Jak zmieni przechowywanie danych w przyszłości?

Nanotechnologia to jedna z najszybciej rozwijających się nauk. Wraz z początkiem nowego milenium termin ten szumnie wdarł się do mediów i przedsiębiorstw. Jednak czym tak naprawdę jest nanotechnologia i co oznacza dla przyszłości przechowywania danych? Postaramy się odpowiedzieć na to pytanie w niniejszym artykule.

Czym jest nanotechnologia?

Termin „nanotechnologia” zostałpo raz pierwszy użyty w 1974 roku i opisuje technologie, które próbują tworzyć materiały w skali nanometrycznej (nanometr to jedna miliardowa metra, czyli jedna milionowa milimetra). Innymi słowy, nanotechnologia odnosi się do sposobu tworzenia struktur na poziomie pojedynczych atomów i cząstek, czyli o rozmiarach nanometrycznych.

Gdy materiały „przekraczają” granicę nanometrów, wielkość zaczyna określać ich właściwości. Oznacza to, że w wielu przypadkach materiały mniejsze niż mikrometr mają inne właściwości i zachowują się inaczej. Materiały, które są wykonane z wykorzystaniem nanotechnologii do określonego celu, mogą zachowywać się zupełnie inaczej niż ich chemiczne prekursory.

Nanotechnologia jest stosowana w wielu dziedzinach. Samochody są pokrywane specjalnym nanospoiwem, które zapobiega rdzewieniu samochodu. Innym przykładem jest wykorzystanie materiałów o rozmiarach nano do produkcji pasty do zębów. W pastach zawarte są nanocząsteczki hydroksyapatytu, który jest przeznaczony do „naprawy” drobnych zarysowań na powierzchni zębów. Innym obszarem zastosowania nanotechnologii są tekstylia – tutaj można wskazać chociażby na nanoimpregnaty zabezpieczające odzież przed przemakaniem czy ubrania odporne na zabrudzenia.

Warto zaznaczyć, że w obszarze technologii tendencja do zmniejszania urządzeń, chipów czy pamięci masowych nie jest niczym nowym. W latach 70. i 80. stosowano słowo „micro”, dzisiaj natomiast mówi się „nano”.

Wiele osób nie zdaje sobie sprawy, że we współczesnym świecie wszyscy korzystamy z pamięci, które są wykonane w nanotechnologii – chipy pamięci Flash, których używamy w komputerach bądź aparatach fotograficznych, zbudowane są z materiałów półprzewodnikowych pokrytych izolacyjną warstwą tlenku, która ma zaledwie kilka nanometrów grubości. Zapisywanie lub kasowanie danych z nośników pamięci Flash jest możliwe dzięki zjawisku mechaniki kwantowej i nanotechnologii, które nazywane jest efektem tunelowym.

Oznacza to, że nanotechnologia w magazynowaniu danych nie nakazuje stosowania określonej technologii przechowywania, ale że nośniki, materiały i kompozyty stają się coraz mniejsze.

Co nanotechnologia może wnieść do przechowywania danych?

O zaletach chipów pamięci Flash, USB i SSD nie mówilibyśmy, gdyby nie zmniejszenie komponentów do rozmiarów nanometrycznych. Od kilku lat prowadzone są badania nad innymi metodami mającymi na celu minimalizację zarówno wykorzystywanej przestrzeni dyskowej, jak i możliwościami pomieszczenia większej ilości danych na mniejszej powierzchni, aby móc podołać wyzwaniom związanym z big data. Dlatego też badane są wszystkie technologie przechowywania danych – wykorzystujące magnetyzm, moc elektryczną, czy też nośniki optyczne.

Przechowywanie danych w… atomach?

Fizyk z Delft University of Technology w Holandii odniósł sukces w zakresie zapisania danych bezpośrednio na najmniejszych możliwych cząstkach – atomach.

Do tego celu dr Sander Otte wykorzystał atomy chloru. Atomy te układają się na płaskiej powierzchni miedzi w dwuwymiarowym układzie. Powstają puste przestrzenie – tzw. szczeliny – w których nie ma atomów. Dr Otte opracował metodę układania szczelin i atomów na powierzchni, które „tworzą” zera lub jedynki, dokładnie tak, jak kod binarny. Za pomocą sterowanego komputerem skaningowego mikroskopu tunelowego wyposażonego w nanosondy zespół był w stanie przesuwać atomy od szczeliny do szczeliny, aż do momentu, kiedy utworzone zostaną tablice bitowe, które będzie można odczytać.

Wielką zaletą tej technologii jest to, że teoretycznie możliwe jest przechowywani wszystkich książek, które ludzkość do tej pory stworzyła, na powierzchni wielkości… znaczka pocztowego.

Mimo że metoda ta sprawdza się w laboratorium, to odczytanie małego, 64-bitowego bloku danych zajmuje minutę, a napisanie go – dwie minuty. Dodatkowo jest to możliwe tylko w temperaturze -196 °C, a atomy pozostają na przypisanych im zasobach jedynie przez dwa dni. Oznacza to, że po dwóch dniach dochodzi do… utraty danych.

Informacje na temat innej metody przechowywania danych z wykorzystaniem atomów zostały opublikowane w ubiegłym roku przez naukowców z ETH Zurich and the Paul Scherrer Institut w Szwajcarii, uniwersytetów w Lyonie i Rennes, paryskiego College de France, a także Berkley National Labratory w Kalifornii. Zespół stworzył nanomagnesy poprzez przymocowanie atomów magnetycznych do powierzchni krzemionki. Jednak w tym przypadku badacze również napotkali pewne trudności – magnetyzm trwa tylko koło 90 sekund w temperaturze około -270 °C lub -454 °F. Ta metoda również nie należy do praktycznych.

Dane zapisane na szkle

Ostatnim przykładem nanotechnologii wykorzystywanej do celów przechowywania danych jest metoda opracowana przez naukowców z University of Southampton. W przeciwieństwie do pozostałych dwóch opisanych powyżej metod stworzyli oni technologię laserowego zapisu danych w postaci nanostruktur w szkle. Wykorzystali nanotechnologię i superszybki laser, który zapisał na szklanym chipie bardzo krótkimi i intensywnymi impulsami testowe dokumenty. Szkło, które zostało użyte, ma bardzo drobne struktury w zakresie nanometrów, co pozwala na stworzenie trzech warstw nanostruktur. Struktury te zmieniają sposób świecenia światła przez szkło i dane można odczytać za pomocą mikroskopu optycznego i polaryzatora. Naukowcy twierdzą, że tak mały szklany dysk (tzw. dysk 5D) może pomieścić 360 TB danych przez 13,8 mld lat!

Powyższe przykłady wyraźnie pokazują, że naukowcy na całym świecie pracują nad wieloma różnymi metodami przechowywania danych z wykorzystaniem nanotechnologii. Pomysły prezentowane przez badaczy mają jednak wciąż swoje wady i nie są na tyle doskonałe, by mogły zostać wprowadzone do powszechnego użytku. Na razie użytkownicy korporacyjny i domowi są skazani na korzystanie ze zwykłych nośników, takich jak dyski twarde, dyski SSD czy taśmy.