Бумага стирается и желтеет, теряется при переездах, сгорает при пожарах. Магнитофонные ленты портятся, CD- и HD-диски со временем тоже приходят в негодность. Можно ли сделать носитель, который будет хранить информацию вечно и зачем он нужен? О работе российских ученых в этом направлении «Эксперту» рассказал Николай Колачевский, член-корреспондент РАН, директор Физического института Академии Наук (ФИАН).
— В вашем институте разрабатывается так называемая «вечная память». Зачем она нужна?
— У этого вопроса глубокие исторические корни. Человечество всегда старалось сохранить информацию как можно дольше. Самый знаменитый пример — Розеттский камень (стела с текстом на трех языках, найденная в Египте), которому больше 2000 лет.
Сегодня мы живем в очень быстро меняющемся мире, информации много, нам кажется, что мы сохраняем ее надолго, записывая на диски, а выясняется, что хранится она зачастую весьма ненадежно. Конечно, бывают чудесные случаи, как с берестой, которую находят до сих пор. Казалось бы, что более ненадежно, чем береста, которая прекрасно горит? Попав в болото, в торф, она прекрасно сохраняется, что позволяет читать письма, которым несколько сотен лет. Обратная ситуация — что годится для бересты, не годится для пергамента. Он требует очень сухого воздуха. Поэтому все зависит от носителя.
— Сотни лет одним из основных хранителей информации была бумага. Можно ли считать ее надежной?
— Бумага, к сожалению, горит. Поэтому появившаяся в XX веке магнитная лента считаются достаточно надежным и объемным носителем — и до сих пор, в век микроэлектроники, как ни странно звучит. Потом появились CD-диски, где лазером на пластике прожигаются отверстия. Это почти механическое воздействие. В чем-то технология похожа на виниловые пластинки, где дорожки процарапывались на мастер-диске. Только на СД-диске можно хранить несколько гигабайт памяти.
Сейчас мы получили в свое распоряжение жесткие магнитные диски (HDD), некую аналогию магнитных лент, только на них можно записывать десятки терабайт.
Флеш-память конкурирует с магнитными дисками, но ее устройство совершенно другого принципа. Это кремниевая структура, где формируются ямы, и электроны, попадая в эти ямы, записывают ноль или единицу. Все перечисленное — очень распространенные методы хранения информации. Но большинство из них ненадежно. Если рассматривать интервалы времени не по 2—3—4 года, а сотни лет, то все эти носители не сертифицированы. Они теряют информацию: магнитные носители размагничиваются, есть высокий риск поломки жестких дисков, флеш-память подвержена воздействию космической радиации. Возникает много моментов, которые не могут гарантировать, что та информация, которую мы сегодня записываем, будет храниться долго.
— Надо ли ее хранить вечно?
— Это задача, отраженная в поручениях Минцифры и Президента России — государственные документы, начиная с указов Петра I, должны храниться неограниченное время. Мы знаем, как страдали библиотеки от пожаров — книги сгорают, первоисточники вернуть невозможно. Вообще естественные катастрофы приводят к большим потерям, и это очень обидно, ведь человечество в большой степени опирается на память предыдущих поколений, на информацию.
Задача довольно быстро перешла в научно-технологическую плоскость: как реализовать максимально объемную, быструю, удобную запись информации на носителе, обладающем механическими свойствами, которые позволяют надеяться, что в течение сотен лет эта память сохранится Это и называется «вечной» или «ледяной» памятью.
— Почему ледяной?
— Тут надо рассказать о пионерских работах Петра Казанского, нашего соотечественника, который долгое время работал в университете Саутгемптона в Англии. Именно он придумал «пятимерную память»: на диске из кварца с помощью коротких лазерных импульсов записываются механические дефекты. Это как удары молоточком — последовательность коротких и очень интенсивных лазерных выстрелов, которые приводят к деформации кристаллической решетки кварца. И когда считывающий свет потом проходит через эту деформацию, она записывается почти навечно и как бы «вмораживается», поляризационные свойства света меняются, и информацию можно считать. Вот почему мы называем такую память «ледяной».
Кварц — это камень. Он не трескается, не горит, может охлаждаться до очень низких температур, не боится влаги, почти не боится радиации. Если записывать информацию на сверхмаленький объем, когда плотность записи очень высокая, тогда космическая частица действительно может ее разрушить. Если увеличить физический объем записи бита, то чувствительность к радиации уменьшается, но и плотность записи уменьшается. В целом, кварцевые пластины малочувствительны к радиации. Конечно, рядом с ядерным реактором все испортится, но с естественным фоном я про такие проблемы не слышал.
— Такая память пригодна для дальних космических перелетов?
— Самое яркое публичное действие, которое было сделано с этой памятью — отправка «Теслы» в космос. На своей тяжелой ракете-носителе Илон Маск отправил в космос робота, сидящего в салоне автомобиля, а рядом на сиденье был размещен кубик кварца с записью по технологии Казанского. На кварце были записаны три книги Айзека Азимова и несколько песен Элтона Джона. Кадры, как робот в космосе «слушает» музыку Элтона Джона, разошлись по всему миру. Мы не знаем, насколько хорошо там все сохранилось — «Тесла» улетела и не вернулась, но сам факт, что именно кварцевый носитель был выведен в космос — важная претензия на будущее.
— Сколько информации может храниться на таком носителе?
— Были ожидания, что на кварцевом диске можно записать до нескольких терабайт — как на современных жестких HDD дисках. Судя по всему, технология так и не достигла этих ожиданий, демонстраторы были гораздо меньшего объема. Конечно, плюсов тут много: кварц прозрачный — это удобно; механические свойства высокие, можно использовать как СД-диски, вставлять в готовые драйверы или похожие устройства и считывать информацию. Упрощается задача по созданию сложной дополнительной оптоэлектроники для записи и считывания информации. Но пока получается не очень высокая плотность записи.
— Её можно повысить?
— Этот вопрос — одно из направлений исследования нашего Института. Еще одна проблема — кварц довольно дорогой носитель. По-хорошему, нужно перейти к более дешевым материалам, например, другим кристаллам или жестким прозрачным пластикам.
— Есть такие материалы?
— Видели на дачах теплицы из поликарбоната? Это твердый материал, он плохо горит, поэтому поликарбонатная технология может быть полезной. Или кристаллы типа фторидов, например, кальцита: они легко выращиваются, эта технология развита в России, можно сделать прозрачные пластины большого диаметра и записывать уже не механические дефекты, где кристаллическая структура нарушается, а применять другой, люминесцентный метод.
— Этим тоже занимаются в ФИАНе?
— Да. Началось с того, что мы маркировали алмазы и, кстати, продолжаем эти исследования. Речь идет о невидимых глазу метках в алмазе, которые позволяют его идентифицировать. Такой скрытый «куар-код» для алмаза. Существуют специальные машины для считывания таких кодов, так что алмаз — тоже прекрасный носитель информации. Конечно, было бы здорово сделать диск из алмаза, но это расточительно и невозможно при сегодняшних технологиях. Поэтому технологию маркировки алмазов мы переносим на запись люминесцентных меток в других материалах — лазером создаем дефекты кристаллической решетки, а дальше, если подсвечиваем определенным светом, дефекты начинают светиться. Такие люминесцентные метки иногда используются в промышленности.
— Для чего?
— Известно, что дороже всего красные алмазы природного происхождения. А сделать из бесцветного красный алмаз легко. Его достаточно подвергнуть радиации — радиоактивные частицы меняют кристаллическую структуру, возникают дополнительные узлы и ямки в решетке, и алмаз становится розовым или красным. И в нашем случае с другими кристаллами происходит примерно то же самое, если создавать микроскопические дефекты в кристаллической решетке хлористого кальция или хлористого магния, только не радиацией, а лазерным импульсом. Огромный плюс в том, что можно делать много слоев, а за счет этого сильно увеличить плотность записи. Можно перефокусировать линзу по глубине материала, и тогда в одном и том же носителе мы можем работать с разными слоями. Мы знаем, что в корпусе HDD зачастую много дисков, и каждый диск имеет две стороны с записью. А тут можно сделать многослойную внутреннюю структуру в одном прозрачном диске. Мы попробовали, и у нас получилось.
— И эта информация может храниться веками?
— У нас пока тестовые результаты. Тут нужно исследовать очень внимательно, насколько это стойко. В отличие от механических меток «процарапывания», люминесцентные метки более нежные. Они могут зависеть от температуры, кристаллическая решетка имеет свойство самовосстанавливаться. Надо изучать, насколько тот или иной кристалл водорастворим, как к температуре относится — это исследования носят пока академический характер. До прибора мы не дошли, но это «живое» и очень актуальное направление исследования, востребованное сегодня, особенно учитывая тот факт, что в России собственных коммерческих приборов, которые могут обеспечивать эту архивированную запись, пока нет.
— Кто тогда является лидером в области хранения данных?
— Раньше в мире делали системы записи с гарантированно долгим хранением Sony и Panasonic, сейчас они с Россией не работают. Есть китайские аналоги, но к нашим внутренним разработкам они тоже не имеют отношения. Поэтому в стране есть буквально две-три организации, которые думают об этом. Производство носителей с гарантированным качеством — это важная для страны задача, о которой нужно глубже задуматься. Создание прототипов требует существенной финансовой поддержки, в рамках государственного задания Института это сделать не получается. Маленький кусочек, на котором мы демонстрируем плотность записи, скорость считывания, количество слоев уже есть, и это хорошо. Но это не системный подход.
— Получается, есть риск вернуться к глиняным табличкам?
— Недавно в Германии была создана компания Cerabyte, они научились делать диски диаметром около 10 см из стекла, сверху покрытого тонким слоем керамики. Состав керамики они не раскрывают, но говорят, что записывают информацию фемтосекундным лазером. Приводят совершенно фантастические объемы информации, которые записываются на диск. Подтверждения этому пока нет. В своей рекламе они показывают настольные приборы, где на таких современных глиняных табличках записывается большой объем информации.
— Вы можете сделать свой вариант?
— Да, мы думали о записи на поликарбонатах и керамических структурах, потому что покрыть керамикой стекло — это не сверхвысокая технология. Думаю, в конечном счете все получится. Это интересное и важное для страны направление на стыке лазерной физики, оптики, микроэлектроники. И не очень ресурсоемкое — не нужно строить большие заводы, все делается на уровне нескольких лабораторий. Я очень рад, что в ФИАНе мы к этому имеем прямое отношение.
:no_upscale()/imgs/2024/04/02/09/6418464/b91dc6cd0eddd119cad293ea3bbcfd707d1ed28f.png "В России предложили построить телескоп на Луне")
