Günümüzde dijital verilerin artmasıyla birlikte, verileri uzun süreler boyunca güvenli bir şekilde saklama ihtiyacı giderek artıyor. Yüzyıllarca hatta binyıllarca bozulmadan kalabilen, yüksek yoğunluklu ve enerji gerektirmeyen depolama çözümleri bilim dünyasının gündeminde. Bu noktada, akla gelen ilginç fikirlerden biri de veriyi cam üzerine kazımak.
Camın fiziksel ve kimyasal stabilitesi, üzerine bilgi yazmayı kolaylaştıran bir özellik. Bu alanda yapılan öncü çalışmaların ardından, Microsoft Research'ten Project Silica adında yeni bir teknoloji ortaya çıktı. Bu proje, cam bloklara veri yazıp okuyabilen ve metreküp başına 1 gigabit'in üzerinde bir yoğunluk sunan çalışan bir sistemi başarıyla gösterdi.
Cam Üzerine Yazma Süreci
Camın kırılgan olduğunu düşünsek de, doğru kimyasal bileşimle üretilen camlar "termal ve kimyasal olarak kararlı, neme, sıcaklık değişimlerine ve elektromanyetik parazitlere karşı dirençli" hale getirilebilir. Bu tür bir cam, uzun süreli depolama için gereken dayanıklılığı sağlar.
Veriyi cam üzerine işlemek, temel olarak bir kazıma işlemi. Ancak bu işlem geleneksel yöntemlerle yavaş olabiliyor. İşte bu noktada, saniyenin on beşinci kuvveti kadar kısa süren ve saniyede milyonlarca atış yapabilen femtosaniye lazerleri devreye giriyor. Bu lazerler, yazma süresini önemli ölçüde kısaltırken, lazerin odaklandığı alanı küçülterek veri yoğunluğunu artırıyor.
Veriyi geri okumak için de çeşitli yöntemler mevcut. Optik disklerden veri okumada kullanılan lazerler kullanılabilirken, cam üzerine işlenen küçük desenleri algılayabilen her türlü teknoloji bu iş için uygun. Microsoft'un Project Silica'sı, bu teorik bilgileri pratik bir sisteme dönüştürmeyi hedefliyor.
Gerçek Dünya Sistemi: Project Silica
Project Silica'da veriler, "voksel" adı verilen temel birimler halinde cam üzerine işleniyor. İki farklı voksel yazma yöntemi denenmiş:
İlk yöntemde, ışığın kutuplaşmasına bağlı olarak kırılma özelliklerini değiştiren bir olgu olan çift kırılma (birefringence) kullanılıyor. Kutuplaşmış lazer ışığı ile camda çift kırılma yaratarak, ışığın kırılma sınırının altında özelliklere sahip voksel'ler oluşturuluyor. Bu yöntemde, bir lazer darbesi ile oval şeklinde bir boşluk oluşturuluyor, ardından ikinci bir kutuplaşmış darbe ile çift kırılma indükleniyor. Voksel'in kimliği, ovalin yönelimine göre belirleniyor ve birden fazla yönelim tespit edilebildiği için her voksel'de birden fazla bit veri saklanabiliyor.
Alternatif yaklaşım ise, lazer darbesindeki enerji miktarını değiştirerek kırılma etkilerinin büyüklüğünü ayarlamaya dayanıyor. Bu yöntemde de, iki durumdan fazlası ayırt edilebildiği için her voksel'de birden fazla veri biti depolanabiliyor.
Bu voksel'leri okumak için ise, kırılma indisi farklarını algılayabilen mikroskoplar kullanılıyor. Mikroskoplar, camdaki voksel katmanlarının hassas bir şekilde görüntülenmesini sağlıyor. Kazıma işlemi sırasında katmanlar arasındaki mesafe, mikroskobun odak düzleminde tek bir katmanın net görünmesini sağlayacak şekilde ayarlanıyor. Kazıma süreci, otomatik mikroskop sisteminin camın belirli noktalarına odaklanmasını sağlayan sembolleri de içeriyor. Sistem, odak düzlemini yavaşça değiştirerek veri yığınını tarıyor ve farklı voksel katmanlarını içeren görüntüleri yakalıyor.
Bu mikroskop görüntülerini yorumlamak için Microsoft, odak düzlemindeki ve yakınındaki görüntülerden elde edilen verileri birleştiren bir konvolüsyonel sinir ağı kullanıyor. Bu yapay zeka sistemi, yeterli eğitim verisiyle, komşu voksel'lerin bir voksel'in görünümünü nasıl etkilediğini anlayabiliyor.
Son olarak, verinin kodlanması da büyük önem taşıyor. Silica sistemi, ham bit akışına hata düzeltme eklemek için düşük yoğunluklu eşlik kontrolü kodunu (5G ağlarında kullanılan hata düzeltme) kullanıyor. Ardından komşu bitler birleştirilerek, voksel'lerin birden fazla bit depolama yeteneğinden yararlanan semboller oluşturuluyor. Sembol akışı hazır olduğunda, cam üzerine yazılmaya hazır hale geliyor.
Performans Değerlendirmesi
Yazma işlemi hala sistemin darboğazı olsa da, Microsoft dört lazeri aynı anda kullanarak aşırı ısınma olmadan tek bir cam levha yazabilen donanımlar geliştirdi. Bu, saniyede 66 megabit'lik bir yazma hızı sağlıyor. Araştırmacılar, bu sayıyı daha da artırmak için daha fazla lazer ekleyebileceklerini düşünüyor. Tek bir cam levhaya 4.84 TB'a kadar veri depolanabildiği düşünülürse (levhalar 12 cm x 12 cm ve 0.2 cm kalınlığında), bu levhanın tamamen yazılması yaklaşık 150 saat sürebiliyor.
Depolama sisteminin "4.84 TB'a kadar" ifadesi, iki farklı yazma yönteminin veri yoğunluğundan kaynaklanıyor. Çift kırılmaya dayanan yöntem daha fazla optik donanım gerektiriyor ve yalnızca yüksek kaliteli camlarda çalışıyor, ancak aynı hacme daha fazla voksel sığdırabiliyor ve bu da daha yüksek veri yoğunluğu anlamına geliyor. Alternatif yaklaşım ise aynı levhaya yalnızca iki terabaytın biraz üzerinde veri depolayabiliyor, ancak daha basit donanımlarla çalışabiliyor ve her türlü şeffaf malzemede kullanılabiliyor.
Borosilikat camın sunduğu aşırı stabilite, Microsoft'un hızlandırılmış yaşlandırma deneylerine göre oda sıcaklığında verinin 10.000 yıldan fazla süreyle stabil kalacağını gösteriyor. Bu durum, Microsoft'un "Silica'nın dijital çağın arşiv depolama çözümü haline gelebileceğini" iddia etmesine yol açtı.
Ancak, bu iddia biraz abartılı olabilir. Örneğin, Square Kilometer Array teleskobunun her yıl 700 petabayt veri arşivlemesi bekleniyor. Bu, bu tek teleskobun verilerini depolamak için 140.000'den fazla cam levha gerektireceği anlamına geliyor. Yazma hızının önemli ölçüde daha fazla lazer eklenerek artırılabileceği varsayılsa bile, bu hıza ayak uydurmak için 600'den fazla Silica makinesinin paralel çalışması gerekecek. Ve Square Kilometer Array, muazzam miktarda veri üreten tek proje olmaktan uzak.
Bununla birlikte, Silica'nın bu tür uygulamalar için bazı önemli avantajları var: Veriyi korumak için hiçbir enerji gerektirmemesi ve gerektiğinde hızlı bir şekilde erişilebilir olması (örneğin, DNA'dan bilgi almanın günler sürmesine kıyasla). Ayrıca, depolama ortamının bilim kurgu filmlerinden fırlamış gibi görünmesi de dikkat çekici bir özellik.
