Geniale Opslagmedia – Hoe Kristallen de Mensheid Kunnen Redden

Evoluerende Gegevensopslag

Het vastleggen van informatie speelde een belangrijke rol in de ontwikkeling van beschavingen. Schriftelijke bronnen markeren de overgang van prehistorie naar geschiedenis. Van kleitabletten en papyrusrollen tot middeleeuwse boeken en de drukpers: nieuwe schrijf- en reproductietechnieken hebben samenlevingen ingrijpend veranderd.

We bewaren en verwerken meer gegevens dan ooit. Sommige digitale dragers kunnen echter verouderen. Een voorbeeld is schijfrot bij cd’s, waarbij onder meer de reflecterende laag wordt aangetast. De levensduur varieert sterk, ook bij schijven in museumarchieven. Ook dvd’s en blu-rays vereisen geschikte bewaring en controle; niet iedere schijf wordt na hetzelfde aantal decennia onleesbaar.

Bron: Digital Scrapbooking Storage

Elektronische systemen kunnen worden beschadigd door sterke elektromagnetische verstoringen. Daaruit volgt niet dat één zonnestorm of elektromagnetische puls automatisch het grootste deel van alle wereldwijd opgeslagen gegevens wist. Bescherming, opslagmedium en geografisch gescheiden kopieën zijn eveneens van belang.

Digitale bewaring vraagt om onderhoud, kopieën en migratie naar leesbare formaten. Ook perkament, papyrus en kleitabletten kunnen verloren gaan; geen enkele drager garandeert op zichzelf dat kennis behouden blijft.

Onderzoekers ontwikkelen daarom duurzamere opslagmethoden. Sommige lijken op de geheugenkristallen uit sciencefiction, al berust hun werking op concrete materiaaleigenschappen en optische technieken.

Bron: RPF

Duurzame opslag in glas

Materialen en gegevensdragers verouderen op verschillende manieren. Voor deze technologie wordt gesmolten kwarts, oftewel kwartsglas, gebruikt. Ondanks de naam «geheugenkristal» is dit glas amorf en heeft het geen regelmatig kristalrooster.

De duurzaamheid moet daarom niet worden verklaard door een zogenaamd onverwoestbaar kristalrooster. Van belang zijn de stabiliteit van het kwartsglas en de nanostructuren waarin de informatie optisch wordt vastgelegd.

Bron: Britannica

De weerstand tegen warmte en andere invloeden hangt af van het materiaal en de omstandigheden; niet alle kristallen of glassoorten hebben dezelfde eigenschappen.

Professor Peter Kazansky van de Universiteit van Southampton en zijn team ontwikkelen deze opslagtechniek. In september 2024 meldden zij dat zij het volledige menselijke genoom op zo’n drager hadden vastgelegd.

Bron: University of Southampton

De techniek zou langdurige kennisarchieven mogelijk kunnen maken. Een voorspelde levensduur van miljarden jaren is uiteraard geen gedurende miljarden jaren waargenomen resultaat.

De ingegraveerde visuele sleutel moet toekomstige vinders helpen begrijpen welke gegevens zijn opgeslagen.

Daarbij staan aanwijzingen over waterstof, zuurstof, koolstof en stikstof, de vier DNA-basen, de dubbele helix en de samenhang tussen genen, chromosomen en cellen.

Vijf dimensies voor informatie

Ultrakorte laserpulsen schrijven nanostructuren in het kwartsglas. De onderzoekers noemen structuurgroottes tot 20 nanometer; de informatie ligt binnenin het materiaal.

Bron: ZME Science

Dit verschilt van informatie die alleen op een oppervlak wordt aangebracht. De vergelijking is wel vereenvoudigd: ook bestaande opslagtechnieken kunnen meerdere lagen of driedimensionale structuren gebruiken.

De vijf dimensies bestaan uit drie ruimtelijke coördinaten en twee optische eigenschappen. Het gaat niet om vijf ruimtelijke dimensies.

Dubbelbreking

Alleen de ruimtelijke positie van een structuur kan al informatie dragen. Extra onderscheidbare eigenschappen kunnen de opslagdichtheid vergroten.

De aanvullende optische eigenschappen hangen samen met dubbelbreking: licht met verschillende polarisatierichtingen plant zich verschillend door de beschreven structuren voort. De hoeveelheid informatie hangt af van het aantal betrouwbaar te onderscheiden toestanden; acht toestanden zijn drie bits, niet acht bits.

Volgens de ontwikkelaar kunnen scherpere focussering en kortere golflengten structuren kleiner dan 200 nanometer mogelijk maken.

De ontwikkelaar beschrijft een mogelijke capaciteit van honderden terabytes op een schijf van 12 centimeter, door ruimtelijke en optische codering te combineren. De claim van acht bits per opslagpunt betreft 256 onderscheidbare toestanden en moet niet worden verward met acht toestanden.

5D Memory Crystal

Bestand tegen zware omstandigheden

Kwartsglas is chemisch en thermisch stabiel. Dat maakt het interessant voor archivering; de haalbare opslagdichtheid en leesbaarheid moeten eveneens worden aangetoond.

De universiteit noemt weerstand tot 1.000 °C, een belasting tot 10 ton per cm² en langdurige kosmische straling. Zulke materiaalclaims betekenen niet dat iedere beschreven schijf onder alle omstandigheden onbeschadigd en leesbaar blijft.

Toepassingen

Permanente Archieven

De toepassing richt zich op langdurige archieven, niet op het voortdurend bijwerken van bestanden in een gewone computer. Beschrijfbaarheid en herschrijfbaarheid hangen af van de specifieke uitvoering.

Uitlezen vereist geschikte optische apparatuur en kennis van de codering. Dat maakt de techniek voorlopig minder praktisch voor gegevens die voortdurend moeten worden geraadpleegd.

Voor informatie die langdurig ongewijzigd moet blijven, kan dit een interessante archiefdrager zijn. Mogelijke toepassingen zijn:

• Historische en archeologische gegevens.
• Literatuur, muziek en kunst in het algemeen.
• Wetenschappelijke kennis, van de geschiedenis van de wetenschap tot databanken over bekende wiskunde, chemie, natuurkunde, biologie, enz.
• Financiële gegevens, als onderdeel van een archiefstrategie; duurzaamheid en de gedecentraliseerde verificatie van een blockchain zijn verschillende eigenschappen.
• Back‑up‑programma’s en andere kerngegevens van IT‑systemen.

Bescherming tegen verlies van kennis

Het beschreven menselijke genoom wordt bewaard in het archief van Memory of Mankind, in een zoutmijn in Hallstatt, Oostenrijk.

Volgens het project kan langzaam vervormend zout holtes geleidelijk afsluiten. Het archief wil zo bescherming bieden tegen verstoring door mensen.

Het project bewaart menselijke herinneringen, van persoonlijke verhalen tot technische documentatie en informatie over bijvoorbeeld opslagplaatsen voor nucleair of giftig afval.

Memory of Mankind gebruikt ook hoogtechnologisch keramiek om tekst en afbeeldingen langdurig leesbaar te houden. De beoogde termijn van een miljoen jaar is een ontwerpdoel; hulpmiddelen voor ontcijfering moeten toekomstige lezers ondersteunen.

Volgens het project kan een keramische microfilmtablet van 20 × 20 centimeter tot 5 miljoen tekens bevatten, ongeveer vijf boeken van 400 pagina’s. Een boek zou zo circa 1/200 van het volume van een gedrukte versie innemen.

Genetische Gegevens van Uitgestorven Soorten

Sommige informatie is na verlies niet meer te reconstrueren. Dat geldt zowel voor menselijke kennis als voor gegevens over de natuur.

Genetische informatie van bedreigde en uitgestorven soorten kan daarom waardevol zijn voor langdurige archivering.

Het team van Craig Venter maakte in 2010 een bacteriële cel met een synthetisch genoom, met gebruik van een bestaande ontvangercel. Ook biotechnologie voor het behoud van witte neushoorns illustreert de vooruitgang. Dit bewijst niet dat complexe uitgestorven dieren of mensen uitsluitend uit opgeslagen DNA-informatie kunnen worden gemaakt.

Verkenning van de verre ruimte

Kazansky en zijn team lieten zich inspireren door de platen op de Pioneer-ruimtesondes, bedoeld als boodschap voor eventuele toekomstige vinders.

Bron: Space.com

Ook een optische archiefdrager kan informatie meenemen op een ruimtemissie. Een voorbeeld was een 5D-drager met Asimovs sciencefictionreeks Foundation in de Tesla Roadster die in 2018 de ruimte in werd gelanceerd (TSLA ). Daarmee is nog geen betrouwbare interstellaire informatieoverdracht aangetoond.

Het idee om ruimteschepen met genetische informatie en apparatuur voor het maken van menselijke embryo’s te versturen, is speculatief. Het is geen bewezen voortplantings- of kolonisatiemethode.

Investeren in Gegevensopslag

5D-opslag wordt ook ontwikkeld door het particuliere bedrijf 5D Memory Crystal / SPhotonics, voortgekomen uit de Universiteit van Southampton. Andere bedrijven werken aan andere manieren om gegevens duurzaam te bewaren.

Via diverse brokers kunnen beleggers aandelen in opslagbedrijven kopen. Op securities.io staan brokerbeoordelingen voor de Verenigde Staten, Canada, Australië, het Verenigd Koninkrijk en andere landen.

Voor bredere blootstelling aan technologie noemde het artikel fondsen zoals ProShares Nanotechnology ETF (TINY), Global X Cloud Computing ETF (CLOU) en Defiance Quantum ETF (QTUM). Hun verschillende mandaten zijn geen gerichte belegging in 5D-opslag; spreiding neemt het beleggingsrisico niet weg.

Bedrijven voor Gegevensopslag

1. Twist Bioscience

Twist Bioscience is gespecialiseerd in DNA-synthese en gebruikt miniaturiseringstechnieken uit de halfgeleiderindustrie om productieprocessen efficiënter te maken.

Het bedrijf werkt ook aan gegevensopslag in DNA. DNA kan informatie fysiek bewaren, maar het schrijven en uitlezen vraagt nog steeds gespecialiseerde apparatuur.

Volgens Twist verkleint de miniaturisering de reactievolumes met een factor 1.000.000 en verhoogt zij de doorvoer met een factor 1.000. Het bedrijf noemt de synthese van 9.600 genen op één siliciumchip op volledige schaal.

Bron: Twist Biosciences

In januari 2023 begon Twist producten vanuit zijn tweede productielocatie te leveren. Die uitbreiding was bedoeld om de productiecapaciteit te vergroten.

Twists synthesecapaciteit kan relevant zijn voor de productie van aptameren. Een sterke positie op de markt voor antistollingsmiddelen vereist echter productontwikkeling, klanten en de toepasselijke toelatingen.

Het bedrijf kan nucleïnezuursequenties produceren voor uiteenlopende toepassingen, waaronder onderzoek naar gegevensopslag en aptameren met een antistollingswerking. Gegevensopslag is op zichzelf geen farmaceutische toepassing; commerciële samenwerking en succes zijn niet vanzelfsprekend.

2. Pure Storage

DNA en 5D-glas kunnen in de toekomst een rol spelen bij bijzondere archieven. Voor dagelijks gebruik blijven bestaande elektronische opslagtechnieken voorlopig belangrijk.

Pure Storage biedt onder meer opslag als dienst. In zijn op 28 augustus 2024 gepubliceerde kwartaalresultaten meldde het bedrijf meer dan 13.000 klanten en 11 procent omzetgroei op jaarbasis. Tot de genoemde klanten behoren Meta, Comcast (CMCSA ), Domino’s Pizza (DPZ ) en NASA. Groei moet altijd worden gekoppeld aan een specifieke maatstaf en periode.

Bron: Pure Storage

Pure Storage noemt ook toepassingen bij SiriusXM (SIRI ), AutoNation (AN ), Health Genome Center 2030 en Crater Labs. Niet iedere klanttoepassing is daarmee automatisch een afzonderlijk AI-project.

FlashArray en FlashBlade gebruiken flashgeheugen. Afhankelijk van de werklast kan dit voordelen bieden ten opzichte van harde schijven, bijvoorbeeld in snelheid en energiegebruik.

De bedrijfspresentatie noemt onder meer lager energie- en ruimtegebruik en een hogere betrouwbaarheid dan vergeleken harde-schijfsystemen. Zulke leveranciersclaims gelden voor de gebruikte vergelijkingen, niet voor iedere installatie.

Bron: Pure Storage

Datacenters verbruiken veel elektriciteit. Een besparing op opslagapparatuur is echter niet hetzelfde als een even grote besparing op het totale energiegebruik van een datacenter.

Pure Storage combineert opslaghardware en software met abonnementen en diensten. Dat maakt het bedrijf niet zonder meer tot een algemene cloudinfrastructuurleverancier.

AI kan de vraag naar opslag vergroten, terwijl energie-efficiëntie belangrijk blijft. Een voorbeeld van de groeiende elektriciteitsbehoefte is de in 2024 aangekondigde overeenkomst met Microsoft voor een geplande herstart van reactor 1 van Three Mile Island (MSFT ). Het ging om een plan, niet om een in 2024 voltooide herstart; toekomstige winst voor Pure Storage staat evenmin vast.