Тридцать лет назад весь интернет занимал всего 2,5 терабайта — такой объём сегодня легко помещается на обычный внешний жёсткий диск. Но мир изменился. По данным на 2024 год, глобальный интернет-трафик достиг 521,9 экзабайта в месяц, а прогнозы указывают на продолжение экспоненциального роста.

Для понимания масштаба: один экзабайт равен 1 048 576 терабайтам. За три десятилетия объём данных вырос примерно в 167 миллионов раз. И здесь возникает фундаментальный вопрос: где и как хранить всё это?

Современные технологии хранения — жёсткие диски, твердотельные накопители, магнитные ленты и оптические диски — все имеют ограниченный срок службы. Жёсткие диски служат 5-10 лет, твердотельные накопители — примерно столько же, Blu-ray диски — до 15 лет, магнитные ленты — около 30 лет. Для личного использования этого достаточно, но для промышленного хранения больших объёмов информации такие сроки создают серьёзные проблемы.

Постоянная миграция данных, создание резервных копий — всё это требует дополнительных затрат и, главное, создаёт риск потери информации. С развитием генеративных моделей искусственного интеллекта темпы роста данных будут только ускоряться.

Именно здесь на сцену выходит технология 5D-кристаллов — радикальное решение, способное сохранять огромные объёмы критически важной информации практически навечно.

Что такое 5D-кристаллы

Название «5D» часто вводит в заблуждение — речь идёт не об экзотических высших измерениях или путешествиях во времени. Технология использует три пространственных координаты и два дополнительных оптических параметра для кодирования данных.

По сути, 5D-кристалл представляет собой прозрачный стеклянный диск из кварцевого стекла, на который данные записываются с помощью фемтосекундного лазера. Технологию иногда называют «Superman memory crystal» — в честь кристаллов памяти из фильма «Супермен» 1978 года, где подобные устройства хранили версию искусственного интеллекта Джор-Эла.

Возможности впечатляют: на один диск диаметром 12 сантиметров — размером со стандартный CD или DVD — можно записать до 360 терабайт информации. Это примерно 72 миллиона фотографий в высоком разрешении или тысячи часов видео в формате 4K.

Расчётный срок хранения информации составляет 13,8 миллиарда лет при нормальных условиях — примерно равен возрасту Вселенной. В масштабах нашей планеты — это практически вечность.

При этом носитель исключительно надёжен. Он выдерживает температуры до 1000°C, космическую радиацию, электромагнитные помехи и физическое разрушение. Один из таких дисков Илон Маск уже отправил в космос на Tesla Roadster к Марсу.

Как работает технология 5D-кристала?

В обычных CD или DVD информация хранится на поверхности в двух измерениях. В 5D-технологии всё устроено гораздо сложнее и элегантнее.

Здесь задействуются пять параметров: три пространственных координаты, показывающие расположение точки внутри стекла, и два оптических параметра — угол наклона наноструктуры и степень её влияния на свет. Это называется двойным лучепреломлением, или бирефрингенцией — способностью по-разному преломлять свет в зависимости от направления его распространения.

Как работает фемтосекундный лазер?

В основе записи лежит фемтосекундный лазер — устройство, излучающее ультракороткие световые импульсы длительностью всего одну квадриллионную долю секунды (0,000000000000001 секунды). В одной секунде столько же фемтосекунд, сколько секунд в 32 миллионах лет.

Интересно, что эта технология пришла из офтальмологии — с её помощью проводят лазерную коррекцию зрения, практически не вызывая ожогов и побочных эффектов. Фемтосекундный лазер позволяет работать даже с очень тонкой роговицей.

Обычные лазеры используют импульсы длительностью в наносекунды или пикосекунды. У них значительно больше тепловое воздействие, меньшая точность и могут возникать неровности. Фемтосекундный лазер формирует в кристалле кварца крошечные структуры — наноструктуры — на нескольких слоях по глубине.

Лазер не режет стекло, а изменяет его структуру изнутри. Он словно на мгновение расплавляет точку внутри стекла и создаёт в ней упорядоченную сетку. Эти наноструктуры влияют на прохождение света, изменяя его поляризацию и фазу. Благодаря этому при считывании можно точно определить, какие данные были записаны.

Проблема скорости записи 5D-кристала

За счёт использования нескольких слоёв на один носитель можно записать сотни терабайт. Но есть существенный недостаток — скорость.

Создание точек, изменяющих оптические характеристики кристалла, требует точной фокусировки и записи в пяти измерениях. Это требует многократного повторения лазерных импульсов и размеренного пошагового сканирования по объёму материала.

Скорость записи составляет около 230 килобайт в секунду. Это означает, что запись одного терабайта данных займёт примерно 54 дня. Но зато — один раз и почти навечно.

Учёные активно работают над повышением скорости. Например, разрабатывают системы параллельной записи несколькими лазерами — десятками или сотнями одновременно. По планам компании SPhotonix, в течение трёх-четырёх лет скорость чтения и записи может достичь 500 мегабайт в секунду.

Считывание данных с 5D-носителя

Чтение данных с 5D-кристаллов происходит совершенно иначе, чем на обычных дисках. Здесь нет движущихся частей, диск не вращается. Всё основано на том, как крошечные структуры внутри стеклянного кристалла влияют на проходящий через них свет.

Когда свет — обычно лазер или другой когерентный источник — направляется на диск, он проходит сквозь множество слоёв наноструктур. Каждая из них немного искажает луч по-своему. Когда свет проходит через такую точку, он преломляется и поворачивается под определённым углом, создавая уникальный «отпечаток», который можно зафиксировать.

Для считывания используется оптический микроскоп, поляризационные фильтры и высокочувствительная камера. Система сканирует стекло слой за слоем, фиксируя, как именно изменяется свет в каждой точке. Затем эти изменения расшифровываются и восстанавливаются исходные нули и единицы, превращаясь обратно в цифровую информацию — текст, изображение, видео или архив.

Важно, что такой способ чтения не повреждает носитель. Он полностью бесконтактный: лазер просто проходит через стекло, а камера наблюдает за светом. Диск фактически не изнашивается. В отличие от традиционных носителей, которые со временем теряют магнитные или электронные свойства, стекло остаётся стабильным — и свет, проходящий через него, будет считываться точно так же даже спустя века.

Правда, со скоростью чтения ситуация пока сложная. Современные прототипы показывают скорость записи около 4 мегабайт в секунду и чтения — около 30 мегабайт в секунду. Это ставит 5D-стекло в категорию «глубокого архива» — для данных, к которым редко обращаются, но которые никогда не должны быть потеряны.

Ведутся работы по созданию системы автоматической поляризационной визуализации и более мощных алгоритмов декодирования, что должно значительно повысить скорость считывания.

От концепции к реальности

Пока что технология выглядит скорее концепцией, чем массовым продуктом. На бумаге всё впечатляет: 360 терабайт данных, миллиарды лет хранения. Но на практике до недавнего времени записывали лишь текстовые файлы объёмом несколько гигабайт.

Почему такой разрыв между мечтой и реальностью? Физика уже работает — учёные научились записывать и считывать информацию, буквально «выпекая» её фемтосекундным лазером внутри куска стекла. Но инженерия отстаёт. Скорость записи и чтения пока слишком низкая для реального массового использования.

Чтобы начать использовать такие носители, нужен весьма специфический набор оборудования: фемтосекундный лазер, сложная оптическая система для точной фокусировки, высокоточные микроскопы для считывания. А ещё несколько специалистов с докторскими степенями.

Всё это делает технологию дорогой и малодоступной. Малый бизнес не купит установку за сотни тысяч долларов ради хранения нескольких гигабайт.

Отсутствие стандартов работы с 5D-носителями

Есть и другая проблема: отсутствие общепринятых протоколов, файловых систем и интерфейсов. Если записать на кристалл что-то важное, нет гарантии, что даже через 100 лет кто-то сможет это прочитать. Не говоря уже о миллиардах лет.

Поэтому многие проекты создают визуальные ключи — что-то вроде инструкций, как на Розеттском камне, чтобы будущие цивилизации поняли, как расшифровывать данные.

Интеграция с современными системами — ещё один вызов. 5D-память не подключается к компьютеру по USB. У неё нет привычной файловой структуры, метаданных, и нет способа быстро «прыгать» по файлам. Даже чтобы прочитать одну строку текста, нужно пройти целую процедуру считывания через оптический микроскоп.

Зато у технологии есть своя, очень чёткая ниша — вечное архивное хранение. Там, где важна не скорость, а долговечность. Национальные архивы, библиотеки, которым нужно сохранить культурное наследие, музеи, научные институты, генетические базы данных.

Для таких задач 5D-кристаллы — просто находка. Их не нужно часто переписывать. Они не боятся воды, огня, радиации, времени. Их можно закопать в скале и быть уверенным, что через тысячу лет они всё ещё будут читаемы.

История развития технологии 

Над технологией вечной памяти работают уже больше десяти лет. Пионером стала команда профессора Петра Казанского из Центра оптоэлектроники Университета Саутгемптона. Первые опыты они провели в 2013 году, тогда удалось записать всего 300 килобайт текста. Но дальше было интереснее.

В 2015 году на кристалл нанесли тексты Всеобщей декларации прав человека, «Оптики» Ньютона и Библии короля Якова. В 2018 году — трилогию Айзека Азимова «Основание». Один из этих дисков подарили Илону Маску, и он отправил его в космос на своей Tesla Roadster.

В 2024 году на 5D-кристалл записали полный геном человека — трёхмиллиардную последовательность ДНК на кристалле размером с монету. Диск даже получил гравировку визуального ключа для будущих расшифровщиков. Сейчас этот «генетический диск» хранится в австрийском архиве «Память человечества».

«Герои» на 5D-диске

Один из самых ярких проектов реализовали в июле 2024 года. Магазин GOG и стартап SPhotonix записали культовую игру Heroes of Might and Magic III: Complete на 5D-диск. Это стало частью программы GOG по сохранению классических игр.

Диск может храниться миллиарды лет, выдерживает температуры до 1000°C, космическую радиацию и удар молота массой 10 тонн. Получается, что «Герои» теперь действительно вечны.

Проект стал частью инициативы по сохранению цифрового культурного наследия. Ведь видеоигры — это тоже часть нашей истории, особенно такие культовые, как Heroes of Might and Magic III.

Коммерциализация технологии

В 2024 году в Великобритании был создан стартап SPhotonix для коммерциализации технологии 5D-оптического хранения данных. Компания недавно получила многомиллионное финансирование для перехода от лабораторных прототипов к пилотным системам, предназначенным для реальных центров обработки данных.

SPhotonix уже запустил сервис архивного хранения данных, предлагая как корпоративным, так и частным клиентам возможность воспользоваться этой технологией. Можно заказать запись данных объёмом до 1 терабайта на кварцевое стекло с последующим хранением в швейцарском хранилище или безопасной доставкой.

Компания нацелена на архивные сценарии использования: научные данные, культурные записи, юридические архивы, исторические наборы данных — информацию, которая должна пережить оборудование, использованное для её создания.

Философский вопрос

И наконец, важный вопрос: что именно мы хотим оставить после себя? 5D-хранение — это не только и не столько про гигабайты и терабайты. Это про будущее. Про то, что мы как цивилизация хотим рассказать потомкам.

Кто будет выбирать, что достойно вечного хранения: геном человека или мем с котиком? Игры, книги, научные статьи — всё это претенденты на то, чтобы остаться навечно. Но сможет ли кто-то в будущем расшифровать наш язык? Поймёт ли, что такое Heroes of Might and Magic III?

5D-хранение — это капсула времени для всего человечества. Технология уже работает. Но чтобы она стала частью нашей повседневной жизни, ей ещё предстоит пройти путь от лаборатории до массового производства. А пока что… может, пора подумать, что вы хотели бы сохранить на миллиарды лет?