DNA, vetro inciso al laser e oltre: uno sguardo al futuro della memorizzazione dei dati

Dati memorizzati sul polimero sintetico del DNA | Memory Crystal 5D
Memory Crystal 5D

Per la maggior parte di noi, l'archiviazione dei dati è diventata più semplice. Invece di fare casini con i dischi rigidi del computer con spazio di archiviazione limitato, floppy disk e CD o DVD riscrivibili, oggi facciamo semplicemente clic su "salva" su qualsiasi file su cui stiamo lavorando e lasciamo che venga trasferito nel cloud. Si tratta di un approccio semplice e intuitivo all'archiviazione dei dati che non solo significa che non restiamo a corto di spazio, ma che possiamo anche accedere ai nostri file ovunque andiamo. Cosa non è da amare?

Bene, si scopre che c'è un bel po '. Per prima cosa, stiamo esaurendo lo spazio di archiviazione. Letteralmente. Con i 3,7 miliardi di persone che attualmente usano Internet generando circa 2,5 quintilioni di dati ogni giorno, sono necessari sempre più data center per tenere il passo con la domanda. Entro il 2025, il mondo è sulla buona strada per generare 160 zettabyte di dati all'anno. Questo è più byte di quante siano le stelle nell'universo osservabile. A meno di coprire ogni centimetro quadrato di terra con i data center, non saremo in grado di tenere il passo con questo tipo di aumento. Ciò significa scartare i dati che potrebbero essere preziosi – in alcuni casi prima di sapere necessariamente se lo siano o meno.

"Se guardi a grandi istituzioni come il CERN, che gestisce il Large Hadron Collider , genera petabyte di dati ogni secondo che la macchina è in esecuzione", ha dichiarato Nick Gold, vicepresidente del marketing della società di dati Catalog , a Digital Trends. "Ma non c'è modo di archiviare petabyte al secondo, quindi devono eliminare oltre il 90% dei dati che generano. Amerebbero mantenere tutto ciò se ci fosse un modo per mantenerlo. "

C'è anche un fattore ambientale al lavoro. Secondo un rapporto , il 17% dell'impronta di carbonio totale causata dalla tecnologia è dovuto ai data center. Un singolo data center attuale può consumare più energia di una città di medie dimensioni. Mentre aziende come Apple hanno preso provvedimenti per compensare ciò abbracciando fonti energetiche più sostenibili, ci sono ancora motivi per cercare un'alternativa migliore.

Fortunatamente, questo è esattamente ciò su cui stanno lavorando alcuni ricercatori intelligenti in tutto il mondo. Sono impegnati a sognare (e, soprattutto, a mostrare) alcune impressionanti tecnologie di archiviazione di nuova generazione che potrebbero risolvere il problema dei dati del mondo negli anni a venire. E anche una volta per tutte.

Benvenuti nel mondo della conservazione del DNA

L'idea di archiviare dati nel DNA sembra positivamente futuristica. In un certo senso, è esattamente il contrario. Molto tempo prima che esistessero i computer (insieme agli umani necessari per inventarli), la natura aveva capito come immagazzinare enormi quantità di informazioni sotto forma di DNA, i mattoni della vita come la conosciamo. Ora, alcuni ricercatori stanno abbracciando l'idea di creare sequenze di geni artificiali che usano le quattro coppie di basi di DNA – A, C, G e T – per rappresentare bit binari di informazioni.

Diversi anni fa, i ricercatori dell'Università di Lubiana in Slovenia hanno dimostrato che era possibile codificare pezzi di codice informatico nel DNA delle piante di tabacco. Hanno creato un semplice programma per computer e poi lo hanno inserito nella composizione genetica di una pianta di tabacco; in sostanza, clonandolo con il programma per computer ancora all'interno. Estraendo il DNA della pianta e sequenziandolo, il messaggio "Hello World" comparve sullo schermo di un computer.

Da allora, un team dell'Università di Harvard ha utilizzato la tecnologia di editing genetico CRISPR per archiviare un video sotto forma di DNA batterico . Il video, che somigliava più da vicino a una GIF a bassa risoluzione rispetto al tipo di video ad alta risoluzione che la maggior parte di noi è abituato a guardare oggi, rappresentava comunque un progresso significativo. "Volevamo testare se il sistema CRISPR-Cas nei batteri potesse essere usato per catturare informazioni complesse con una componente temporale nei batteri viventi", ha detto all'epoca Digital Trends Seth Shipman , neuroscienziato di Harvard che ha guidato l'esperimento.

Nel 2017, Shipman mi ha detto che non c'erano applicazioni pratiche immediate per il lavoro. "Ma si spera nel prossimo orizzonte", ha aggiunto.

Quel "orizzonte vicino" potrebbe essere adesso. Negli ultimi anni, l'azienda pionieristica Catalogo ha lavorato per commercializzare lo stoccaggio del DNA. Il loro tono è che potrebbe presto essere possibile memorizzare tutti i dati del mondo in uno spazio delle dimensioni di un armadio. Questo grazie al loro approccio in cui i dati sono codificati in un polimero sintetico (piuttosto che qualcosa di vivente, come una pianta). Quest'estate, la startup ha annunciato di essere riuscita a comprimere tutti i 16 GB di Wikipedia in lingua inglese in una piccola fiala di questo materiale.

Non è nemmeno l'unica cosa che lo rende eccitante. "La semplice memorizzazione dei dati non è necessariamente tutto ciò che possiamo fare con il DNA", ha affermato CJ Huntzinger, direttore delle comunicazioni di Catalog. “Non è necessariamente nemmeno la parte più attraente di tutta questa piattaforma. Stiamo vedendo molte più opportunità nel calcolo e cose che possono dare ancora più valore per l'umanità rispetto alla semplice capacità di archiviare i dati in un volume molto piccolo. "

Dati memorizzati sul polimero sintetico del DNA | Memory Crystal 5D
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Ciò include innovazioni nella capacità di setacciare i dati basati sul DNA. "Quando abbiamo inserito le informazioni in queste molecole di DNA, abbiamo sviluppato il quadro teorico su come manipolare quelle molecole per eseguire il calcolo di base, sviluppando una funzione complessa", ha continuato Huntzinger. "Il nostro obiettivo nel prossimo futuro è di avere un sistema informatico universale in cui possiamo tradurre qualsiasi tipo di logica e funzione booleana in un insieme di istruzioni molecolari, quindi non dobbiamo estrarre informazioni dalle molecole di DNA in un supporto digitale prima di calcolarli. "

Mentre questa tecnologia continua ad avanzare, offre molto potenziale non solo in termini di archiviazione, ma anche per la capacità di eseguire operazioni come il riconoscimento di schemi su petabyte (mille milioni di milioni) o addirittura exabyte (un quintilione di byte) di dati.

Lo stoccaggio diventa più freddo

I ricercatori dell'Università di Manchester, nel Regno Unito (la stessa università dietro il grafene a 360 gradi di materiale miracoloso ) hanno anche sviluppato un'impressionante tecnologia di archiviazione di nuova generazione. Hanno creato molecole che un giorno potrebbero memorizzare centinaia di volte più dati degli attuali dischi rigidi in un fattore di forma significativamente più piccolo. Il trucco: deve essere incredibilmente freddo per funzionare. Tuttavia, sebbene i data center richiedano la tecnologia di supercooler per utilizzarlo, sarebbero anche in grado di ridurre significativamente la loro impronta; diventare più economico da gestire, più efficiente dal punto di vista energetico e meno dannoso per l'ambiente.

"Siamo interessati a produrre molecole in grado di immagazzinare informazioni magnetiche", ha dichiarato a Digital Trends il dott. Nicholas Chilton , docente senior e ricercatore presso la Royal Society University Research Department presso il Dipartimento di Chimica dell'Università di Manchester. “Questo potrebbe portare a una tecnologia molto utile se funziona perché le molecole sono molto, molto piccole; molto più piccolo dei materiali magnetici esistenti utilizzati per archiviare informazioni. Usando i magneti a singola molecola, potremmo potenzialmente creare supporti di archiviazione dati 100 volte più densi rispetto alle tecnologie attuali come HDD e SSD, che stanno affrontando i propri limiti per la densità dei dati. "

I magneti a singola molecola possono essere “scritti” grazie alla loro capacità di ricordare la direzione di un campo magnetico applicato per periodi relativamente lunghi dopo che il campo magnetico è stato spento. Nel 2017, il collega David Chills e Manchester, Chilton e Manchester, ha preparato e studiato la prima molecola di "disprosocenium" : uno ione disprosio inserito tra due anelli di carbonio a cinque membri. Da allora, altri due gruppi all'università hanno sviluppato questo lavoro preparando ulteriori molecole di disprosocenium, seguendo i progetti di Chilton e Mills. Questo mese hanno pubblicato un nuovo documento che descrive il lavoro.

“Il recente risultato pubblicato su Science   mostra una memoria magnetica fino a 80 Kelvin, che è una pietra miliare significativa, in quanto è al di sopra della temperatura dell'azoto liquido – che è una risorsa economica e abbondante, a differenza dell'elio liquido ”, ha spiegato Chilton. "Tuttavia, ciò non significa ancora che la memorizzazione dei dati a temperature di azoto liquido sia pratica nelle molecole. Il periodo di tempo in cui i dati possono essere archiviati a 80 K è dell'ordine dei secondi, e abbiamo bisogno che questo sia nella scala degli anni per applicazioni pratiche. "

Dati memorizzati sul polimero sintetico del DNA | Memory Crystal 5D
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All'avanguardia di questa ricerca, Chilton e Mills stanno sperimentando la sostituzione del carbonio negli anelli per l'elemento più pesante del fosforo. Mentre il loro primo risultato non è un miglioramento rispetto agli anelli interamente in carbonio, la coppia spera che questa ricerca fornisca spunti su come sviluppare magneti molecolari superiori.

Ci sono ancora colli di bottiglia da risolvere, ad esempio come posizionare queste molecole magnetiche sulle superfici senza influire sulle loro prestazioni e come proteggere la memoria di ciascuna molecola dall'interazione con i suoi vicini. Tuttavia, mentre Chilton ha riconosciuto che rimane ancora "una lunga strada da percorrere" prima che ciò sia commercialmente praticabile, questi sono sviluppi entusiasmanti che i lettori dovrebbero tenere d'occhio.

Preparati per l'archiviazione ottica 5D

Naturalmente, se l'archiviazione super fredda non è abbastanza eccitante per te, che ne dici della possibilità di rivoluzionare l'archiviazione dei dati utilizzando i laser per scolpire terabyte di dati in minuscoli dischi di vetro? Questa è la dichiarazione di missione dei ricercatori dell'Università del Regno Unito di Southampton. Nel tentativo di sviluppare l'archiviazione di dati digitali che possono potenzialmente sopravvivere per miliardi di anni, hanno creato un processo di registrazione e recupero che si basa sulla scrittura laser a femtosecondi.

"Stiamo sviluppando una tecnologia di archiviazione dei dati primaria per l'archiviazione e l'archiviazione a freddo di grandi quantità di dati, [come] per i data center e il cloud", ha dichiarato a Digital Trends il Dr. Peter Kazansky , professore presso il Centro di ricerca sull'optoelettronica di Southampton. “Uno dei nostri obiettivi è quello di sostituire il nastro magnetico, che attualmente viene utilizzato per tali applicazioni. Il vantaggio della nostra tecnologia è l'estrema durabilità poiché utilizziamo il vetro al quarzo come supporto di memorizzazione, che può sopravvivere a catastrofi come incendi o razzi solari, potenzialmente dannosi per i data center. Un altro vantaggio è che utilizziamo ulteriori gradi di libertà per l'archiviazione dei dati, che aiutano ad aumentare la capacità ".

La soluzione di archiviazione è descritta come tridimensionale. Le informazioni sono codificate in più livelli, comprese le solite tre dimensioni. Tuttavia, è anche codificato nell'orientamento e nella dimensione delle strutture stampate, offrendo così cinque gradi di libertà per l'archiviazione dei dati. La memoria consente centinaia di terabyte per disco in capacità di dati. Ha anche stabilità termica fino a 1.800 gradi Fahrenheit. Rispetto alla vulnerabilità del nastro magnetico, che dura solo per circa un decennio, questo approccio sembra quasi indistruttibile al confronto.

Il lavoro dell'Università di Southampton ha raccolto l'interesse di Microsoft. L'iniziativa, denominata Project Silica , mira a sfruttare lo storage ottico 5D in vetro per la prima tecnologia di storage mai progettata e realizzata per il cloud dai media in su. "Il principale collo di bottiglia attuale è l'aumento della velocità di scrittura", ha riconosciuto Kazansky.

Quale uscirà in cima?

In questo momento, tutti e tre questi approcci si trovano in varie fasi di futuro. Ognuno ha le proprie tempistiche, sfide e potenziali vantaggi e ragioni.

Cosa vedremo alla fine dare forma al futuro dell'archiviazione dei dati così come lo conosciamo? È difficile saperlo con certezza. C'è ancora molto lavoro da fare prima che i metodi di archiviazione odierni seguano la strada del floppy disk da 3 ½; sostituito da qualcosa di infinitamente più fantascienza nel concetto. Ma le cose si stanno muovendo rapidamente.

Francamente, qualunque di questi affascinanti approcci esca in cima, i veri vincitori saranno quelli di noi che potranno usare la tecnologia. E di conseguenza non dovrete mai più cancellare nulla per sempre.