В поисках новых технологий хранения данных

Главная проблема современного человечества — хранение огромного количества данных, которое растет в геометрической прогрессии. Сейчас уже кажется смешным, что на заре Интернета в 1993 году в Сети существовало только 130 сайтов, которыми пользовались три миллиона человек.

К 2012 году количество пользователей выросло до 2,18 миллиардов человек, а в 2022 году эта цифра почти достигла пяти миллиардов. Что касается объёмов информации, то в 2018 году весь интернет занимал 33 зеттабайта, а к 2025 году, по прогнозу аналитиков, достигнет уже 175 зеттабайт. Для такого огромного количества информации уже не подойдут привычные технологии хранения данных и придётся искать новые. Какие тенденции существуют в этой сфере и как мы будем хранить информацию в совсем не далёком будущем? 

Дата-центры будущего

Дата-центры существуют уже сегодня. Это специально оборудованные здания, в которых располагается серверное оборудование. Именно в таких дата-центрах находятся облачные хранилища, в которых мы сохраняем информацию. Однако дата-центры могут принадлежать отдельным корпорациям, которые хранят в них свои данные. 

Проблемы существующих дата-центров

Сегодня уже существуют огромные дата-центры с впечатляющим объёмом данных, которые они могут хранить. Например, одиннадцатиэтажное здание Digital Beijing в Пекине. Или дата-центр Apple в Северной Каролине, США. Этот центр обработки данных занимает 121 тысячу квадратных метров.

Основная проблема всех существующих дата-центров — потребление очень большого количества энергии, которая в основном расходуется на охлаждение серверов. Сложно представить, но все существующие дата-центры на сегодняшний день расходуют 5-7% всего электричества планеты. Причём электроэнергия нужна центрам обработки данных в режиме 24/7, то есть круглосуточно, без остановок.

Ещё одна проблема современных дата-центров — нехватка места. Интернет растёт так быстро, что серверы для него уже негде размещать. Именно эти две проблемы собираются решить дата-центры будущего.

Подводные дата-центры

Решение о создании подводных дата-центров имеет логическое обоснование. Дело в том, что половина населения Земли живёт в пределах двухсот километров от береговой линии морей и океанов. К тому же размещение под водой позволит решить основную проблему существующих дата-центров. А именно — снизить потребление энергии для охлаждения серверов за счет естественного охлаждения морской водой.

Ещё в 2015 году компания Microsoft запустила проект Natick. Тогда была разработана концепция подводного дата-центра и проведены испытания прототипа Leona Philpot. Во время эксперимента исследователи изучили эффективность использования морской воды в процессе охлаждения капсулы с серверами.

В 2018 году во время второго этапа испытаний у берегов Шотландии был затоплен новый контейнер с расположенным в нём небольшим дата-центром. Учёные хотели понять, можно ли создать автономный центр обработки данных? И если это возможно, то как долго его можно будет эксплуатировать? 

Через два года контейнер подняли со дна и отчитались о том, что эксперимент прошёл успешно. Скорее всего, в ближайшем будущем подводные автономные дата-центры без персонала и с низким потреблением энергии появятся повсеместно.

Дата-центры в Арктике

Центры обработки информации уже сегодня раскиданы по Арктике. Например, Facebook ещё в 2011 году открыл свой ЦОД в Лулео, Швеция. Недалеко обосновался ЦОД компании Google — в Хамине, в Финляндии.

Безусловно, климат северных стран играет свою роль: на охлаждение приходится тратить меньше энергии. Но, кроме того, не последнюю роль играет стоимость размещения. 

В этом смысле привлекательной кажется Исландия, которая сегодня становится просто раем для новых дата-центров. Во-первых, это самый северный остров в Северной Атлантике, то есть тут и вправду постоянно холодно. Во-вторых, в Исландии много дешёвого электричества, ведь эта страна генерирует больше электроэнергии на душу населения, чем какая-либо другая.

Открывать дата-центры в Арктике планирует и Россия. Так, «Кольский центр Ай Ти Консалтинга» собирается построить Арктический ЦОД в Мурманской области. Часть денег на этот проект будет выделена из бюджета. В будущем в Арктике планируется создание целой сети российских ЦОД, которые будут задействованы, в частности, в проекте Северного морского пути.

ЦОД в каменоломнях и в горах

Помимо проблемы нехватки электроэнергии, существует, как мы помним, ещё одна сложность — размещение огромных по площади ЦОД. Понятно, что где-нибудь в пустыне или в тайге можно построить какое угодно большое здание, но тогда возникнет вопрос доступа. Если же строить ЦОД недалеко от потребителей, то вопрос площадей становится острым. 

Для решения этой проблемы дата-центры планируют строить в заброшенных каменоломнях, в которых сохраняется постоянная температура и влажность. Кроме того, подземный ЦОД может располагаться недалеко от мегаполисов, но при этом не будет никому мешать. Так что можно будет не стесняться с размерами.

Проект самого большого в Европе ЦОД в заброшенной шахте реализуют в Западной Норвегии. Этот проект под названием Lefdal Mine Datacenter стартовал в 2017 году. ЦОД размещается на шести уровнях, которые вмещают 75 подземных залов.

Кроме проблемы свободных площадей, есть ещё одна трудность, о которой мы не упомянули. Это защищённость информации. Эту задачу решают, например, в Швейцарских Альпах, в дата-центре Swisscows. Это настоящий Форт-Нокс в области обработки и хранения данных. Он представляет собой два базовых операционных центра, которые скрыты глубоко под землёй.

В ЦОД существуют многоступенчатые системы защиты данных от незаконного доступа и хакерских атак. Внутри ЦОД оборудован системой видеонаблюдения и противопожарной безопасности. Дверь в хранилище замаскирована под скалу.  

Кварцевый диск от Hitachi

Инженеры компании Hitachi совместно с учёными Японского университета создали систему хранения данных, в основе которой лежат кварцевые диски-накопители. Производитель обещает, что это — практически вечные носители информации. И многие с этим согласны. Так, журнал Scientific American утверждает, что срок хранения этих дисков составит триста миллионов лет.

Диски очень маленькие: их площадь не превышает несколько сантиметров, а толщина — всего лишь несколько миллиметров. Информация записывается на четыре слоя при помощи фемтосекундного лазера. При этом плотность записи превосходит компакт-диск: на одной пластинке может храниться сорок мегабайт данных.  То есть одна малюсенькая пластинка вмещает столько же информации, как и стандартный компакт-диск. 

При этом такой кварцевый накопитель устойчив и к высоким температурам, выдерживая нагрев до 1000 градусов по Цельсию. А также не боится воды и противостоит воздействию химических соединений. В общем, способен пережить даже ядерную катастрофу.

Считывать информацию можно при помощи оптического микроскопа. Именно этот момент пока мешает использовать технологию массово. Ведь оптический микроскоп стоит недёшево. Однако уже сегодня кварцевые диски могут использоваться для хранения важной информации. Например, записей всех достижений человеческой цивилизации. 

Пятимерный накопитель

Такой стеклянный 5D-диск может хранить до пятисот терабайт данных. И это не вопрос далёкого будущего: такой диск уже существует.

Разработали необычный носитель информации на стеклянных пластинах учёные из Университета Саутгемптона в Великобритании. 5D-диск представляет собой небольшой кусок кварцевого стекла, на который наносят запись со скоростью до 225 килобайт в секунду. 

Работает это так — когда информацию сохраняют на диске, в нём создают объёмные микрокристаллы при помощи взрывных микроимпульсов лазера. Каждый кристалл имеет пять измерений, в которых можно кодировать информацию. Это длина, ширина, высота, сила и поляризация импульса, возвращаемого при считывании. 

Кроме огромного объёма информации, пятимерные диски обладают всеми преимуществами кварцевых пластин. То есть они долговечны и способны пережить все катастрофы мира. 

Молекулярные накопители

В статье «ДНК — природное хранилище данных» мы писали о том, что в будущем для хранения информации будут использованы возможности органической системы хранения данных, которая есть в каждой ДНК. Однако ДНК — не единственный источник идей для создания накопителей будущего.

Так, учёные из Университета Брауна, США, уверяют, что в качестве органического хранилища могут также выступать низкомолекулярные метаболиты.

В процессе внесения информации в набор метаболитов начинается взаимодействие молекул, которые создают новые электрически нейтральные частицы, содержащие записанные в них данные. Считывать информацию учёные предлагают при помощи химических реакций.

Но, к сожалению, это пока только лабораторная наработка, не реализованная на практике. Однако, если работа учёных приведёт к успешному результату, данные на таких накопителях можно будет хранить хоть миллион лет