Des supports de stockage ingénieux : comment les cristaux pourraient préserver les connaissances humaines

Évolution du stockage de données

L’enregistrement des informations a joué un rôle essentiel dans le développement des civilisations. L’apparition de documents écrits marque même, par convention, la séparation entre préhistoire et histoire. Des premières tablettes cunéiformes en argile et des rouleaux de papyrus aux livres médiévaux puis à l’imprimerie, l’évolution de l’écriture et de ses supports a profondément transformé les sociétés humaines.

Nous enregistrons et traitons aujourd’hui plus de données que jamais. Leur conservation reste toutefois soumise au vieillissement des supports. C’est notamment le cas de la dégradation des disques optiques, qui peut affecter la couche réfléchissante d’un CD. La durée de vie de ces supports varie fortement, y compris dans les archives des musées. Certains deviennent illisibles après quelques décennies, sans que ce délai soit universel. Les DVD et les Blu-ray peuvent également se dégrader.

Source: Digital Scrapbooking Storage

Les disques durs et leurs composants électroniques peuvent également être endommagés par certains phénomènes électromagnétiques. Cela ne signifie toutefois pas qu’une tempête solaire ou une impulsion électromagnétique effacerait nécessairement toutes les données mondiales, réparties entre des supports et des sites différents.

La préservation des connaissances numériques exige donc de gérer le vieillissement des supports, les pannes et l’obsolescence des formats. La réplication et la migration régulière des données complètent la recherche de supports plus durables.

Les chercheurs étudient justement des technologies capables de conserver les informations beaucoup plus longtemps. Certains de ces supports ressemblent étonnamment aux cristaux présents dans les vaisseaux extraterrestres des séries de science-fiction.

Source: RPF

Durabilité des cristaux

La stabilité d’un support dépend de sa composition et des conditions de conservation. Certains matériaux minéraux offrent une grande résistance chimique et thermique. Le support présenté ici est du verre de silice fondue, un matériau amorphe : l’appellation « cristal mémoire » ne signifie donc pas qu’il possède un réseau cristallin régulier.

Dans un cristal au sens physique du terme, les atomes suivent une organisation périodique. Le verre de silice utilisé pour ce stockage possède une structure différente. Sa durabilité repose sur les propriétés de la silice et sur la stabilité des nanostructures inscrites dans le matériau, plutôt que sur un réseau cristallin.

Source: Britannica

La résistance à la chaleur, aux réactions chimiques et aux autres contraintes dépend ainsi du matériau et des conditions d’exposition ; elle ne constitue pas une propriété absolue de tous les cristaux.

Ces propriétés ont conduit le Pr Peter Kazansky, de l’Université de Southampton à développer ce stockage optique. En septembre 2024, son équipe a annoncé avoir enregistré un génome humain complet dans un tel support.

Source: Université de Southampton

À long terme, cette approche pourrait contribuer à conserver de vastes ensembles de connaissances humaines. Les durées de conservation extrêmement longues annoncées reposent cependant sur des estimations et des essais accélérés, et non sur une observation pendant des milliards d’années.

« La clé visuelle inscrite sur le cristal indique à une personne qui le découvrirait quelles données il contient et comment elles pourraient être utilisées.

Au-dessus des plans denses où sont enregistrées les données, cette clé représente les éléments universels — hydrogène, oxygène, carbone et azote —, les quatre bases de l’ADN — adénine, cytosine, guanine et thymine — et leur structure moléculaire, leur disposition dans la double hélice, ainsi que l’organisation des gènes dans un chromosome pouvant être introduit dans une cellule. »

Cristaux 5D

L’équipe exploite le volume du verre de silice fondue. Des lasers ultrarapides y inscrivent des nanostructures avec des détails pouvant atteindre 20 nanomètres. Le support contient ainsi plusieurs couches de données, plutôt qu’une seule surface d’enregistrement.

Source: ZME Science

Cette organisation se distingue des supports qui enregistrent principalement les informations sur une surface, comme le papier ou une bande magnétique. Les technologies numériques existantes peuvent toutefois elles aussi employer plusieurs couches ; le stockage volumique n’est donc pas une opposition absolue entre tous les anciens supports et cette nouvelle méthode.

Aux trois coordonnées spatiales de chaque zone d’enregistrement s’ajoutent deux paramètres optiques : l’orientation de l’axe optique et le retard de phase associé à la biréfringence. C’est cette combinaison qui explique l’appellation « 5D ».

Biréfringence

La seule position des nanostructures dans le volume permettrait déjà d’enregistrer des informations. L’utilisation de paramètres optiques supplémentaires augmente toutefois la quantité d’information que l’on peut associer à chaque zone.

Les chercheurs exploitent donc la biréfringence : la réponse optique du matériau dépend de la polarisation de la lumière. La lecture de plusieurs états optiques permet un encodage plus dense qu’un simple choix binaire à chaque emplacement.

Des optiques de focalisation plus précises et une lumière de longueur d’onde plus courte permettent de resserrer les zones d’enregistrement, avec des dimensions inférieures à 200 nm.

La combinaison de cette densité spatiale et des paramètres de biréfringence ouvre la voie à des capacités potentielles de plusieurs centaines de téraoctets sur un disque de 12 cm de diamètre. Il s’agit d’un potentiel de stockage, et non de la quantité effectivement inscrite dans chaque démonstrateur.

5D Memory Crystal

Durabilité extrême

Outre cette densité potentielle, le support vise une grande durabilité. Il est constitué de silice fondue, un verre réputé pour sa résistance chimique et thermique.

Selon l’Université de Southampton, le support peut résister à des températures allant jusqu’à 1 000 °C et à des contraintes atteignant 10 tonnes par cm² ; l’université indique également une résistance à de longues expositions au rayonnement cosmique. Ces performances doivent être comprises dans le cadre des essais et conditions considérés, sans supposer une invulnérabilité à toute contrainte physique ou électrique.

Applications

Archives permanentes

Cette technologie est principalement envisagée pour l’archivage de très longue durée. Sa durabilité ne signifie pas qu’elle puisse remplacer immédiatement les supports rapides et fréquemment réécrits de nos ordinateurs.

La lecture et l’écriture nécessitent en outre un équipement optique spécialisé. Le support ne constitue donc pas, à ce stade, un équivalent pratique d’un disque couramment utilisé pour consulter et modifier des fichiers.

Il pourrait en revanche convenir à des archives destinées à rester inchangées pendant très longtemps, notamment lorsque la valeur de l’information justifie l’effort de conservation :

• Les documents historiques et archéologiques.
• La littérature, la musique et les œuvres artistiques en général.
• Les connaissances scientifiques, de l’histoire des sciences aux bases de données en mathématiques, chimie, physique ou biologie.
• Les données financières nécessitant un archivage durable, avec des contraintes différentes de celles d’un réseau de blockchain.
• Les sauvegardes de logiciels et d’autres données essentielles aux systèmes informatiques.

Assurance contre les catastrophes

Le support 5D contenant le génome humain doit être conservé dans les archives Memory Of Mankind. Cette capsule temporelle se trouve à Hallstatt, en Autriche, dans une cavité située à environ 2 km à l’intérieur d’un gisement de sel.

Selon le projet MOM, la géologie de la montagne permettra à l’archive de se refermer naturellement : le sel « s’écoule » dans les cavités à une vitesse d’environ 2 cm par an. Le projet considère ce phénomène comme une protection contre les interventions humaines.

L’objectif est de préserver la mémoire humaine, depuis les témoignages et récits individuels jusqu’à la documentation technique, y compris, par exemple, l’emplacement des dépôts de déchets nucléaires ou toxiques.

Le projet Memory Of Mankind emploie aussi des céramiques de haute technologie pour conserver textes et images, avec l’objectif de les rendre lisibles pendant un million d’années. Il prévoit également des outils de déchiffrement détaillés pour expliquer nos langues.

Une tablette de microfilm céramique de 20 × 20 cm peut contenir jusqu’à 5 millions de caractères, soit l’équivalent de cinq livres de 400 pages. Selon le projet, un livre conservé de cette manière occupe 1/200 du volume de sa version imprimée.

Données génétiques d’espèces éteintes

Certaines informations ne peuvent pas être reconstituées après leur disparition. Cela concerne aussi bien les réalisations humaines que le monde vivant.

Les données génétiques d’espèces menacées ou disparues pourraient ainsi être conservées sur un support de très longue durée.

En 2010, l’équipe de Craig Venter a créé une cellule bactérienne contrôlée par un génome synthétique en introduisant ce génome dans une cellule existante. Les  progrès des biotechnologies appliquées à la conservation ouvrent d’autres perspectives. Ils ne permettent toutefois pas, à eux seuls, de recréer de toutes pièces une espèce disparue à partir de son seul génome.

Exploration de l’espace profond

Le Pr Kazansky et son équipe se sont inspirés des plaques des sondes Pioneer lancées par la NASA sur des trajectoires les conduisant au-delà du Système solaire.

Source: Space.com

Un support 5D pourrait de même transporter des informations dans l’espace. Une première démonstration symbolique a déjà eu lieu : un support 5D contenant la trilogie de science-fiction Fondation d’Isaac Asimov accompagnait la Tesla Roadster envoyée dans l’espace en 2018 (TSLA ).

Certains scénarios de science-fiction imaginent même l’envoi de données génétiques et de machines permettant de créer des embryons humains dans un système stellaire lointain. En 2024, ce scénario reste hautement spéculatif : disposer d’un génome numérique ne permet pas de créer un être humain, et ne résout ni les difficultés biologiques ni celles de la gestation et de la survie d’une colonie.

Investir dans le stockage de données

En 2024, le stockage 5D reste une technologie émergente, également développée par la société privée 5D Memory Crystal / SPhotonics, issue de l’Université de Southampton. D’autres entreprises explorent aussi des méthodes susceptibles d’améliorer la résilience du stockage des données.

De nombreux courtiers permettent d’investir dans les entreprises de stockage. Sur securities.io, vous trouverez nos sélections de courtiers pour les États-Unis, le Canada, l’Australie, le Royaume-Uni, ainsi que de nombreux autres pays.

Pour élargir l’exposition au-delà des seules entreprises de stockage, il existe aussi des ETF technologiques tels que ProShares Nanotechnology ETF (TINY), Global X Cloud Computing ETF (CLOU), ou Defiance Quantum ETF (QTUM) qui offrent une exposition plus diversifiée aux technologies numériques. Cette diversification n’élimine pas les risques d’investissement.

Entreprises de stockage de données

1. Twist Bioscience

L’entreprise est spécialisée dans la synthèse de l’ADN et utilise des méthodes de miniaturisation issues de l’industrie des semi-conducteurs, afin de réduire les délais et les coûts pour les chercheurs.

Elle travaille également sur le stockage de données dans l’ADN qui pourrait préserver des informations indépendamment des systèmes électroniques. L’ADN constitue ainsi une autre piste de stockage à explorer, aux côtés des supports optiques en silice.

Selon Twist, cette miniaturisation permet de diviser le volume des réactions par 1 000 000 tout en multipliant le débit par 1 000, afin de synthétiser jusqu’à 9 600 gènes sur une seule puce de silicium à pleine capacité.

Source: Twist Bioscience

En janvier 2023, l’entreprise a commencé à expédier des produits depuis son deuxième site de production récemment ouvert. Ce nouveau site devait doubler la capacité de production de Twist.

Le savoir-faire de Twist dans la synthèse de l’ADN pourrait soutenir le développement de nouvelles applications utilisant des acides nucléiques. Il ne suffit toutefois pas à établir que l’entreprise dispose déjà d’une capacité commerciale de fabrication de tous les aptamères, notamment ceux constitués d’ARN.

En tant que fournisseur de séquences d’ADN à des clients variés, Twist pourrait contribuer à de nouvelles applications de stockage ou de recherche biomédicale. Les aptamères anticoagulants illustrent une application possible des acides nucléiques, sans établir un produit commercial précis de Twist.

2. Pure Storage

L’ADN ou les supports optiques en silice pourraient un jour contribuer à protéger des données critiques. En attendant, les besoins croissants de stockage continuent de soutenir les solutions électroniques classiques, notamment les mémoires flash.

Pure Storage propose du stockage fourni comme un service, ou STaaS. Ses présentations de 2024 font état de plus de 12 500 clients dans le monde, contre plus de 9 000 en 2022, parmi lesquels Meta, Comcast (CMCSA ), Domino’s Pizza (DPZ ), et la NASA.

Source: Pure Storage

Pure Storage accompagne également des projets d’IA chez SiriusXM (SIRI ), AutoNation (AN ), Health Genome Center 2030 et Crater Labs, entre autres.

L’entreprise s’appuie notamment sur FlashArray et FlashBlade, qui stockent les données sur mémoire flash. Leurs performances et leur consommation se comparent à celles de systèmes à disques durs en fonction des configurations et des charges de travail.

Selon les comparaisons du fabricant, ses systèmes peuvent consommer deux à cinq fois moins d’électricité et d’espace que certains systèmes à disques durs, et offrir une fiabilité dix fois supérieure. Ces chiffres dépendent des systèmes comparés et des conditions d’utilisation.

Source: Pure Storage

Les centres de données représentent environ 1 à 2 % de la consommation mondiale d’électricité. Une réduction pouvant atteindre 80 % de la consommation liée au stockage, dans les configurations concernées, pourrait donc être significative ; elle ne correspond pas à une baisse de 80 % de la consommation totale d’un centre de données.

Initialement surtout fabricant de matériel, Pure Storage a élargi son offre aux logiciels, aux abonnements et au stockage fourni comme un service. Cette évolution ne signifie pas qu’il soit devenu un fournisseur généraliste de services de cloud.

L’essor de l’IA et la recherche d’une meilleure efficacité énergétique pourraient soutenir la demande pour les solutions de Pure Storage, sans garantir ses résultats futurs. Les besoins électriques du secteur sont notamment illustrés par l’accord annoncé par Microsoft en 2024 pour soutenir le redémarrage prévu de l’unité 1 de Three Mile Island (MSFT ).