Земля нагревается, но эти люди используют лед для производства жестких дисков.

Хранение информации — одна из святых Граалей человеческих технологических устремлений (помимо ИИОН).

От гравюр на камне до узловатых шнуров, от перфокарт до магнитных лент и жестких дисков — люди перепробовали все виды носителей информации, добиваясь как успехов, так и неудач.

Но теперь ученые из Пекинского технологического института добавили в гонку нового игрока — носитель информации, который был скрыт на виду на протяжении тысяч лет.

Лёд. Лёд для холодильника и напитков. Всё очень просто.

Речь идет, конечно, не о вырезании слов на льду… а о более тонком методе: кодировании информации путем манипулирования крошечными пузырьками, образующимися при образовании льда.

Эта технология звучит как каламбур, но подумайте об этом внимательно: автономный, холодный и трудно поддающийся взлому — разве это не буквальное значение фразы «холодное хранилище»?

Жесткий диск природы, холодный и старый

Земля нагревается, и некоторые подумывают использовать лёд в качестве жёсткого диска. Какая безумная идея! На самом деле, принцип, лежащий в её основе, удивительно элегантен и доказал свою эффективность миллиардами лет реинкарнации:

Около 10% поверхности Земли покрыто льдом. Атмосфера циркулирует в водоёмах, и когда вода замерзает, она запирает атмосферу в виде «захваченных пузырьков». Древние ледяные керны со всего мира хранят тайны древней атмосферы и становятся естественными капсулами времени. Они – настоящая находка для учёных, воссоздающая облик Земли миллиарды лет назад и дающая новые знания о неразгаданных тайнах окружающей среды и эволюции.

Другими словами, если Земля — это компьютер, то лёд — его «жёсткий диск». Пузырьки, которые не могут выбраться, — это бесчисленные точки данных.

Зная все это, в следующий раз, когда вы пойдете в бар, у вас могут быть другие впечатления: стремление бармена получить идеально прозрачные кубики льда на самом деле противоречит законам природы…

Сун Мэнцзе, профессор Пекинского технологического института и специалист по термодинамике, также задаётся вопросом, как точнее контролировать пузырьки, захваченные льдом. Он рассказал мне, что, работая специальным исследователем в Токийском университете в 2018 году, он провёл множество исследований захваченных пузырьков микронного размера и разработал общую концепцию управления пузырьками.

Эти открытия укоренились в его сознании, словно семена, и дали начало новому вдохновению:

Если природа может использовать лед как «жёсткий диск», почему мы не можем этого сделать?

Принцип борьбы с пузырьками прост: при замерзании вода выдавливает из себя растворённые газы, образуя пузырьки. Если охладить слишком быстро, пузырьки приобретут овальную форму; если охладить слишком медленно, появятся игольчатые пузырьки; если охладить ещё медленнее, пузырьков не будет вовсе — навык, которым уже овладели опытные бармены.

Формы этих пузырьков соответствуют 1 и 0, точкам или горизонтальным линиям, включенным и выключенным, разве это не становится частью данных?

Но одного этого открытия недостаточно. Если речь идёт лишь о простом сопоставлении 1 и 0, кусок льда может оказаться неспособным хранить целое предложение. Команде необходимо повысить эффективность и плотность хранения закодированной информации, чтобы сделать это открытие более реалистичным.

Команда BIT создала устройство, которое можно представить как «2D-принтер», разработанный специально для кубиков льда: слой воды помещается между прозрачными пластиковыми листами, под ними располагается холодная пластина для точного контроля температуры, а затем с помощью точной обработки сигнала проектируется идеальная температурная кривая для холодной пластины.

Управляя двумя переменными: температурой и временем, команда смогла стабильно и эффективно генерировать упорядоченные пузырьки. Это программирование, но больше похоже на создание картины на льду.

Процесс декодирования также прост и элегантен, а его эстетика понятна программистам: сфотографируйте лёд, преобразуйте его в изображение в оттенках серого, а алгоритм компьютерного зрения возьмёт на себя всё остальное. Программа считывает размер, форму, количество, распределение пузырьков и другую информацию, а затем переводит её в двоичный код или азбуку Морзе.

Представьте себе, как в фильме «007» Бонд, привыкший пить сухой мартини, получает коктейль с огромным квадратным кубиком льда. Взгляд бармена подсказывает ему, насколько глубок дверной проём. Бонд быстро считывает пузырьки в кубике льда с помощью умных очков, и конфиденциальная информация оказывается передана.

Конечно, от лабораторных исследований до голливудских блокбастеров еще далеко.

Возвращаясь к реальности, профессор Сонг признал, что, хотя плотность хранения льда не так высока, как у традиционных жестких дисков, она намного превосходит первоначальные ожидания группы: кусок льда размером 10 x 10 см «может хранить около 3 или 4 страниц информации».

Хотя он и не может сравниться с SSD в компьютере, по крайней мере, для решения задач «холодного хранения», он уже весьма хорош. Прогресс в области плотности хранения данных зависит не от исследовательской группы, а от отрасли. Эти исследования больше сосредоточены на фундаментальной науке, чем на демонстрации возможностей практического применения.

На вопрос о сложности воспроизведения этой технологии профессор Сун ответил, что, используя обычное коммерчески доступное оборудование, а также определенные практические и компьютерные навыки, ее можно практически полностью восстановить, а ее воспроизведение обойдется «примерно в 10 000 юаней».

Конечно, это лишь приблизительная и оптимистичная оценка. Она не означает, что любой желающий может начать производить жёсткие диски дома, потратив 10 000 юаней. Это означает, что технология, лежащая в основе этой статьи, несложна в воспроизведении и имеет низкий порог популяризации.

Холодные технологии, горячее будущее

Лёд, безусловно, не является носителем информации, подходящим для любых сценариев, и не может полностью заменить твердотельные накопители, обладающие огромными преимуществами в плотности хранения и долговечности. Но это не означает, что использование льда в качестве носителя информации — пустая мечта. На самом деле, лёд способен решить проблемы, с которыми сталкиваются традиционные технологии хранения данных, основанные на электричестве.

Возьмём, к примеру, полярные регионы. Традиционное электронное оборудование сталкивается не только с проблемами низких температур, но и с ограничениями из-за нехватки электроэнергии. Передача огромных объёмов информации через спутник также дорога и нестабильна. В этом белом мире, казалось бы, обычный кусок льда может быть носителем важных открытий всей научной экспедиции.

Или, в тени войны, электромагнитные импульсы могут легко отключить электронное оборудование. Хранилища льда практически не потребляют энергии. Обычный кусок льда может выдержать вес сервера. Его невозможно обнаружить с помощью тепловизора или отследить по электромагнитному излучению. Он скрыт и безопасен.

С другой стороны, Ice Storage — это буквально решение для «холодного хранения». Данные, которые необходимо сохранять и создавать резервные копии, но которые не требуют частого чтения, кодируются в Ice и могут храниться бесплатно.

Хранение льда особенно полезно при сбоях электропитания и оборудования, а также в сценариях конца света. Представьте, когда экстремальные погодные условия вызывают цунами, или когда люди по глупости развязывают последнюю мировую войну и обрекают себя на вымирание… Хранение льда может стать последним «информационным ковчегом», пока живая среда Земли не восстановится, и общество не возродится.

Сегодня люди извлекли ДНК изо льда и успешно клонировали арктических волков. Когда придёт время для выживания человечества, почему бы не обратиться ко льду, чтобы сохранить тысячелетние знания и культурное наследие — доказательство нашего существования?

Конечно, с общепринятой точки зрения, эти вещи слишком далеки, слишком преждевременны и слишком незначительны. Поэтому давайте изменим нашу точку зрения: третья и четвёртая технологические революции, представленные Интернетом и искусственным интеллектом, также принесли на Землю огромное количество электронных отходов. Использование льда для хранения данных отражает противоположную экологическую философию:

Горы электронных отходов из научно-фантастических фильмов не за горами. Когда информация будет прочитана, а лёд больше не понадобится, его можно будет легко «разложить» в воду или использовать для других целей, например, для консервации, логистики, производства продуктов питания и даже в строительстве.

Говоря об архитектуре, хранение информации — не единственное вдохновение для команды Сун Мэнцзе. В Токио он понял, что использование точно контролируемых пузырьков не ограничивается льдом, но также распространяется на более твёрдые или многофазные материалы.

Несколько дней назад в нашем офисе в БИТ мы рассказывали о перспективах использования этой технологии в материаловедении.

Например, будь то из-за необратимого изменения климата или бурного развития аэрокосмических технологий, однажды люди станут, по словам Маска, «мультипланетным видом». Но когда люди отправятся жить на Луну или Марс, они обнаружат, что им не хватает материалов для крупномасштабного строительства. Многие исследовательские группы по всему миру изучают возможность конденсации лунной пыли в твёрдые материалы с помощью высокой температуры и давления для использования в строительстве.

Здесь также применим принцип хранения льда: контролируя физические величины, такие как температура и давление, можно точно генерировать пузырьки (или инородные включения) в различных твёрдых материалах. Размер частиц, морфология, количество и распределение этих пузырьков также влияют на физические свойства твёрдого материала.

Предположим, что для строительства здания требуются кирпичи разной формы. На Земле мы делаем это литьём в формы, резкой или печатью материалов, которые сложно использовать повторно на внеземных планетах. Однако, управляя твёрдыми материалами с помощью пузырьков для печати «кирпичей», можно вручную или молотком придать им нужную форму — это значительно повысит эффективность строительства и качество жизни людей в космосе.

(Эти возможности упоминаются в статье, но из-за некоторых объективных правил приема рукописей в академических журналах основное внимание в статье уделяется хранению информации.)

В грандиозном повествовании о технологической революции люди всегда ищут новые прорывы — быстрее, меньше, сильнее, умнее и т. д. Но иногда настоящие инновации требуют «сделать шаг назад» и переосмыслить и использовать вещи, которые мы принимаем как должное.

Изучив эту статью, я пришёл к смелому утверждению: самая мощная технология часто не является самой сложной и всеобъемлющей, но должна быть простой, элегантной и идеальной в конкретном сценарии. Она не требует редкоземельных элементов, электронных отходов и практически не требует электричества, а только воду, холодный воздух и немного человеческой изобретательности.

Наконец, я искренне надеюсь, что вам, читателям этой статьи, никогда в жизни не придётся использовать технологии хранения льда. Но если конец человечества неизбежен, пусть ледники защитят надежду на возрождение.