Nerokkaat tallennusvälineet – Kuinka kristallit voivat pelastaa ihmiskunnan

Tietojen tallennuksen kehitys

Tietojen kirjaaminen on ollut keskeistä sivilisaatioiden kehityksessä. Kirjalliset lähteet erottavat historialliset ajanjaksot esihistoriasta. Savitaulut, papyruskääröt, käsikirjoitukset ja kirjapainotaito muuttivat tapoja säilyttää ja levittää tietoa.

Nykyään tietoa käsitellään enemmän kuin koskaan. Tallennusvälineet eivät kuitenkaan säily muuttumattomina ikuisesti. Esimerkki on CD-levyjen materiaalien rappeutuminen eli levymätä, jossa esimerkiksi heijastava kerros vaurioituu. Myös museoiden arkistoissa säilytetyt levyt tarvitsevat seurantaa ja kopiointia. Käyttöikä riippuu valmistuksesta ja säilytyksestä; DVD- ja Blu-ray-levytkään eivät ole automaattisesti pysyviä arkistoja.

Lähde: Digital Scrapbooking Storage

Voimakkaat sähkömagneettiset häiriöt tai sähköverkon vauriot voivat vaikuttaa tallennusjärjestelmiin. Ei kuitenkaan ole perusteltua väittää, että yksi aurinkomyrsky tai EMP pyyhkisi kaiken maailman tiedon. Riski riippuu laitteista, suojauksesta ja varmuuskopioista.

Digitaalisen tiedon pitkäaikainen säilytys vaatii kopioita, laitteiden vaihtamista ja tiedostomuotojen ylläpitoa. Joidenkin muinaisten käsikirjoitusten säilyminen ei tarkoita, että kaikki vanhat välineet olisivat nykyisiä järjestelmiä luotettavampia.

Tutkijat kehittävät pitkäikäisempiä tallennusmenetelmiä. Yksi niistä muistuttaa ulkonäöltään tieteistarinoiden muistokristalleja.

Lähde: RPF

Tallennuslasin kestävyys

Monet materiaalit muuttuvat ajan myötä. Tässä käytetty sulatettu piidioksidilasi on kemiallisesti vakaa, mutta ei tarkasti ottaen kiteinen materiaali, vaikka tuotetta kutsutaan muistokristalliksi.

Tieto tallennetaan laserilla muodostettuihin nanorakenteisiin lasin sisällä. Kestävyyttä ei siis selitä yksinkertaisesti mineraalikiteen säännöllinen atomirakenne.

Lähde: Britannica

Piidioksidilasi kestää hyvin lämpöä ja kemiallisia muutoksia, eikä tallennus perustu sähköisen varauksen jatkuvaan ylläpitämiseen.

Näitä ominaisuuksia hyödyntäen Southamptonin yliopiston professori Peter Kazansky työryhmineen kehitti 5D-optisen tallennuksen. Vuonna 2024 tutkijat ilmoittivat tallentaneensa ihmisen genomin tällaiseen välineeseen.

Lähde: University of Southampton

Tekniikka voi mahdollistaa hyvin pitkäaikaisen arkistoinnin. Miljardien vuosien säilyvyysarviot perustuvat kokeisiin ja mallinnukseen, eivät yhtä pitkään toteutuneeseen seurantaan.

Välineeseen kaiverrettiin myös visuaalinen tulkinta-avain. Se kuvaa muun muassa vetyä, happea, hiiltä ja typpeä, DNA:n neljää emästä sekä kaksoiskierteen, kromosomin ja solun välisiä suhteita.

5D-kristallit

Ultranopea laser muodostaa nanorakenteita piidioksidilasin sisään. Kolmen paikkakoordinaatin lisäksi hyödynnetään kahta optista ominaisuutta. “5D” ei siten tarkoita viittä fyysistä avaruusulottuvuutta.

Lähde: ZME Science

Paperi, magneettinauha ja optiset levyt tallentavat tietoa pääasiassa pinnoille tai ohuisiin kerroksiin. Myös monikerroksisia ja kolmiulotteisia puolijohdemuisteja on olemassa.

Lasin eri syvyyksiin tallentaminen ja nanorakenteiden optisten ominaisuuksien erottaminen voivat kasvattaa tallennustiheyttä.

Kaksoistaitteisuus

Tutkijat hyödyntävät kaksoistaitteisuutta: valo etenee materiaalissa eri tavoin polarisaatiosta riippuen. Rakenteen sijainnin lisäksi voidaan erottaa sen optisia tiloja. Kapasiteetti riippuu tilojen määrästä ja kirjoitustiheydestä.

Tallennustiheyteen vaikuttavat laserin aallonpituus, tarkennus, rakenteiden koko ja niiden välinen etäisyys.

Näin voidaan tavoitella satojen teratavujen kapasiteettia yhdelle välineelle. Kahdeksan erotettavaa tilaa vastaa kolmea bittiä, kun taas kahdeksan bittiä tarkoittaa 256 tilaa; näitä ei pidä sekoittaa. Suurin ennakoitu kapasiteetti on myös eri asia kuin yksittäisessä genomikokeessa tallennettu määrä.

5D-muistokristalli

Äärimmäinen kestävyys

Tutkijat korostavat piidioksidilasin lämpö- ja kemiallista kestävyyttä. Julkaisuissa kuvataan esimerkiksi jopa 1 000 °C:n lämpötilan sietoa tietyissä oloissa. Tämä ei tarkoita rajatonta kestävyyttä kaikille iskuille, säteilylle tai sähkövirralle.

Sovellukset

Pysyvät arkistot

Tekniikka on tarkoitettu etenkin kerran kirjoitettavan tiedon pitkäaikaiseen säilyttämiseen. Se ei suoraan korvaa tietokoneen jatkuvasti uudelleen kirjoitettavaa muistia.

Lukeminen vaatii erityisiä optisia laitteita. Nopeus, kustannukset ja käytettävyys ovat edelleen kehityskohteita.

Mahdollisia käyttökohteita ovat pitkään muuttumattomina säilytettävät aineistot, esimerkiksi:

• Historialliset ja arkeologiset tiedot.
• Kirjallisuus, musiikki ja taide yleisesti.
• Tieteellinen tieto ja matematiikan, kemian, fysiikan ja biologian tietokannat.
• Pitkäaikaista säilytystä vaativat taloudelliset tiedot. Välineen fyysinen kestävyys ja lohkoketjun tietojen eheys ovat kuitenkin eri asioita.
• Varmuuskopiointiohjelmat ja muut IT-järjestelmien keskeiset tiedot.

Katastrofivakuutus

Ihmisen genomin sisältävä tallenne sijoitetaan Memory of Mankind -arkistoon Itävallan Hallstattin suolakaivoksessa.

Suolakaivoksen ympäristöä käytetään pitkäaikaiseen säilytykseen. Geologiset olot voivat suojata aineistoa, mutta mikään arkisto ei ole varmasti turvassa kaikilta ihmisistä tai luonnosta johtuvilta riskeiltä.

Arkiston tarkoituksena on säilyttää kertomuksia, todistuksia ja teknistä tietoa sekä esimerkiksi vaarallisten jätteiden loppusijoituspaikkojen sijainteja. Aiemmin se on käyttänyt korkeateknisiä keraamisia välineitä tekstien ja kuvien säilyttämiseen. Mukana on myös aineiston tulevaa tulkintaa helpottavia ohjeita.

Keraaminen mikrofilmi voi tiivistää paljon tekstiä pieneen tilaan. Todellinen kapasiteetti riippuu kaiverruksen koosta ja käytetystä menetelmästä.

Uhanalaisten lajien geneettinen data

Osa tiedosta on menetyksen jälkeen mahdotonta palauttaa. Tämä koskee ihmisten saavutusten lisäksi luonnon monimuotoisuutta.

Uhanalaisten ja sukupuuttoon kuolleiden lajien geneettisten tietojen säilyttäminen voi olla arvokasta tutkimukselle.

Esimerkiksi Craig Venterin työryhmän vuonna 2010 kehittämä synteettisen genomin sisältävä bakteerisolu ja mammuttien ominaisuuksiin kohdistuva tutkimus osoittavat synteettisen biologian mahdollisuuksia. Pelkkä genomi ei kuitenkaan riitä monimutkaisen sukupuuttoon kuolleen eläimen palauttamiseen. Solujen toiminta, alkionkehitys ja lisääntyminen aiheuttavat suuria haasteita.

Syväavaruuden tutkimus

Kazanskyn työryhmä sai vaikutteita myös Pioneer-luotainten kuvallisista laatoista, jotka lähetettiin NASAn luotainten mukana kertomaan ihmiskunnasta mahdollisille tuleville löytäjille.

Lähde: Space.com

Vastaavaa tallennetta voidaan käyttää avaruudessa. Esimerkiksi Asimovin Säätiö-trilogian sisältänyt 5D-tallenne oli mukana vuonna 2018 avaruuteen lähetetyssä Tesla Roadsterissa (TSLA ).

Ajatus genomin lähettämisestä tähtiin ja ihmisten synnyttämisestä siellä on spekulatiivinen. Se ei ole toteutettavissa oleva siirtokuntamenetelmä, vaan siihen liittyy ratkaisemattomia biologisia, teknisiä ja eettisiä kysymyksiä.

Sijoittaminen datan tallennukseen

5D-tallennus on vielä kehittyvä tekniikka. Sitä kehittää myös Southamptonin tutkimuksesta lähtöisin oleva yksityinen yritys. Muutkin yritykset tutkivat nykyistä pitkäikäisempiä tai tehokkaampia tallennusmenetelmiä.

Alan yrityksiin voi sijoittaa välittäjien kautta. Sivustolta securities.io löydät välittäjiä käsitteleviä artikkeleita seuraaville alueille: Yhdysvallat, Kanada, Australia, Yhdistynyt kuningaskunta, monet muut maat.

Laajempaa teknologia-alan hajautusta voi tarkastella esimerkiksi seuraavien ETF:ien kautta: ProShares Nanotechnology ETF (TINY), Global X Cloud Computing ETF (CLOU) tai Defiance Quantum ETF (QTUM). Hajautus ei poista markkina- ja toimialariskiä.

Tietojen tallennukseen liittyvät yritykset

1. Twist Biosciences

Twist Bioscience on erikoistunut DNA:n synteesiin ja hyödyntää puolijohdeteollisuudesta tuttuja pienentämismenetelmiä ajan ja kustannusten säästämiseksi.

Yritys kehittää myös DNA-pohjaista tietojen tallennusta. Sekvenssit voivat säilyä ilman jatkuvaa sähköä, mutta kirjoittaminen ja lukeminen tarvitsevat synteesi- ja analyysilaitteita.

Yritys ilmoittaa pienentäneensä reaktiotilavuutta ja kasvattaneensa läpimenoa. Esitetyt kertoimet ja geenimäärät koskevat tiettyjä prosesseja ja vertailukohtia.

Lähde: Twist Biosciences

Tammikuussa 2023 yritys ilmoitti aloittaneensa toimitukset toisesta tuotantolaitoksestaan. Uusi laitos lisäsi tuotantokapasiteettia.

Nukleiinihappojen synteesi voi tukea myös aptameerien kehittämistä. Se ei tarkoita, että yrityksestä tulisi automaattisesti merkittävä veren hyytymistä estävien lääkkeiden valmistaja.

Twist voi toimia sekvenssejä valmistavana kumppanina tietojen tallennuksen tutkimuksessa tai hyytymistä estävien aptameerien kehittämisessä. Kyse on eri markkinoista ja erikseen validoitavista sovelluksista.

2. Pure Storage

DNA ja 5D-lasi voivat tarjota tulevaisuuden arkistointivaihtoehtoja. Tavalliset kiintolevyt ja puolijohdemuistit palvelevat silti suurta osaa nykyisestä tallennustarpeesta.

Pure Storage tarjoaa flash-tallennusta ja palveluna toimitettavaa tallennuskapasiteettia. Sen asiakkaita ovat esimerkiksi Meta, Comcast (CMCSA ), Domino’s Pizza (DPZ ) ja NASA. Kasvuluvut ja asiakasmäärät riippuvat mittausajankohdasta eikä yhtä prosenttilukua voi pitää pysyvänä kasvuvauhtina.

Lähde: Pure Storage

Yritys kertoo tukevansa myös SiriusXM:n (SIRI ), AutoNationin (AN ), Health Genome Center 2030:n ja Crater Labsin kaltaisten asiakkaiden AI-hankkeita.

FlashArray ja FlashBlade käyttävät flash-muistia. Suorituskyky suhteessa kiintolevyihin riippuu työkuormasta, kokoonpanosta ja vertailumenetelmästä.

Yrityksen ilmoittamat energian, tilan ja luotettavuuden parannukset koskevat tiettyjä vertailuja. Ne eivät takaa samaa tulosta jokaisessa järjestelmässä.

Lähde: Pure Storage

Datakeskusten energiankulutus tekee tehokkuudesta tärkeää. Tallennusjärjestelmän kulutuksen vähennystä ei kuitenkaan voi suoraan tulkita koko datakeskuksen tai maailman energiankulutuksen vastaavaksi vähennykseksi.

Pure Storage on laajentanut laitemyynnistä tilaus- ja käyttöperusteisiin tallennuspalveluihin. Se ei tarkoita samaa liiketoimintamallia kuin yleiskäyttöinen julkinen pilvipalvelu.

AI ja energiatehokkuuden tarve voivat kasvattaa kysyntää. Sähköntarpeeseen liittyvä esimerkki on vuonna 2024 julkistettu Three Mile Islandin ykkösyksikön uudelleenkäynnistyssuunnitelma ja Microsoftin sähkönostosopimus (MSFT ). Suunnitelma vaati vielä lupia ja kunnostusta eikä takaa Pure Storagen myynnin kasvua.