Huge amounts of data could be archived in a compact format for millennia, by using lasers to encode that data into glass.
In 2028, the amount of data that the world is projected to generate—in the form of photos, videos, emails, documents and other files—could reach about 394 zettabytes (394 trillion gigabytes), according to the market analyst firm International Data Corporation. That’s a nearly threefold increase from 2023.This demand has driven research toward radically new ways of storing data, in part because all mainstream electronic data storage techniques break down over time. For example, most digital archives are currently saved on magnetic tape, which only lasts about 30 years.
https://spectrum.ieee.org/glass-data-storage-microsoft-silica
마이크로소프트의 프로젝트 실리카는
입방밀리미터당 기가비트급의 용량을 저장합니다.
레이저를 이용해 데이터를 유리에 인코딩하면 엄청난 양의 데이터를 수천 년 동안 압축된 형태로 보관할 수 있습니다.
시장 분석 회사인 IDC (국제 데이터 기업) 에 따르면 , 2028년 전 세계에서 생성될 데이터 양(사진, 비디오, 이메일, 문서 및 기타 파일 형태)은 약 394제타바이트 (394조 기가바이트)에 달할 것으로 예상됩니다 . 이는 2023년 대비 거의 세 배 증가한 수치입니다. 이러한 수요 증가는 데이터를 저장하는 근본적으로 새로운 방식에 대한 연구를 촉진해 왔는데 , 이는 기존의 모든 전자 데이터 저장 기술이 시간이 지남에 따라 수명이 다 하기 때문입니다. 예를 들어, 현재 대부분의 디지털 아카이브는 자기 테이프 에 저장되는데 , 이는 수명이 약 30년 밖에 되지 않습니다 .
과학자들이 연구해 온 한 가지 가능성은 습기, 온도 변화 및 전자기 간섭 에 대한 저항성 때문에 유리에 데이터를 저장하는 것입니다 . 그러나 이전에는 이러한 전략을 시도한 결과 데이터 밀도, 쓰기 처리량 및 에너지 효율성 측면에서 문제가 발생했습니다 .
마이크로 소프트 과학자들은 펨토초 레이저를 사용하여 이러한 단점을 극복하고자 했습니다. 펨토초 레이저 는 100경분의 1초에 불과한 아주 짧은 시간 동안 고출력 레이저 펄스를 방출합니다. 연구진은 유리 내부의 한 지점에 레이저 빔을 집중시켜 광학적 특성을 변화시키고, 데이터를 픽셀의 3차원 표현인 복셀로 인코딩했습니다. 연구 결과 는 2월 18일 네이처(Nature) 온라인판에 발표되었습니다 .
첨단 유리 데이터 저장 기술
과학자들이 인코딩한 각 복셀은 각 방향으로 약 0.5 마이크로미터 크기였고, 서로 약 6 마이크로미터 간격으로 떨어져 있었습니다. 그런 다음 자동 현미경을 사용하여 데이터를 읽어낼 수 있었습니다. 판독 과정에서 사용된 머신 러닝 모델은 무작위 오류와 복셀 간의 광학적 간섭 효과를 보정하는 데 도움을 주었습니다.
실리카(Silica ) 라고 불리는 새로운 아카이빙 시스템은 세제곱밀리미터당 최대 1.59기가비트를 저장할 수 있습니다. 이는 약 12제곱센티미터, 두께 2밀리미터의 유리 칩 내 약 300개 층에 4.84테라바이트를 저장하는 것과 맞먹는 용량으로, 인쇄된 책 약 200만 권 또는 초고화질 4K 영화 5,000편에 해당하는 양입니다.
기존의 유리 데이터 저장 기술에는 한 가지 단점이 있었는데, 각 복셀에 데이터를 기록하기 위해 여러 개의 레이저 펄스가 필요하다는 점이었습니다. 이로 인해 처리량이 감소하고 전력 소모가 높아졌습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 위상 복셀과 복굴절 복셀이라는 두 가지 유형의 복셀을 개발했는데, 각각 단 하나의 레이저 펄스만으로도 데이터를 기록할 수 있었습니다.
마이크로소프트의 프로젝트 실리카 연구 책임자인 리처드 블랙 은 “이 기술은 데이터를 저장하는 데 필요한 레이저 전력을 크게 줄여주고, 여러 펄스를 전달하기 위해 레이저 초점을 한 곳에 고정했다가 다음 위치로 이동하는 과정을 반복할 필요가 없게 해줍니다.”라고 설명합니다 . “결과적으로 레이저 초점을 유리 표면 전체에 빠르게 이동시킬 수 있어, 쓰기 속도는 펨토초 레이저 자체의 속도에 의해서만 제한됩니다.” 실리카는 초당 수백만 개의 레이저 펄스를 발사하여 단일 빔으로 최대 25.6메가비트/초의 속도로 데이터를 기록할 수 있습니다.
이 두 종류의 복셀은 모두 빛이 유리를 통과하는 속도를 변화시키는데, 이 속도는 굴절률 이라는 요소에 따라 결정됩니다 . 위상 복셀은 모든 방향에서 굴절률을 균일하게 변화시키는 반면, 복굴절 복셀은 방향에 따라 굴절률을 변화시킵니다.
복굴절 복셀을 사용하면 과학자들은 데이터 밀도, 쓰기 처리량 및 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있었습니다. 그러나 이러한 복셀을 만들려면 고순도 실리카 유리가 필요했습니다. 이에 비해 위상 복셀은 조리기구에 널리 사용되는 붕규산 유리와 같은 내구성이 뛰어난 투명 재질이라면 어떤 것이든 사용할 수 있습니다. 또한 위상 복셀은 쓰기 및 읽기 하드웨어도 더 간단합니다.
실리카의 장기 안정성을 평가하기 위해 과학자들은 새겨진 유리판을 최대 500°C까지 반복적으로 가열하여 저온에서의 장기 노화를 모사했습니다. 그 결과, 유리판에 기록된 데이터는 290°C에서 1만 년 이상, 상온에서는 그보다 훨씬 더 오랫동안 읽을 수 있을 것으로 나타났으며, 이는 기존의 전자 데이터 저장 기술을 훨씬 뛰어넘는 내구성입니다.
블랙은 "이 제품은 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)나 하드 드라이브 같은 일반적인 저장 장치를 대체하는 것이 아닙니다."라며, "한 번 기록하고 오랫동안 보존하고 싶은 데이터를 위해 설계되었습니다."라고 말했습니다.
블랙은 "가장 확실한 적용 분야는 국립 도서관 , 과학 데이터 또는 문화 기록 과 같이 수 세기 동안 보존되어야 하는 모든 아카이브 분야 "라고 말합니다. "데이터가 한 번 기록되면 영구적으로 보관되는 클라우드 아카이브에도 매우 적합합니다."
유리에 대한 흔한 오해 중 하나는 유리가 수 세기에 걸쳐 흐른다는 것입니다. 블랙은 "상온에서 유리는 사실상 고체이며 의미 있는 시간 척도로 흐르지 않는다"고 지적합니다. 일반적인 보관 조건에서 "유리와 그 안에 있는 데이터 구조는 인류 역사보다 훨씬 더 오랜 기간 동안 본질적으로 변하지 않습니다."
블랙은 펨토초 레이저가 현재 고가이기 때문에 이 전략이 대규모로 실현 가능할지에 대한 의문이 여전히 남아 있다고 경고합니다. 연구진은 이번 연구 결과를 공유함으로써 다른 연구팀들이 이를 기반으로 기술을 발전시켜 더 많은 사람들이 이용할 수 있도록 돕기를 희망합니다.
https://spectrum.ieee.org/glass-data-storage-microsoft-silica
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