Daten für die Ewigkeit
Festplatten und optische Speichermedien sind vergesslich, Lese-Hardware veraltet schnell. Forscher wollen nun wertvolle Daten in Diamanten speichern – auf ewig.
- Christian Buck
Das geht nun schon seit Jahrzehnten so: Die Menschheit produziert immer gewaltigere Datenberge, und die IT-Industrie liefert zuverlässig immer leistungsfähigere Speicher. Aber das Ende dieses Wettrennens ist abzusehen – und glaubt man Siddharth Dhomkar, werden die Hersteller von Speichermedien die Verlierer sein. "Die übliche Festplatte hat ihr Limit erreicht und kann maximal einige Terabytes speichern", sagt der Physiker vom City College in New York. "Zudem halten sie nur einige Jahre, dann verhalten sie sich seltsam oder fallen gleich ganz aus." Auch DVDs und andere optische Speicher funktionieren in der Praxis höchstens einige Jahrzehnte, und Flash-Speicher können sogar schon nach wenigen Jahren unzuverlässig werden.
Dhomkar will deshalb eine Alternative ins Rennen schicken: Diamanten. Im Unterschied zur Schmuckindustrie geht es ihm aber nicht um den perfekten Stein – sondern ganz im Gegenteil. Dhomkars Ansatz beruht darauf, dass Diamanten oft ein wenig von der Perfektion abweichen: Ihr Kristallgitter besteht nicht nur aus makellos aneinandergereihten Kohlenstoffatomen. Hin und wieder schleicht sich ein Stickstoffatom ein, manchmal fehlt ein Kohlenstoffatom. Und gelegentlich tritt beides zusammen auf: Neben einem Stickstoffatom fehlt der Kohlenstoff. Wissenschaftler nennen das eine "Nitrogen Vacancy" (NV). Und genau dort will Dhomkar künftig Bits speichern.
Denn NVs können Elektronen einfangen, womit sich zwei Zustände ergeben: NV mit und ohne Elektron – 0 und 1. "Wir haben einen grünen Laser verwendet, der beim Einfangen von Elektronen hilft, und einen starken roten Laser, der sie wieder aus der Falle entfernt", berichtet Dhomkar. "Mit einem schwachen roten Laser können wir prüfen, ob ein Elektron gefangen ist oder nicht." Damit sind alle Zutaten vorhanden, um Bits zu speichern und auszulesen.
Bei der Lebensdauer der Bits wäre das Material allen Konkurrenten haushoch überlegen: Lagert man den Diamanten in Dunkelheit, sollen die Daten ewig halten. Auch die Speicherkapazität wäre kaum zu schlagen. Die Daten kann Dhomkar im gesamten Diamanten speichern – nicht bloß auf einer Ebene wie bei DVDs. Dadurch erreicht er eine bis zu 1000-fach höhere Speicherdichte als Blu-ray-Disks. Und das könnte erst der Anfang sein, wenn es dem Forscher gelingt, ein Manko seiner Methode zu beheben.
Noch kann er die NVs nicht einzeln ansteuern, weil sie weniger als einen Kubiknanometer groß sind – und damit viel kleiner als die Wellenlänge des Lasers. Derzeit muss Dhomkar also jedes Bit in vielen NVs parallel speichern. Aber mit seinem Team arbeitet er gerade daran, das Zugriffsverfahren zu verbessern. Gelingt es ihm, jedes Bit in nur einem NV unterzubringen, "würde die Speicherkapazität von Dia-mant alles übertreffen, was bestehende Technologien erreichen können".
Peter Kazansky, Physikprofessor an der University of Southampton, nutzt ein deutlich profaneres Material als Datenträger: Glas. Mit Laserstrahlen erzeugt er darin winzige Nanopunkte, die Bits dauerhaft speichern – ebenfalls nicht nur auf einer Ebene, sondern dreidimensional. Außerdem weisen die Nanopunkte eine Gitterstruktur auf, die von der Intensität und Polarisation des Lasers abhängt. Welcher Prozess sie erzeugt, ist derzeit noch nicht verstanden. Laut Kazansky lassen sich in einem Nanopunkt bis zu 256 Bits unterbringen. Für das Auslesen schicken die Forscher wieder einen Laserstrahl durch den Speicher und bestimmen mit einer Kombination aus Mikroskop und Polarisationsfilter, wie sich seine Polarisation verändert.
Kazanskys Glasspeicher erreicht eine enorme Datendichte: Die rund zehn Terabytes der gesamten amerikanischen Kongressbibliothek in Washington D.C. ließen sich 36-mal auf einer Glasscheibe von der Größe einer Zwei-Euro-Münze speichern. Wie unverwüstlich sein neuartiger Speicher ist, demonstriert Kazansky Besuchern gern anhand eines einfachen Experiments: Erst lässt er die kleine Glasscheibe mit einer Flamme auf bis zu 1000 Grad erhitzen, danach wird sie sofort in kaltes Wasser getaucht. Nichts passiert – die Struktur ist unbeschädigt, und die Daten haben die Tortur ebenfalls heil überstanden. "Der Speicher hält, solange das Universum besteht", preist Kazansky seine Entwicklung an.
Welche Vor- und Nachteile die beiden Verfahren haben, lässt sich derzeit schlecht abschätzen. Die Kosten für den Diamanten jedenfalls wären angesichts der gewaltigen Speicherkapazität keine unüberwindliche Hürde. Der künstliche Diamant für den Versuch hat gerade einmal 150 Dollar gekostet. Am Ende könnte es auf die Frage hinauslaufen, bei welcher Lösung die Schreib- und Lesetechnik günstiger ist. Öffentlichkeitswirksam hat Kazansky bereits historische Dokumente wie die Magna Carta und Newtons "Opticks" auf Glas gebannt. Neben den Daten kann der Physiker in seine Speicherscheiben auch Bilder gravieren, um Hinweise auf den Inhalt zu liefern. Das Konterfei Isaac Newtons ziert den Datenträger, der sein Werk über Optik enthält.
So lassen sich nicht nur potenzielle Fördermittelgeber und Investoren beeindrucken. Die Grafiken könnten auch ein Problem lösen helfen, das sich den Forschern neben der eigentlichen Datenspeicherung stellt: Wie kann man garantieren, dass künftige Generationen überhaupt noch wissen, wie man die Informationen ausliest? Wer schon einmal versucht hat, an die Inhalte alter C64- oder Atari-Dateien zu kommen, kann ein Lied davon singen. Selbst wenn die Kassetten oder Disketten noch lesbar sein sollten, fehlt es meist am passenden Laufwerk und einem funktionstüchtigen Rechner. Eine für die Ewigkeit in das Glasplättchen eingravierte Bedienungsanleitung könnte Abhilfe schaffen, indem sie das Verfahren erklärt. Zur Not ließe sich die Glasscheibe dazu auch unter ein Mikroskop legen, denn das wird es immer geben.
Vor dem Problem des passenden Leseverfahrens stehen auch professionelle Archivare, zum Beispiel in der Deutschen Nationalbibliothek (DNB). Dort lagert nicht nur alles, was seit 1912 in Deutschland als Buch oder Zeitschrift gedruckt wurde. Seit Ende der 70er-Jahre sammelt die DNB unter anderem auch Disketten, CD-ROMs und andere digitale Datenträger, auf denen Lernspiele gespeichert sind. "Diese Daten wollen wir umkopieren und in ein digitales Langzeitarchiv überführen", berichtet Tobias Steinke, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der IT-Abteilung der DNB. "Der Datenerhalt ist dabei nicht das Hauptproblem – entscheidend ist die Interpretation der Daten." Statt eine umfangreiche Sammlung historischer Computerhardware anzulegen, setzt die DNB auf Emulation: Software stellt ein altes IT-System nach, sodass alte Programme auf einem neuen Rechner laufen können.
Im Projekt "EMiL" hat die DNB von 2014 bis 2016 gemeinsam mit vier Partnern den Einsatz von Emulatoren untersucht und will noch in diesem Jahr auf diese Weise historische Inhalte auf aktueller Hardware zugänglich machen. "Der Benutzer könnte im Lesesaal zum Beispiel an einem modernen Computer sitzen und in einem Fenster eine Windows-95-Umgebung sehen", erklärt Steinke. "Heute sind viele solcher Emulationen vorhanden, die oft von Enthusiasten programmiert wurden. Eine Herausforderung ist es, automatisch zu erkennen, mit welcher Hardware ein Datenträger erstellt wurde und welcher Emulator der passende ist." Dafür bieten sich zum Beispiel Disc-Images an, wie sie schon heute für das Brennen einer CD verwendet werden. Sie lassen einen Rückschluss auf das beim Schreiben verwendete Betriebssystem zu.
(bsc)
