alternativ datalagring

Vakanser i krystallgitter
Bildet viser et av de første forsøkene på lagring av data gjennom posisjonering av vakanser. De lyseblå punktene er kloratomer som hviler på overflaten av en kobber-krystallstruktur, og de mørkeblå punktene er vakanser. Vakansene er organisert i blokker på 8 byte. Hver blokk består av 8 linjer med en «høyde» på to kloratomer. Hver slik linje har 8 vakanser og utgjør derfor 8 bit = 1 byte. Hver linje har en øvre og nedre rad, som representerer henholdsvis 0 og 1.
Øverste linje i første blokk representerer binærkoden 01001111, altså bokstaven «O» i ASCII- og Unicode-standard. Til sammen representerer linjene et utdrag fra Artenes opprinnelse av Charles Darwin. Et stort kryss markerer ødelagte blokker. For å signalisere til STM-en at blokken ikke skal leses, er det også markert et mindre kryss i blokkens øverste venstre hjørne. Blokk nummer 6 fra venstre og 3 fra toppen viser hvordan vakansene kan diffundere vekk fra sin lagrede posisjon dersom temperaturen blir for høy.
Vakanser i krystallgitter
Delft University of Technology.
Lisens: Begrenset gjenbruk

Alternativ datalagring er datalagringsmetoder som baserer seg på andre fysiske fenomener enn de vanligste datalagrene i dag, altså SSD-er og harddisker. Et eksempel på alternativ datalagring er DNA-datalagring.

Alternativ datalagring tar sikte på å bruke nye teknikker og effekter, særlig fra nanoteknologi, for å utvikle datalagre med bedre spesifikasjoner, særlig økt lagringskapasitet. Utviklingen motiveres av at komponentene som brukes i dagens datalagre nærmer seg teoretiske grenser som hindrer videre nedskalering av størrelsen.

Bakgrunn

Elektronikk har lenge fulgt Moores lov, ved at stadig flere og mindre komponenter kan produseres på samme kretskort. Mange av disse komponentene har etter hvert blitt under 100 nm (nanometer) store, noe som gjør at utvikling og produksjon av disse faller inn under begrepet nanoteknologi. Et eksempel er flashminne, som blant annet brukes i SSD-er og baserer seg på MOSFET-transistorer. Her bruker man nanoteknologi i form av sputter-deponering og nanolitografi for å produsere transistorene.

Sputter-deponering er en eksperimentell metode som består i at et materiale blir bombardert med høyenergi-partikler. Dette fører til at materialet emitterer sine egne partikler, og disse kan feste seg på en ny overflate (substrat) og danne en tynn film. Nanolitografi er et fellesbegrep for en rekke ulike eksperimentelle tekniker som brukes til å utforme materialstrukturer med utstrekning av størrelsesorden nanometer.

Nanoskalaen markerer et viktig skille i hvordan man manipulerer materialer. Her skyldes de dominerende effektene i større grad kvantemekanikk heller enn klassisk fysikk. I MOSFET-transistorene begynner for eksempel det isolerende oksid-laget å bli så tynt at elektroner kan trenge gjennom det på grunn av kvantetunnelering. Dette fører til lekkasje-strøm som øker strømforbruket og gir større varmeutvikling. Derfor forskes det på nye konsepter for datalagring.

DNA-datalagring

Med DNA-datalagring kan én bit data lagres ved å bruke kun ett basepar i et DNA-molekyl. Ett basepar i DNA-molekylet er 2,0 til 2,6 nm bredt og ca. 0,33 nm langt. Dette er mye mindre enn både MOSFET-transistorer i flashminneenheter og magnetiske domener i harddisker. På grunn av denne størrelsesreduksjonen viser flere studier til en forventet praktisk lagringskapasitet på rundt 60 petabytes/cm3 (2021). Til sammenligning har de fleste SSD-er og harddisker en lagringstetthet på under 1 terabyte/cm3 (2021).

Den største utfordringen ved DNA-datalagring er tiden som kreves for å lese og skrive data. Denne hastigheten er opptil 1 MB/s (2022), som er lite sammenlignet med SSD-er som kan skrive opptil et par GB/s. Man antar derfor at den første anvendelsen av DNA-datalagring i stor skala vil være langtidslagring.

I alle datalagringsmetoder kan det oppstå tilfeldige feil under lagringen, så det er viktig at disse er få nok til å kunne rettes opp av en feilkorrigerende kode. Med andre ord er det viktig med høy stabilitet, altså lang gjennomsnittlig tid mellom hver feil (MTBF). DNA har vist seg å være et eksepsjonelt stabilt lagringsmedium under visse omstendigheter. For eksempel er det oppdaget intakt DNA i hundretusenvis av år gamle fossiler begravd i permafrost.

Varighet

Ved å innkapsle DNA i nanopartikler eller en type matriks og deretter lagre det i kontrollerte omgivelser, antas det at data kan lagres nesten hundre år i romtemperatur. Senker man temperaturen til −18 °C, øker denne tiden til over to millioner år. Et kompromiss mellom disse ytterpunktene kan muliggjøre datalagring i hundrevis av år med lavere energikostnader og høyere lagringstetthet enn tradisjonell datalagring. Til sammenligning blir det spådd at de aller nyeste modellene av SSD-er kan lagre data i 50 år. Harddisker kan i teorien holde på data lengre enn dette, men de mekaniske delene er sårbare for feil som totalt sett gjør levetiden kortere enn for SSD-er.

Virkemåte

Datalagring i DNA fungerer ved å lagre data som en rekkefølge av baser i DNA-molekylet, på samme måte som genetisk informasjon lagres i organismer. De fire basene som finnes i DNA er adenin, tymin, cytosin og guanin. Disse kan i hovedsak kun kombineres i to unike basepar: adenin-tymin (A-T) og cytosin-guanin (C-G). Disse to baseparene kan representere én bit, altså én av de binære verdiene 1 eller 0, avhengig av om det er A-T eller C-G.

Data kan skrives ved å syntetisere DNA med ønsket baserekkefølge i en såkalt DNA-enkoder som oversetter binærverdier til basepar. For å lese dataene bruker man en DNA-dekoder som oversetter basepar tilbake til binærverdier. Dette gjøres ved å sekvensere det lagrede DNA-molekylet. Syntetiseringen og sekvenseringen gjøres ved å benytte seg av lab-on-a-chip-teknologi. For eksempel gjøres det fremskritt innen tredjegenerasjons DNA-sekvensering som vil være viktig for å muliggjøre kommersiell DNA-datalagring.

Krystallgitter

Datalagringsmetoden som gjør bruk av vakanser i krystallgitter krever kun noen få atomer for å representere én bit informasjon. Dette resulterer i en ekstremt stor lagringstetthet, rundt 9 726 GB/cm². Ved å systematisk plassere vakanser i et rutenett kan man skrive ned informasjon basert på posisjonen til vakansene.

En viktig forutsetning for denne metoden er at temperaturen holdes veldig lav, under ca. 77 kelvin. Hvis ikke, vil vakansene diffundere vilkårlig rundt og ikke forbli i sin lagrede posisjon.

Utstyret som kreves i denne metoden er dyrt sammenlignet med tradisjonelle datalagre. Et annet viktig forbedringsbehov er den relativt lave skrive- og lesehastigheten. Ved hjelp av høyfrekvente sveiptunneleringsmikroskop (STM) er man i dag i stand til å lese rundt 12.5 kB/s.

Virkemåte

Denne metoden lagrer bits som en funksjon av vakansers posisjon i et krystallgitter. Ved å ta utgangspunkt i en linje med 2 atomers bredde kan man representere 0 og 1 avhengig av hvilken posisjon vakanser befinner seg i. I bildet representerer en vakans i øvre posisjon 0, mens en vakans i nedre posisjon representerer 1. Linjene i hver blokk leses mot høyre og nedover, som vanlig tekst. Slik kan man skrive data som kan hentes ut igjen ved å bruke den samme STM-en til å lese av atomenes posisjon.

Andre metoder

Det forskes også på flere andre metoder og fysiske fenomener som kan tenkes å benyttes, i tillegg til DNA-lagring og bruk av vakanser i krystallgitter. Noen flere eksempler er

Les mer i Store norske leksikon

Eksterne lenker

Kommentarer

Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg

Fagansvarlig for Nanoteknologi

Jacob Linder
Professor, NTNU – Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet