ไมโครซอฟท์ทำลายกำแพงการจัดเก็บข้อมูลระดับร้อยล้านปี: เทคโนโลยีฮาร์ดดิสก์แก้ว Silica ตีพิมพ์ใน Nature สำเร็จกู้คืนข้อมูลโดยไม่มีข้อผิดพลาด
ใน “The Three-Body Problem” ทางเลือกของมนุษยชาติสำหรับการเก็บถาวรอารยธรรม “ระดับร้อยล้านปี” คือวิธีที่ดั้งเดิมที่สุด “การแกะสลักตัวอักษรลงบนหิน” ปัจจุบัน ทีมวิจัยของไมโครซอฟท์ ได้แกะสลักข้อมูลลงในแก้วอย่างแท้จริง
งานวิจัยล่าสุดที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature ได้แสดงให้เห็นถึงเทคโนโลยีการจัดเก็บข้อมูลสามมิติในแก้วออปติคัลที่ชื่อว่า Silica บนแผ่นแก้วขนาดฝ่ามือ (120mm×120mm) และหนาเพียง 2mm ทีมวิจัยสามารถเขียนข้อมูลได้ถึง 301 ชั้น ความหนาแน่นของข้อมูลสูงถึง 1.59 Gbit·mm⁻³ ความจุรวม 4.84TB อัตราการเขียนด้วยลำแสงเดี่ยว 25.6 Mbit·s⁻¹ พลังงานต่อบิตเพียง 10.1nJ
นี่เทียบเท่ากับสามารถเก็บหนังสืออิเล็กทรอนิกส์ขนาด 1MB ได้เกือบ 5 ล้านเล่ม หรือภาพถ่ายขนาด 5MB ประมาณ 1 ล้านภาพ
ที่น่าทึ่งยิ่งกว่าคือความทนทาน สำหรับแผนการเข้ารหัสแบบเฟส voxel (สอดคล้องกับความจุที่ใช้งานได้ 2.02TB) ผลการทดลองเร่งอายุโดยการคาดการณ์แสดงให้เห็นว่า ที่อุณหภูมิสูง 290℃ อายุการใช้งานลักษณะเฉพาะสามารถอยู่ได้ถึง 10,000 ปี
ทำไมต้องมี “ฮาร์ดดิสก์แก้ว”? ข้อมูลที่มนุษย์สร้างขึ้นกำลังเติบโตในอัตราเอ็กซ์โพเนนเชียล ปริมาณรวมเพิ่มขึ้นประมาณสองเท่าทุกสามปี โดยข้อมูลจำนวนมากจำเป็นต้องเก็บรักษาไว้หลายสิบปีหรือแม้กระทั่งหลายร้อยปี อย่างไรก็ตาม เทปแม่เหล็กและฮาร์ดดิสก์ที่มีอยู่ในปัจจุบันมักเริ่มเสื่อมสภาพภายในไม่กี่ปี ข้อมูลจำเป็นต้องถูก “ย้าย” ไปยังสื่อใหม่เป็นระยะ ซึ่งใช้เวลา อุปกรณ์ และต้นทุนพลังงานมหาศาล
แก้วเป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับการจัดเก็บระยะยาวโดยธรรมชาติ – มีความเสถียรทางความร้อน เสถียรทางเคมี ไม่กลัวความชื้น ไม่ถูกรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แนวคิดการใช้เลเซอร์เฟมโตวินาทีเขียนข้อมูลภายในแก้วเคยมีการศึกษามาก่อน แต่ส่วนใหญ่เพียงปรับปรุงขั้นตอนเดียว ไม่สามารถทำให้ครบวงจรตั้งแต่การเขียน การจัดเก็บ ไปจนถึงการอ่าน การถอดรหัสได้ เทคโนโลยี Silica แสดงผลลัพธ์ที่ผ่านเกณฑ์ในตัวชี้วัดการจัดเก็บที่สำคัญทั้งหมด และแสดงให้เห็นถึงแผนงานที่สมบูรณ์ซึ่งทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือตลอดกระบวนการ
ข้อมูลถูกเขียนลงในแก้วได้อย่างไร?
สถาปัตยกรรมโดยรวมของระบบ Silica แสดงดังรูปด้านล่าง
เทคโนโลยีหลักในการเขียนข้อมูลลงในแก้วคือเลเซอร์เฟมโตวินาที เฟมโตวินาทีเป็นหน่วยเวลา 1 เฟมโตวินาทีเท่ากับหนึ่งในสิบล้านล้านวินาที พัลส์เลเซอร์ชนิดนี้มีช่วงเวลาสั้นมาก พลังงานเข้มข้นสูง เมื่อกระทำกับภายในแก้ว สามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางแสงของแก้วในระดับจุลภาค สร้าง “จุดทำเครื่องหมาย” ทางแสงที่เล็กมากๆ เรียกว่า voxel ซึ่งสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นพิกเซลในพื้นที่สามมิติ แต่ละ voxel สามารถแสดงสัญลักษณ์หลายระดับ แทนที่จะเป็นบิตไบนารีเดียว
ในด้านวิธีการเข้ารหัส ทีมไมโครซอฟท์ได้พัฒนาแผนงานสองแบบ
แบบแรกคือ Birefringent voxel สื่อที่ใช้เขียนคือแก้วควอตซ์บริสุทธิ์สูง เลเซอร์สร้างโพรงนาโนรูปทรงยาวเล็กๆ ภายในแก้ว ทิศทางของโพรงถูกกำหนดโดยทิศทางโพลาไรเซชันของเลเซอร์ การเปลี่ยนทิศทางโพลาไรเซชัน ก็เปลี่ยนทิศทางของโพรง เทียบเท่ากับเขียนสัญลักษณ์ที่ต่างกัน งานวิจัยใช้ระดับมุมแอซิมัท 8 ระดับ นั่นคือหนึ่ง voxel สามารถเข้ารหัสสถานะ 8 แบบ สอดคล้องกับ 3 บิต
วิธีนี้มีเทคนิคการเขียนที่ชาญฉลาด: พัลส์เลเซอร์แต่ละพัลส์ถูกแบ่งเป็นสองส่วน ส่วนหนึ่งรับผิดชอบ “วางรากฐาน” (สร้างเมล็ดโพรงเริ่มต้น) อีกส่วนหนึ่งรับผิดชอบ “ดึงให้ยาวและกำหนดรูปทรง” เมล็ดที่เหลือจากพัลส์ก่อนหน้าให้กลายเป็น voxel ข้อมูล ด้วยวิธีนี้ เมื่อแต่ละพัลส์มาถึง จะมี voxel หนึ่งถูก “กำหนดรูปทรงเสร็จสิ้น” อัตราการสร้าง voxel ใกล้เคียงกับความถี่ซ้ำของเลเซอร์ (งานวิจัยใช้เลเซอร์เฟมโตวินาทีความถี่ซ้ำ 10 MHz)
หมายเหตุ: เนื่องจากจำนวนบิตผู้ใช้ที่แต่ละ voxel จัดเก็บยังต้องหักลบด้วยส่วนซ้ำซ้อนสำหรับแก้ไขข้อผิดพลาด ดังนั้นอัตราการเขียนข้อมูลผู้ใช้สุดท้ายที่รายงานในงานวิจัยจึงต่ำกว่าค่าสูงสุดทางทฤษฎี
แบบที่สองคือ Phase voxel สื่อที่ใช้เขียนคือแก้วโบโรซิลิเกตที่มีต้นทุนต่ำกว่า (แก้วทนความร้อนที่พบได้ทั่วไปในห้องปฏิบัติการ)
วิธีนี้ตรงไปตรงมามากกว่า: โดยการปรับความแรงพลังงานของพัลส์เลเซอร์เพื่อเปลี่ยนดัชนีหักเหเฉพาะที่ของแก้ว พลังงานต่างกัน การเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหต่างกัน สอดคล้องกับสัญลักษณ์ข้อมูลที่ต่างกัน ทีมใช้ Acoustic-Optic Modulator (AOM) เพื่อปรับพลังงานลำแสง แต่ละ voxel ต้องการเพียงหนึ่งพัลส์เพื่อเขียนให้เสร็จ ดังนั้น voxel สามารถถูกสร้างขึ้นด้วยความเร็วสูงที่ความถี่ซ้ำของเลเซอร์ 10 MHz
การเปลี่ยนแปลงทางแสงที่เกิดจากทั้งสองวิธีล้วนอ่อนมาก ข้อดีคือการกระเจิงและการรบกวนข้ามต่ำ ดังนั้นจึงสามารถซ้อนกันหลายชั้นภายในแก้วได้
รับประกันคุณภาพการเขียนได้อย่างไร? ความผันผวนเพียงเล็กน้อยขององค์ประกอบออปติคัลใดๆ ในระบบเลเซอร์อาจส่งผลต่อคุณภาพการเขียน เพื่อจุดประสงค์นี้ ทีมออกแบบระบบควบคุมคุณภาพสองชั้น
ชั้นแรกคือ การปรับเทียบแบบออฟไลน์ ก่อนเขียนข้อมูล วัดความไม่สม่ำเสมอต่างๆ ในเส้นทางแสงทั้งหมด (เช่น ความแตกต่างของอัตราสะท้อนของสแกนเนอร์ด้านต่างๆ ความแตกต่างของประสิทธิภาพเลนส์วัตถุที่ความลึกต่างกัน) คำนวณพารามิเตอร์ชดเชยและเก็บไว้ เมื่อเขียนข้อมูล ระบบจะเพิ่มการชดเชยเหล่านี้โดยอัตโนมัติ
ชั้นที่สองคือ การควบคุมแบบวงปิด ในช่วงเวลาที่เลเซอร์สร้าง voxel บนแก้ว จะเกิดแสงพลาสมา ระบบจับสัญญาณแสงนี้แบบเรียลไทม์ผ่านกล้อง หากความเข้มของแสงเบี่ยงเบนจากค่าเป้าหมาย จะปรับกำลังเลเซอร์ทันทีผ่านมอดูเลเตอร์ ดึงพลังงานกลับสู่เส้นทางที่ถูกต้อง นี่เหมือนกับ “ตัวแก้ไขอัตโนมัติ” ที่ทำงานอย่างต่อเนื่อง รับประกันความเสถียรของคุณภาพการเขียนของแต่ละ voxel
ข้อมูลถูกอ่านได้อย่างไร?
หลังจากเขียนข้อมูลลงในแก้วแล้ว การอ่านออกมาอย่างแม่นยำและครบถ้วนก็เป็นความท้าทายสำคัญเช่นกัน ขั้นตอนการอ่านของระบบ Silica รวมกล้องจุลทรรศน์ออปติคัลที่ปรับแต่งเฉพาะกับการถอดรหัสด้วยแมชชีนเลิร์นนิง หลังจากแก้ไขด้วยรหัสแก้ไขข้อผิดพลาดแล้ว ในที่สุดก็สามารถกู้คืนข้อมูลที่เขียนทั้งหมดได้อย่างสมบูรณ์แบบ
อุปกรณ์หลักในการอ่านคือกล้องจุลทรรศน์ออปติคัลแบบสนามกว้าง นักวิจัยวางแผ่นแก้วที่มีข้อมูลเขียนไว้ใต้กล้องจุลทรรศน์ ระบบควบคุมการเคลื่อนที่ของแผ่นแก้วผ่านแท่นเคลื่อนที่ความแม่นยำสูง ถ่ายภาพชั้น voxel ภายในแก้วทีละชั้น
△ อุปกรณ์การเขียน (ซ้าย) และการอ่าน (ขวา)
สำหรับ voxel สองประเภทที่ต่างกัน ทีมใช้วิธีการสร้างภาพที่ต่างกัน
สำหรับ Birefringent voxel ใช้กล้องจุลทรรศน์แบบแยกโพลาไรเซชัน ถ่ายภาพหลายภาพของ voxel ชั้นเดียวกันในสถานะโพลาไรเซชันที่ต่างกัน 3 แบบ โดยการเปรียบเทียบความแตกต่างของภาพในสถานะโพลาไรเซชันที่ต่างกัน กำหนดทิศทางของแต่ละ voxel ได้อย่างแม่นยำ
สำหรับ Phase voxel ใช้กล้องจุลทรรศน์เฟสคอนทราสต์แบบ Zernike ใช้เทคนิคเฟสคอนทราสต์แปลงการเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหเล็กน้อยให้เป็นความแตกต่างของความสว่างที่ตาแยกแยะได้ จึงสามารถแยกแยะระดับดัชนีหักเหที่ต่างกัน กู้คืนสัญลักษณ์ข้อมูล
ภาพจุลทรรศน์ที่ถ่ายได้ไม่สามารถใช้ได้โดยตรง ยังได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวน การกระเจิงทางแสง และการรบกวนข้ามระหว่าง voxel Convolutional Neural Network (CNN) กลายเป็นหัวใจของการถอดรหัส ทีมใช้ภาพจุลทรรศน์ voxel จำนวนมากที่มีข้อมูลที่รู้จักมาฝึกโมเดล AI ให้โมเดลเรียนรู้ที่จะอนุมานสัญลักษณ์ข้อมูลจริงที่สอดคล้องกับแต่ละ voxel จากภาพที่เบลอและมีสัญญาณรบกวนได้อย่างแม่นยำ
โมเดล AI นี้มี “มุมมอง” กว้างไกล ไม่เพียงแต่สนใจพิกเซลไม่กี่พิกเซลที่สอดคล้องกับ voxel เดียว แต่ยังอ้างอิงข้อมูลบริบทของ voxel รอบข้าง แม้กระทั่งรวมภาพหลายเฟรมที่ความลึกต่างกันของแก้ว เพื่อรับมือกับการกระเจิงทางแสงและการรบกวนระหว่างชั้น เพิ่มความแม่นยำในการถอดรหัสอย่างมาก
หลังจากอนุมานสัญลักษณ์เสร็จ ระบบแปลงสัญลักษณ์เป็นความน่าจะเป็นของบิตก่อน จากนั้นทำการแก้ไขข้อผิดพลาดผ่าน รหัสแก้ไขข้อผิดพลาด LDPC นี่เป็นอัลกอริทึมแก้ไขข้อผิดพลาดที่มีประสิทธิภาพสูงซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในมาตรฐานการสื่อสาร 5G สามารถแก้ไขข้อผิดพลาดเล็กน้อยที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการอ่านและถอดรหัส การทดลองยืนยันในที่สุดว่าข้อมูลทั้งหมดที่เขียนลงในแก้วถูกอ่านออกมาอย่างครบถ้วนและไม่มีข้อผิดพลาด บรรลุการกู้คืนข้อมูลที่ไม่มีข้อผิดพลาดอย่างแท้จริง
แผนการเขียน voxel สองแบบของ Silica มีจุดเน้นด้านประสิทธิภาพต่างกัน:
* Birefringent voxel (แก้วควอตซ์): ในแผ่นแก้วขนาด 120mm×120mm×2mm สามารถเขียนได้ 301 ชั้น ความหนาแน่นข้อมูล 1.59 Gbit/mm³ ความจุจัดเก็บที่ใช้งานได้ 4.84TB; อัตราการเขียนลำแสงเดี่ยว 25.6 Mbit/s ประสิทธิภาพการเขียน 10.1 nJ/bit
* Phase voxel (แก้วโบโรซิลิเกต): ในแผ่นแก้วขนาดเดียวกันสามารถเขียนได้ 258 ชั้น ความหนาแน่นข้อมูล 0.678 Gbit/mm³ ความจุจัดเก็บที่ใช้งานได้ 2.02 TB; อัตราการเขียนลำแสงเดี่ยว 18.4 Mbit/s ประสิทธิภาพการเขียน 8.85 nJ/bit
แผนงาน Phase voxel แม้ว่าจะด้อยกว่าในด้านความหนาแน่นและความจุ แต่มีข้อได้เปรียบชัดเจน: ต้นทุนสื่อแก้วต่ำกว่า โครงสร้างฮาร์ดแวร์การเขียนและการอ่านง่ายกว่า และสนับสนุนการเขียนแบบขนานหลายลำแสง งานวิจัยสาธิตการเขียนแบบขนาน 4 ลำแสง อัตราการเขียนเพิ่มขึ้นเป็น 65.9 Mbit/s โดยตรง และไม่พบความเสียหายจากความร้อนที่สังเกตเห็นได้ชัด การจำลองความร้อนของทีมแสดงให้เห็นว่าในอนาคตการขยายไปสู่การเขียนแบบขนาน 16 ลำแสงขึ้นไปก็มีความเป็นไปได้เช่นกัน เป็นรากฐานสำหรับการเขียนความเร็วสูงในระดับใหญ่
ในขณะที่แผนงาน Birefringent voxel แม้ว่าจะมีประสิทธิภาพดีกว่า แต่ถูกจำกัดด้วยคุณสมบัติของสื่อ สามารถทำงานบนแก้วควอตซ์บริสุทธิ์สูงเท่านั้น และการเขียนต้องการมอดูเลเตอร์โพลาไรเซชัน การอ่านต้องการการสร้างภาพโพลาไรเซชันหลายสถานะ ความซับซ้อนและต้นทุนของฮาร์ดแวร์สูงกว่า
ทีมไม่ได้สรุปให้เลือกอย่างใดอย่างหนึ่ง แต่เชื่อว่าแผนงานทั้งสองมีสถานการณ์การใช้งานที่ต่างกัน ในอนาคตสามารถเลือกได้อย่างยืดหยุ่นตามงบประมาณต้นทุนเฉพาะ ความต้องการประสิทธิภาพ และขนาดการใช้งาน
การจัดเก็บหมื่นปีและความเสถียรของระบบ
นอกจากนี้ ทีมยังทำการทดลองเร่งอายุแก้วที่เขียน Phase voxel ไว้ นักวิจัยวางตัวอย่างในเตาอบอุณหภูมิสูงที่ 440℃ ถึง 500℃ เพื่อทำการอบอ่อน โดยติดตามกระบวนการลดลงของโครงสร้างทางแสงผ่านการตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนของ voxel
จากนั้น ใช้ สมการอาร์เรเนียส ในฟิสิกส์ (อุณหภูมิสูงขึ้น อัตราปฏิกิริยาเคมีเร็วขึ้น) เพื่อคาดการณ์จากข้อมูลการทดลองอุณหภูมิสูงไปในทิศทางอุณหภูมิต่ำ คำนวณอัตราการลดลงที่อุณหภูมิห้อง ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า voxel เหล่านี้ที่เขียนลงในแก้ว ในสภาพแวดล้อมอุณหภูมิสูง 290℃ อายุการใช้งานลักษณะเฉพาะก็เกิน 10,000 ปีแล้ว อุณหภูมิห้องในการจัดเก็บ
⚠️ หมายเหตุ: เนื้อหาได้รับการแปลโดย AI และตรวจสอบโดยมนุษย์ หากมีข้อผิดพลาดโปรดแจ้ง
☕ สนับสนุนค่ากาแฟทีมงาน
หากคุณชอบบทความนี้ สามารถสนับสนุนเราได้ผ่าน PromptPay
本文来自网络搜集，不代表คลื่นสร้างอนาคต立场，如有侵权，联系删除。转载请注明出处：https://www.itsolotime.com/th/archives/22880