorbener oder gefährdeter Arten auf solch dauerhafte Weise archiviert werden.

Angesichts der Schaffung eines synthetischen Bakteriums durch das Team von Dr. Craig Venter im Jahr 2010 und der aktuellen Bemühungen, Mammuts wiederzubeleben ist es nicht abwegig, sich vorzustellen, dass in einigen Jahrzehnten oder Jahrhunderten Anstrengungen unternommen werden, solche ausgestorbenen Arten von Grund auf neu zu erschaffen.

Weltraumerkundung

Prof. Kazansky und sein Team ließen sich von den Pioneer‑Raumfahrzeug‑Plaketten inspirieren, die von der NASA auf einen Kurs jenseits der Grenzen des Sonnensystems gestartet wurden.

Quelle: Space.com

5D‑Kristall könnte ähnlich verwendet werden, um Informationen über die Sterne zu übertragen, mit minimalem bis keinem Datenverlust. Das wurde bereits umgesetzt, wenn auch eher als Marketinggimmick, da ein 5D‑Kristall, der Asimovs Foundation‑Trilogie‑Science‑Fiction‑Klassiker enthielt, war an Bord des Tesla Roadster, der 2018 ins All geschickt wurde (TSLA ).

Einige fantasievolle Denker erwägen sogar, dass dies ein Weg für die Menschheit sein könnte, die Sterne zu erkunden, selbst ohne schnelle Reisemethoden. Ein Schiff könnte mit den Daten und Maschinen, die zur Herstellung menschlicher Embryonen „von Grund auf“ nötig sind, gesendet werden und neue Kolonisten in weit entfernten Sternen zur Welt bringen.

Investieren in Datenspeicherung

5D‑Kristalle sind derzeit eine sehr neue Technologie, die auch von dem privaten Unternehmen 5D Memory Crystal / SPhotonics entwickelt wird, das aus der University of Southampton ausgegründet wurde. Andere Unternehmen untersuchen jedoch, wie die Datenspeichertechnologie weitaus widerstandsfähiger als unsere aktuellen Methoden gemacht werden kann.

Sie können in Datenspeicherungsunternehmen über viele Broker investieren, und hier auf securities.io finden Sie unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien, dem Vereinigten Königreich sowie in vielen anderen Ländern.

Wenn Sie nicht ausschließlich an Datenspeicherungsunternehmen interessiert sind, können Sie auch in Technologie‑ETFs wie ProShares Nanotechnology ETF (TINY), Global X Cloud Computing ETF (CLOU) oder Defiance Quantum ETF (QTUM) investieren, die eine diversifiziertere Beteiligung ermöglichen, um von der Bedeutung von Daten und IT in der modernen Wirtschaft zu profitieren.

Datenspeicherungsunternehmen

1. Twist Biosciences

Das Unternehmen spezialisiert sich auf DNA‑Synthese, nutzt Miniaturisierungsmethoden aus der Halbleiterindustrie und spart Forschern Zeit und Geld.

Es arbeitet zudem an der Entwicklung von DNA‑basierten Datenspeichern, die zur Sicherung von Daten unabhängig von elektronischen Systemen genutzt werden könnten. Vielleicht könnten fortschrittliche Datenspeichertechnologien also DNA selbst verwenden, neben Kristallen.

Diese Miniaturisierung ermöglicht es uns, das Reaktionsvolumen um den Faktor 1.000.000 zu reduzieren und gleichzeitig den Durchsatz um den Faktor 1.000 zu erhöhen, wodurch die Synthese von 9.600 Genen auf einem einzigen Siliziumchip im vollen Maßstab ermöglicht wird.

Quelle: Twist Biosciences

Im Januar 2023 begann das Unternehmen, Produkte von seiner kürzlich eröffneten zweiten Fertigungsanlage zu versenden. Die neue Fabrik sollte die Produktionskapazitäten von Twist verdoppeln.

Mit seiner fortschrittlichen DNA‑ und RNA‑Synthesefähigkeit könnte Twist schnell zu einem bedeutenden Aptamer‑Hersteller werden, falls der Markt für Antikoagulanzien wächst.

Als „neutraler“ Produzent, der sich darauf konzentriert, die besten Nukleinsäuresequenzen zum besten Preis zu liefern, könnte es ein bevorzugter Fertigungspartner für jedes Pharmaunternehmen sein, das nützliche Nukleinsäuren kommerzialisieren möchte, wie Datenspeicherung oder antikoagulative Aptamere.

2. Pure Storage

Es ist durchaus möglich, dass wir eines Tages auf DNA‑ oder 5D‑Kristallspeicherung zurückgreifen, um kritische Daten zu sichern. Bis dahin wird unser Bedarf an zusätzlichem Speicher wahrscheinlich über die übliche siliziumbasierte Lösung gedeckt werden.

Pure Storage ist ein führendes Unternehmen im Markt für „Storage-as-a-Service“ (STaaS). Es wächst schnell (18 % Jahres‑zu‑Jahres) und hat bereits über 12.500 globale Kunden (gegenüber über 9.000 im Jahr 2022), darunter Meta, Comcast (CMCSA ), Domino’s Pizza und NASA.

Quelle: Pure Storage

Pure Storage unterstützt zudem viele KI‑Projekte von SiriusXM, AutoNation (AN ), Health Genome Center 2030, Crater Labs usw.

Der Hauptvorteil des Unternehmens beruht auf seiner FlashArray‑ und FlashBlade‑Technologie, die im Vergleich zu Festplatten überlegen ist, indem sie Daten auf Flash‑Speicherlaufwerken speichert.

Seine Systeme verbrauchen 2‑5 mal weniger Strom und Platz als bestehende Festplattensysteme und sind 10‑mal zuverlässiger.

Quelle: Pure Storage

Da 1‑2 % des globalen Energieverbrauchs von Rechenzentren stammen, kann eine Reduzierung des speicherbezogenen Energieverbrauchs um 80 % massive Auswirkungen haben.

Pure Storage begann hauptsächlich als Hardware‑Hersteller, hat sich jedoch langsam zu einem Cloud‑Dienstleister mit vollständigen schlüsselfertigen Angeboten entwickelt.

Pure Storage wird in den kommenden Jahren wahrscheinlich von dem Aufstieg der KI profitieren, kombiniert mit dem Bedarf, den Energieverbrauch der IT‑Industrie zu senken, wie zum Beispiel im jüngsten Deal von Microsoft, das Kernkraftwerk Three Mile Island wieder in Betrieb zu nehmen (MSFT ).