8 Minutės
Įvadas
Jie išraižė QR kodą mažesnį už vieną bakteriją ir už tai gavo Guinnesso sertifikatą. Mažas, tikslus ir tyčia atsparus — taip skamba antraštė iš TU Wien mokslininkų komandos, kuri pasinaudojo senųjų akmenininkų principu: jei nori, kad informacija išliktų, įrašyk ją į medžiagą, kuri nesuyra.
Šis naujas QR kodas užima vos 1,98 kvadratinio mikrometro plotą — maždaug 37 procentais mažesnį už ankstesnį mažiausią kodą. Kiekvienas pikselis siekia apie 49 nanometrus. Šie matmenys yra tokie nedideli, kad matoma šviesa negali atskirti rašto; paprasti optiniai mikroskopai praktiškai nemato tokio rašto. Žinutę nuskaito aukštos raiškos elektroninis mikroskopas.
Techniniai duomenys ir skaitymo procesas
Matmenys ir raiška
1,98 µm² bendro ploto QR kodas reiškia, kad visa simbolinė matrica sutalpinta labai mažame plote. Pikselio dydis ~49 nm reiškia, kad kiekvienas taškas yra kelis kartus mažesnis už bangos ilgį matomoje šviesoje (apie 400–700 nm), todėl optiniai metodai praranda gebėjimą atskirti atskirus elementus. Tokia nanoskopinė raiška reikalauja elektrono bangos ilgio panaudojimo — tai ir teikia elektroninis mikroskopas.
Elektroninis mikroskopas kaip skaitytuvas
Elektroniniai mikroskopai naudoja elektrono spindulį, kurio efektyvus bangos ilgis yra daug mažesnis nei matomos šviesos, todėl jie gali rezoliuoti struktūras, kurių dydis yra keliasdešimt nanometrų ar dar mažesnis. Nors elektroninis vaizdas nėra toks tiesiogiai suvokiamas kaip optinis, vaizdo apdorojimas ir specializuotos algoritminės atpažinimo priemonės leidžia rekonstruoti pirminę QR kodo struktūrą ir perskaityti įkoduotą informaciją.
Būtina pažymėti, kad skaitymo procesas reikalauja ne tik paties mikroskopo, bet ir derinimo — tikslios orientacijos, kalibracijos, kontrasto reguliavimo bei klaidų taisymo algoritmų, nes nanoskopinės klaidos arba mažos deformacijos gali pakeisti kodo bitus. Todėl eksperimentinis skaitymas dažnai apima kelis skenavimo scenarijus, vidutinimą ir pažangias signalų apdorojimo technikas.
Komanda, idėja ir analogija
MNolekulinis įrašas nėra tik triukas ar pramoga; už jo stovi aiški inžinerinė ir archyvinė filosofija. Alexander Kirnbauer ir kolegos teigia, kad šiuolaikinės skaitmeninės laikmenos yra pažeidžiamos: kietieji diskai, magnetiniai juosteliai ir optiniai diskai kenčia nuo „bitų pūtimo“ (bit rot) ir turi ribotą gyvavimo laiką. Senovės civilizacijos graviravo žinias į akmenį ir molį, todėl jos išliko tūkstantmečius. Rašydami duomenis į cheminiu požiūriu inertinę keramiką, Austrijos grupė siekia sukurti archyvinę terpę, kuri nereikalauja energijos palaikymui ir atspari sklaidai bei cheminiams pokyčiams.
Komanda sąmoningai panaudojo senosios praktikos idėją: mechaninis ar cheminis rašymas į tvirtą, stabilų paviršių gali duoti ilgalaikį rezultatą. Skirtumas tas, kad įrašas vyksta nanomasteliu ir yra suderintas su šiuolaikinėmis informacijos glaudinimo bei klaidų taisymo technologijomis, kas leidžia pasiekti tiek mažumą, tiek informacijos patikimumą.
Tankis, skaičiavimai ir komercinės perspektyvos
Tankis, kurį pateikia tyrėjai, yra įspūdingas: jie apskaičiavo, kad ši metodika galėtų talpinti daugiau nei 2 terabaitus viename A4 formato lape (jei analogiškai išsidėstytų nanoinformacija per lapo plotą). Šis skaičiavimas remiasi esamo pikselių dydžio ir bitų tankio matavimais bei teoriniais glaudinimo rodikliais.
Ambicija siekti petabaitų tankumo yra dar didesnė — TU Wien komanda kartu su startuoliu Cerabyte tiriamuoju būdu siekia prilyginti ar net pranokti tradicines archyvines medijas pagal ilgalaikio saugojimo tankį. Tai patraukė privačių investuotojų dėmesį: Western Digital pastebėjo technologiją ir finansavo Cerabyte, kas yra ženklas, jog idėja gali persikelti iš laboratorijos į praktinį archyvavimą.
Praktiniai pranašumai palyginus su esamomis technologijomis
- Atsparumas laikui: keramika yra cheminėmis medžiagomis inertinė ir gali atlaikyti temperatūros svyravimus, drėgmės poveikį bei daugumą korozinių procesų, palyginti su magnetinėmis ar organinėmis medžiagomis.
- Nereikalauja energijos: skirtingai nuo diskų ar serverių, keramikiniai įrašai saugomi pasyviai — jiems nereikia aktyvios energijos, kad išlaikytų bitus.
- Didelis informacijos tankis: nanotękmės leidžia pasiekti tankius, kurie teoriškai gali varžytis su šiuolaikinėmis šifravimo ir glaudinimo schemomis.
Iššūkiai ir techniniai barjerai
Nors potencialas yra didelis, praktinių kliūčių taip pat nemažai. Pagrindiniai iššūkiai yra šie:
- Rašymo greitis: dabartinė technologija naudoja metodus, kurie yra lėti ir pritaikyti tik laboratoriniams eksperimentams. Norint pereiti prie pramoninio gamybos lygio, reikia ženkliai pagreitinti įrašymo procesą.
- Mastelio didinimas: gaminti trilijonus nanostruktūrų vienu metu reikalauja metodų, kaip paralelizuoti procesus: nanoimprinting, litografija, pluoštinė skalė arba masinė jonų spindulio apdirba gali būti tyrinėjami kaip sprendimai.
- Skaitymo aparatūra: kol kas reikia aukštos raiškos elektroninių mikroskopų, kurie yra brangūs ir reikalauja specializuoto personalo. Būtina sukurti greitesnius, pigesnius ir labiau pritaikytus skaitytuvus arba alternatyvius detektorius.
- Klaidos taisymas ir patikimumas: nanoskopinės deformacijos ir gamybos netikslumai gali sukelti klaidas. Reikalingi patikimi klaidų taisymo kodai, duomenų redundancija ir metadata, užtikrinantys duomenų atkūrimą net esant dalinei degradacijai.
- Prisitaikymas prie standartų: ilgalaikis priėmimas reikalauja, kad būtų sukurti tarptautiniai standartai formatams, metadata aprašo ir skaitymo protokolams, kad ateities kartos galėtų interpretuoti saugomus duomenis.
Galimi techniniai sprendimai
Tyrėjai ir pramonė nagrinėja kelias kryptis: didelio greičio klešimų/spausdinimo technologijų kūrimą, pluoštinės arba paralelinės litografijos taikymą, taip pat skaitymo įrangos miniaturizavimą ir automatizavimą. Kitos idėjos apima specializuotus robotinius skaitytuvus, kurie galėtų nuskaitinėti keramikos plokšteles serijiniu būdu ir konvertuoti vaizdus į skaitmeninius duomenis automatizuotais pipeline‟ais.
Pritaikymai ir potencialūs naudojimo atvejai
Jeigu technologija pasieks pramoninį lygį, praktinės pritaikymo sritys galėtų būti tokios:
- Kultūros paveldo archyvavimas: muziejai ir bibliotekos galėtų įrašyti svarbius dokumentus ar duomenis į keramikinį puslaidininkį ar plokšteles, kad jie išliktų šimtmečius.
- Valstybės archyvai ir teisminiai įrašai: dokumentų sauga, kuri nereikalauja periodinio perkėlimo ar energijos, būtų patraukli ilgam saugojimui.
- Kosmoso misijos: neorganinė, atspari medžiaga galėtų būti naudinga saugant informaciją ilgoms misijoms arba kaip informacijos kapsulė tarpplanetinėms ekspedicijoms.
- Skaitmeninio „šalto“ saugojimo centrai: duomenų, kurių retai reikia, ilgalaikė laikmena, kuri nereikalauja kryptinių technologinių atnaujinimų.
Ekologinės ir ekonominės pasekmės
Keramikinės archyvinės laikmenos gali sumažinti energijos sąnaudas, susijusias su serverių kambariais ar dideliais duomenų centrais, nes neužtikrina nuolatinio elektros tiekimo. Tačiau gamybos procesai, rašymo technologijos ir skaitymo įrenginiai turi būti įvertinti pagal visą gyvavimo ciklą — nuo medžiagų gavimo iki perdirbimo. Ekonominis modelis taip pat priklausys nuo vienetinės gamybos kainos ir nuo to, kaip greitai rašymo bei skaitymo priemonės taps pigesnės ir masiškesnės.
Paruošimas praktikai: standartai, metadata ir saugumas
Ilgalaikiai archyvai turi būti ne tik fiziniai, bet ir semantiškai prieinami. Tai reiškia, kad kartu su bitais būtina saugoti metadata: formatų aprašus, dekodavimo algoritmus, reikalingą programinę įrangą ar net paprastas instrukcijas ateities skaitytojams. Be to, svarbu apsvarstyti saugumo ir autentifikavimo mechanizmus — kaip įrodyti, kad konkretūs duomenys nėra klastotė ar pažeisti?
Konkurencija su kitomis ilgalaikio saugojimo technologijomis
Technologija konkuruoja su tokiais sprendimais kaip magnetinės juostos archyvai, optinės medijos (pvz., archyvinės optinės plokštelės), hemero-chemijos sprendimais ir naujais išradimais, pvz., informacijos įrašymas į kristalinius ar molekulinius neorganinius tinklus. Kiekviena iš šių technologijų turi savo privalumų ir trūkumų: kai kurios geresnės pagal atgaminamumą, kitos — pagal tankį ar atsparumą aplinkos poveikiui. Keramika siūlo ypatingą atsparumą cheminei degradacijai ir temperatūros pokyčiams, bet suvaržo pagal skaitymo prieinamumą ir rašymo greitį.
Tai yra daugiau nei naujovės rekordas — tai žvilgsnis į saugojimą, sukurtą taip, kad išliktų ilgiau nei įrenginiai, kurie jį sukūrė.
Išvados ir perspektyvos
Trumpai, aštriai ir ilgaamžiai. Pagrindinis klausimas dabar — ar mažytės keraminės žymos spės išsiplėsti tiek, kad įgautų praktinę reikšmę. Norint, kad tai taptų realybe, reikia pažangos keliomis kryptimis: spartesnio rašymo, pigesnio skaitymo, gamybos mastelio didinimo ir tarptautinių standartų sukūrimo. Jei šie barjerai bus įveikti, gali atsirasti nauja archyvinio saugojimo klasė, kurioje nepriklausomumas nuo nuolatinės energijos ir cheminis stabilumas suteiks informacijos ilgaamžiškumą.
Bandymas aptikti šį QR kodą optiniu mikroskopu žlugs spektakuliariai. Komanda šmaikštauja, kad bandyti skaityti šį QR optiniu prietaisu yra panašu į bandymą pajusti Brailio raštą dramblio letena — juokingas vaizdas, bet efektyvus palyginimas.
Galiausiai, technologija kelia įdomų klausimą apie tai, kaip mes prieiname, interpretuojame ir prižiūrime žinias per amžius. Keramikos įrašai žada vieną — ilgaamžę, pasyvią saugyklą; likusi dalis priklausys nuo mūsų gebėjimo sujungti nano-inžineriją su praktiniais industriniais sprendimais ir standartais.
Trumpai, aštriai ir nuolatinai. Dabar lieka pažiūrėti, ar mažytės keramikinės žymos pasieks mastelius, svarbius realiam pasauliui.
Šaltinis: smarti
Komentarai
Marius
Neiškart patikėjau, 1,98 µm²?! wow. Idėja genial, bet kur tie skaitytuvai ir kiek kainuos? Jei pavyks mastelis, gali pakeist viską. Šiek tiek skeptiškas
Palikite komentarą