Земля нагревается, но эти люди используют лед для изготовления жестких дисков

Хранение информации — одна из святых граней 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, и некоторые из них добились успеха, а некоторые потерпели неудачу.

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

Лед. Лед для холодильника и в напитки. Это так 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 немного каламбурно, но подумайте об этом внимательно: офлайн, холодно и трудно взломать — разве это не буквальное значение фразы «холодное хранилище»?

Жесткий диск природы, холодный и старый

Земля нагревается, и некоторые люди думают об использовании льда в качестве жесткого диска. Какая дикая идея! На самом деле, принцип, лежащий в основе этого, на удивление элегантен и доказал свою эффективность миллиардами лет реинкарнации:

Около 10% поверхности Земли покрыто льдом. Атмосфера циркулирует в водоемах, и когда вода замерзает, она захватывает атмосферу в виде «захваченных пузырьков». Древние ледяные керны со всего мира запечатывают секреты древней атмосферы и становятся естественными капсулами времени. Они являются сокровищницей для ученых, восстанавливая облик Земли миллиарды лет назад и предоставляя новые знания о неразгаданных тайнах окружающей среды и эволюции.

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

Зная все это, вы, возможно, испытаете иные чувства, когда в следующий раз пойдете в бар: стремление бармена получить идеально прозрачные кубики льда на самом деле противоречит законам природы…

Как точнее контролировать захваченные пузырьки во льду, также беспокоит Сун Мэнцзе, профессора Пекинского технологического института и эксперта по термодинамике. Он рассказал мне, что когда он был специальным исследователем в Токийском университете в 2018 году, он провел много исследований захваченных пузырьков микронного размера и выяснил общую идею управления пузырьками.

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

Если природа может использовать лед в качестве «жёсткого диска», почему мы не можем?

Принцип управления пузырьками прост: когда вода замерзает, она выдавливает растворенные газы, образуя запертые пузырьки. Охладите слишком быстро, и пузырьки будут овальными; охладите слишком медленно, и появятся игольчатые пузырьки; охладите еще медленнее, и пузырьков не будет вообще — 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 это простое сопоставление 1 и 0, кусок льда может не сохранить полное 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 генерировать упорядоченные пузырьки стабильно и эффективно. Это кодирование, но больше похоже на создание картины на льду.

Процесс декодирования также прост и элегантен, с эстетикой, которую могут понять программисты: сделайте снимок льда, преобразуйте его в изображение в оттенках серого, а алгоритм компьютерного зрения возьмет на себя все остальное. Программное обеспечение считывает размер пузырьков, форму, количество, распределение и другую информацию и переводит ее в двоичный код или код Морзе.

Представьте себе, в фильме «007» Бонд, привыкший пить сухой мартини, получает коктейль с огромным квадратным кубиком льда. Глаза бармена дают ему понять, насколько глубок дверной проем. Бонд быстро считывает пузырьки в кубике льда с помощью умных очков, и конфиденциальная информация передается.

Конечно, от лаборатории до голливудских блокбастеров еще далеко.

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

Хотя он не может догнать SSD в компьютере, по крайней мере для буквального решения "холодного хранения", он уже довольно хорош. Прогресс плотности хранения зависит не от исследовательской группы, а от отрасли. Это исследование больше фокусируется на фундаментальной науке, а не на демонстрации возможностей применения.

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

Конечно, это всего лишь грубая и оптимистичная оценка. Это не значит, что любой может начать производить жесткие диски дома, потратив 10 000 юаней. Это значит, что технология, лежащая в основе этой статьи, несложна в воспроизведении и имеет низкий порог популяризации.

Холодные технологии, горячее будущее

Лед определенно не является носителем информации, который хорошо работает во всех сценариях, и он не может полностью заменить твердотельные накопители, которые имеют огромные преимущества в плотности хранения и долговечности. Но это не означает, что исследование льда как носителя информации является пустым желанием. Фактически, проблемы, с которыми сталкиваются традиционные технологии хранения, основанные на электричестве, могут быть решены с помощью льда.

Возьмем в качестве примера полярные регионы. Традиционное электронное оборудование не только сталкивается с проблемой низких температур, но и ограничено отсутствием электричества. Загрузка огромных объемов информации через спутник также дорога и нестабильна. В этом белом мире, казалось бы, обычный кусок льда может нести важные открытия всей научной экспедиционной группы.

Или в тени войны электромагнитные импульсы могут легко отрезать линию жизни электронного оборудования. Хранилище льда почти не потребляет энергии. Обычный кусок льда может выдержать вес сервера. Его невозможно обнаружить с помощью тепловидения и отследить с помощью электромагнитного излучения. Он скрыт и безопасен.

С другой стороны, Ice Storage — это буквальное решение «холодного хранения». Данные, которые необходимо сохранять и резервировать, но которые не нужно часто считывать, кодируются в Ice и могут храниться с нулевыми затратами.

Хранение льда особенно полезно при сбоях в электроснабжении и оборудовании или даже в сценариях конца света. Представьте себе, когда экстремальные погодные условия вызывают цунами, или когда люди по глупости начинают последнюю мировую войну и сами себя обрекают на вымирание… Хранение льда может служить последним «информационным ковчегом», пока не восстановится среда обитания Земли и общество не зародится снова.

Сегодня люди извлекли ДНК изо льда и успешно клонировали арктических волков. Когда придет время для выживания человечества, почему бы не обратиться ко льду, чтобы сохранить тысячи лет знаний и культурного наследия — доказательство нашего существования?

Конечно, с точки зрения мейнстрима, эти вещи слишком далеки, слишком ранни и слишком неважны. Так что давайте изменим нашу точку зрения: третья и четвертая технологические революции, представленные Интернетом и ИИ, также принесли на землю чрезмерное количество электронных отходов. Использование льда для хранения данных является отражением противоположной экологической философии:

Горы электронных отходов в недалеком будущем из научно-фантастических фильмов уже не за горами. Когда информация считана и лед больше не нужен, его можно идеально «разложить» на воду или напрямую использовать для других целей, например, для консервации, логистики, в качестве еды и даже в строительстве.

Говоря об архитектуре, хранение информации — не единственное вдохновение для команды Сонга Мэнцзе. В Токио он понял, что использование точно контролируемых пузырьков не ограничивается льдом, но также включает в себя более твердые или многофазные материалы.

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

Например, будь то из-за необратимого изменения климата или взрыва аэрокосмических технологий, однажды люди в конечном итоге станут тем, что Маск называет «многопланетным видом». Но когда люди отправятся жить на Луну или Марс, они обнаружат, что у них нет материалов для крупномасштабного строительства. Многие команды в мире изучают возможность конденсации лунной пыли в твердые материалы с помощью высокой температуры и высокого давления для использования в строительстве.

Принцип хранения льда применим и здесь: контролируя физические величины, такие как температура и давление, можно точно генерировать пузырьки (или инородные включения) в различных твердых материалах. Размер частиц, морфология, количество и распределение этих пузырьков также изменят физические свойства твердого материала.

Предположим, что для строительства здания требуются кирпичи разной формы. На Земле мы достигаем этого посредством литья в формы, резки или печати материалов, что трудно использовать повторно на внеземных планетах. Однако, управляя твердыми материалами через пузырьки для печати «кирпичей», вы можете разбить их в нужную форму вручную или молотком — это значительно повысит эффективность строительства и качество жизни людей в открытом космосе.

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

В грандиозном повествовании о технологической революции люди всегда ищут новые прорывы — более быстрые, компактные, более сильные, более умные и т. д. Но иногда для настоящих инноваций требуется «сделать шаг назад» и пересмотреть и использовать то, что мы принимаем как должное.

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

Наконец, я действительно надеюсь, что вам, читающим эту статью, никогда в жизни не понадобится использовать технологию хранения льда. Но если конец человечества неизбежен, пусть ледники защитят надежду на восстановление.