تعمل شركة Microsoft Research على مشروع Project Silica – وهو جهاز تخزين يشبه الزجاج ويمكن كتابته مرة واحدة ويمكنه تخزين تيرابايت من البيانات لمدة 10000 عام – منذ أكثر من خمس سنوات، دون تقديم أي وعود بشأن تسويقه أو الكشف عن معلومات فنية مفصلة. قامت الشركة أخيرًا هذا الأسبوع بتفصيل وسائلها وسير العمل الشامل فيها طبيعةوهو ما يعني التأكيد على أن المشروع لا يزال قيد التطوير، ولكن دون تقديم أي وعود بشأن تسويقه.
مصدر القلق الرئيسي حول مشروع Silica هو أن أبحاث Microsoft تعمل الآن في اتجاهين مختلفين يعتمدان على آليتين فيزيائيتين مختلفتين بشكل أساسي، مما يعني أنه لا يوجد شيء جاهز لوقت الذروة بعد.
طريقتان مختلفتان للكتابة
تستفيد الطريقة الأولى من حل تخزين Project Silica الأصلي للكتابة مرة واحدة والقراءة المتعددة (WORM) وتعتمد على وسط السيليكا المندمج ونبضات ليزر الفيمتو ثانية لإنشاء نقاط بيانات مجهرية – وحدات فوكسل – مكدسة عبر مئات الطبقات. تعتمد الطريقة المجددة على نهج النبض الفردي الزائف حيث يتم تقسيم كل نبضة ليزر إلى مكونات بذرة وبيانات: نبض البذرة يبدأ في إنشاء جسم نانوي، والنبض التالي يطيله لإنتاج الشكل النهائي فوكسل ثنائي الانكسار ولاية. يتم ترميز ثمانية مستويات استقطاب لكل فوكسل.
تتيح هذه الطريقة درجة فوكسل تبلغ 0.500 ميكرومتر × 0.485 ميكرومتر، وتباعد الطبقات بمقدار 6 ميكرومتر، و301 طبقة. وبالتالي، يصل الوسيط إلى 1.59 جيجابت/مم³، وهو ما يترجم إلى سعة قابلة للاستخدام تبلغ 4.84 تيرابايت في طبق زجاجي مقاس 120 مم × 120 مم × 2 مم بعد التحميل العلوي. من وجهة نظر الأداء، نحن نتحدث عن 25.6 ميجابت/ثانية لكل شعاع و10.1 نيوجول لكل بت من كفاءة استخدام الطاقة.
يقدم الطريقة الثانية فوكسل المرحلة، بدائية تخزين جديدة تعمل على تعديل معامل انكسار الزجاج لإنشاء تحولات طورية في الضوء المنقول. يحتوي فوكسل الطور على أربعة مستويات من تعديل السعة ولا يتطلب سوى نبضة فمتوثانية واحدة لتعديل مرحلته. والأهم من ذلك، أنه يمكن تشكيلها بشكل موثوق في زجاج البورسليكات، وهي نفس المادة المستخدمة في تجهيزات المطابخ وأبواب الفرن.
عند مسافة 0.5 ميكرومتر × 0.7 ميكرومتر، وتباعد بين الطبقات 7 ميكرومتر، و258 طبقة، تصل الكثافة إلى 0.678 جيجابت/مم³، مما يعني 2.02 تيرابايت لكل طبق مع أربعة مستويات تعديل بعامل جودة 0.92. تبلغ الإنتاجية لكل حزمة 18.4 ميجابت/ثانية، وكفاءة الطاقة 8.85 نيوجول لكل بت. بالإضافة إلى ذلك، من خلال تقسيم الحزمة إلى أربع قنوات معدلة بشكل مستقل، أظهر الباحثون 65.9 ميجابت/ثانية دون إحداث ضرر حراري، ويعتقدون أن 16 حزمة أو أكثر يجب أن يكون ممكنًا.
طريقتان مختلفتان للاسترجاع
نظرًا لوجود نوعين مختلفين من الفوكسيلات، تستخدم السيليكا طريقتين متميزتين للاسترجاع البصري، تتوافق كل منهما مع الطبيعة الفيزيائية للفوكسل المخزن.
ل وحدات فوكسل ثنائية الانكسار في السيليكا المنصهرة، يعتمد النظام على الفحص المجهري واسع المجال الذي تم تحليله بالاستقطاب. تغير الهياكل النانوية المكتوبة الضوء بطريقة تعتمد على الاتجاه (متباين الخواص)، لذا لقراءة البيانات، يسلط النظام ضوءًا مستقطبًا دائريًا عبر الزجاج ويلتقط الصور في ثلاث حالات اكتشاف مختلفة، متباعدة بمقدار 120 درجة على كرة بوانكاريه. باستخدام هذه العروض الثلاثة، يمكن للقارئ أن يفرق بشكل موثوق بين مستويات اتجاه السمت الثمانية المخزنة في كل فوكسل. يستخدم النظام هدف 0.6 NA مع تصحيح الانحراف الكروي للحفاظ على دقة جيدة أثناء القراءة بعمق في الزجاج، ويلتقط مستوى بؤريًا واحدًا لكل طبقة.
ل فوكسل المرحلة في زجاج البورسليكات، يتم إجراء الاسترجاع باستخدام مجهر تباين الطور Zernike مخصص. تقوم هذه الأكسيل بتخزين البيانات كتغيرات صغيرة في معامل الانكسار، مما يؤدي إلى حدوث تحولات طورية في الضوء المنقول. لقراءتها، يستخدم المجهر حلقة طور داخل الهدف لتحويل تحولات الطور الصغيرة إلى اختلافات سطوع مرئية.
على عكس النهج ثنائي الانكسار، تتميز هذه الطريقة بتقسيم بصري أضعف، لذلك يمكن للإشارات الواردة من الطبقات المجاورة أن تتداخل بسهولة أكبر، الأمر الذي يحتاج إلى التخفيف. للتخفيف من حدة الصورة، يلتقط القارئ صورتين لكل طبقة: واحدة في موضع التباين الأقوى والأخرى أعمق قليلاً في التركيز، حيث تنعكس إشارة فوكسل (انعكاس التباين). تؤدي مقارنة هاتين الصورتين إلى تقليل التداخل المحوري وتحسين القدرة على التمييز بين مستويات السعة الأربعة المكتوبة لكل فوكسل.
تعتمد كلتا طريقتي الاسترجاع على التصوير واسع المجال باستخدام كاميرا CMOS (Hamamatsu ORCA Flash4 v3.0، 2048 × 2048 بكسل) وتحديد موضع المسار تلقائيًا. بمجرد التقاط الصور، يقوم النظام باستعادة البيانات في أربع خطوات رئيسية. أولاً، يقوم بتنظيف الصور ومحاذاتها. بعد ذلك، تقوم الشبكة العصبية التلافيفية بتحليل كل فوكسل وتقدير الرمز الذي تمت كتابته. يتم بعد ذلك تحويل هذه الرموز مرة أخرى إلى بتات، وفي النهاية، تقوم مرحلة تصحيح خطأ LDPC بإعادة بناء بيانات المستخدم الأصلية.
بدلًا من النظر فقط إلى معدل خطأ البت الخام (BER) أو معدل خطأ الرمز (SER)، يستخدم الباحثون شيئًا يسمونه “عامل الجودة”، والذي يقيس مقدار التكرار المطلوب لاستعادة جميع البيانات بشكل موثوق. لذا، بدلاً من مجرد السؤال “ما هو عدد الأخطاء الموجودة؟”، فإنهم يسألون “ما هو مقدار التصحيح المطلوب لضمان التعافي الكامل؟” يعد هذا أسلوبًا طبيعيًا للبحث لأنه يمثل طريقة أكثر عملية لتحديد موثوقية الأرشيف. ومع ذلك، بالنسبة لنظام التخزين التجاري، هناك حاجة إلى آلية تصحيح قوية.
التحقق من صحة اختبار طول العمر
للتحقق من الموثوقية، لم يتوقف فريق أبحاث Microsoft عند العروض التوضيحية على نطاق المختبر، بل أخضع السيليكا لدورات كتابة وقراءة متكررة عبر عينات زجاجية متعددة على مدار عدة أشهر.
كتب الباحثون نفس مجموعة البيانات على ثلاثة أطباق زجاجية مختلفة ثم قرأوا البيانات مرة أخرى ما مجموعه 37 مرة، في كل مرة باستخدام تصحيح خطأ LDPC لإعادة بنائها بالكامل. كانت النتائج متسقة بشكل ملحوظ: كان التباين في عامل الجودة صغيرًا للغاية – فقط 0.00230 بين الـ 50% الوسطى من القراءات – وهو ما يُترجم إلى اختلاف قدره 0.25% تقريبًا في الكثافة المتوسطة، وهي نتيجة جيدة لتقنية لا تزال في مرحلة البحث. ومع ذلك، كان الأداء مستقرًا وقابلًا للتكرار، ولم يكن مجرد نجاح لمرة واحدة.
من أجل التحمل، أجرى الباحثون تجارب الشيخوخة المتسارعة عن طريق تلدين عينات الطور فوكسل عند 440 درجة مئوية، و460 درجة مئوية، و480 درجة مئوية، و500 درجة مئوية في فرن متحكم فيه. أثناء تسخين العينات، قاموا بقياس مدى ضعف إشارة الحيود تدريجيًا مع مرور الوقت. ومن هذا الاضمحلال، حسبوا طاقة تنشيط قدرها 3.28 فولت، وهي طاقة عالية نسبيًا، مما يعني أن تعديلات معامل الانكسار مستقرة حرارياً. تتوقع نمذجة أرينيوس عمرًا للوسائط يتجاوز 10000 عام في درجة حرارة الغرفة، وهو ما يتوافق مع الاحتفاظ بالبيانات الموعودة على نطاق الألفية.
اتجاهات مختلفة، وعود صفرية
يوضح المنشور الذي نشرته مجلة Nature مرة أخرى أن أبحاث Microsoft يمكنها تحقيق كثافة تخزين هائلة باستخدام الوسائط الزجاجية وموثوقية غير مسبوقة. ومع ذلك، لا يبدو أن مايكروسوفت قريبة بالفعل من تسويق هذه التكنولوجيا.
لم يتم اتخاذ قرار التصميم الرئيسي لأنظمة السيليكا المستقبلية – سواء لنشر وحدات فوكسل ثنائية الانكسار أو طورية. توفر وحدات فوكسل ثنائية الانكسار كثافة أعلى وأداء أعلى (في حين أنها لا تزال أبطأ من حيث الحجم من محركات الأقراص الثابتة)، ولكنها تتطلب سيليكا منصهرة عالية النقاء لتشكيل هياكل نانوية مستقرة متباينة الخواص. تعد وحدات فوكسل الطور، الموضحة في زجاج البورسليكات، أكثر مرونة من حيث المواد وتبسط مجموعة الأجهزة، ولكن على حساب كثافة تخزين أقل وأداء أقل. يعمل كلا النهجين بمعدل تكرار الليزر الكامل البالغ 10 ميجاهرتز، لذلك لا يقتصر أي منهما بطبيعته على إنتاجية مستوى النبض.
أخبار جيدة، خريطة الطريق للتوسع واضحة. زيادة الفتحة العددية لهدف الكتابة من 0.6 إلى 0.85 يمكن أن تؤدي إلى خفض طاقة الكتابة إلى النصف تقريبًا وتقليل حجم فوكسل بنحو 4X، بافتراض تحجيم NA. يمكن للتركيبات الزجاجية عالية الأداء مع عتبات تعديل أقل أن تحسن جودة وكفاءة فوكسل، في حين أن ليزر الفيمتو ثانية 50 ميجا هرتز المتوفر تجاريًا مع تعدد الإرسال متعدد الحزم يمكن أن يرفع الأداء بمقدار 20X في أفضل السيناريوهات، الأمر الذي سيجعل التكنولوجيا على قدم المساواة مع محركات الأقراص الصلبة من حيث الأداء. سيعتمد أداء القراءة بشكل أساسي على سرعة الكاميرا والبصريات ذات مجال الرؤية الكبير، ولا يعتبر عامل تكلفة رئيسي.
على مستوى النظام، سيستخدم التنفيذ السحابي مكتبات زجاجية آلية لأتمتة التعامل مع الوسائط، الأمر الذي يجعل من Silica، إلى جانب الموثوقية وطول العمر، تقنية تخزين أرشيفية قابلة للتطبيق على المدى الطويل. والسؤال الرئيسي هو متى قد تكون هذه التكنولوجيا جاهزة.
التعليقات