Παγωμένα μόρια, σκληροί δίσκοι!

Θα μπορούσε ο σκληρός δίσκος του κινητού σας να χωρέσει εκατό φορές περισσότερα δεδομένα χωρίς το μέγεθός του να χρειαστεί να αυξηθεί ούτε κατά ένα χιλιοστό; Νέα μελέτη βρετανών επιστημόνων δείχνει ότι στο κοντινό μέλλον κάτι τέτοιο μπορεί να είναι εφικτό χάρη στην αποθήκευση δεδομένων σε μεμονωμένα μόρια. Η δυνατότητα αυτή εξετάζεται εδώ και δύο δεκαετίες, αλλά ο βασικός απαγορευτικός παράγοντας ως τώρα ήταν ότι, για να αποκτήσουν μνήμη, τα μόρια θα πρέπει να μπουν σε… βαθιά κατάψυξη. Με τη νέα μέθοδο που ανέπτυξαν οι ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ πέτυχαν ωστόσο να ανεβάσουν τις θερμοκρασίες σε πιο «προσιτά» επίπεδα. Ετσι, για πρώτη φορά μπορούμε να πούμε ότι ερχόμαστε πραγματικά ένα βήμα πιο κοντά στα μόρια-σκληρούς δίσκους που θα μπορούν να αποθηκεύουν πάνω από 5.000 κινηματογραφικές ταινίες σε έναν χώρο όσο ένα νόμισμα των 50 λεπτών.

Η αποθήκευση της πληθώρας των ψηφιακών πληροφοριών που κατακλύζουν καθημερινά τη ζωή μας είναι ένα πρόβλημα το οποίο απασχολεί έντονα τους ειδικούς τα τελευταία χρόνια. Αφενός ο διαρκώς αυξανόμενος όγκος τους, που απαιτεί ολοένα και μεγαλύτερους χώρους για τη στέγαση των βάσεων δεδομένων που «στηρίζουν» τα δίκτυα του πλανήτη, αφετέρου οι απαιτήσεις της αγοράς, που ζητεί όλο και λεπτότερες και μικρότερες συσκευές, πιέζουν συνεχώς για την ανάπτυξη βελτιωμένων σκληρών δίσκων οι οποίοι θα μπορούν να αποθηκεύουν περισσότερα δεδομένα, αλλά θα έχουν μικρότερο όγκο.

Σε μια πιο προχωρημένη εκδοχή ορισμένοι επιστήμονες εξετάζουν αυτή τη δυνατότητα στη νανοκλίμακα, προσπαθώντας να αποθηκεύσουν πληροφορίες σε μικροσκοπικούς δίσκους από γυαλί ή ακόμη και σε DNA βακτηρίων. Μια οδός η οποία διερευνάται σε αυτό το πλαίσιο είναι και αυτή των μεμονωμένων μορίων, κυρίως από μέταλλα της ομάδας των λανθανιδών –σπάνιες γαίες οι οποίες αυτή τη στιγμή χρησιμοποιούνται στα έξυπνα κινητά, τις ταμπλέτες και πολλές άλλες συσκευές καθημερινής χρήσης. Ωστόσο, αν και θεωρητικά οι λανθανίδες προσφέρονται για να λειτουργήσουν ως μόρια-σκληροί δίσκοι, στην πράξη οι επιστήμονες συναντούν δυσκολίες. Η πιο σημαντική είναι ότι, για να μπορέσουν να αποθηκεύσουν πληροφορίες με τρόπο ο οποίος να είναι λειτουργικός, τα μόρια θα πρέπει να αποκτήσουν «μαγνητική μνήμη» ή καλύτερα «μαγνητική υστέρηση», για να χρησιμοποιήσουμε την επιστημονική ορολογία.

Οι μαγνήτες παίζουν κεντρικό ρόλο στην αποθήκευση δεδομένων. Στους σημερινούς ηλεκτρονικούς υπολογιστές οι σκληροί δίσκοι περιλαμβάνουν πολλές μικρές μαγνητισμένες περιοχές στις οποίες αποθηκεύονται δεδομένα υπό τη μορφή ψηφίων (1 ή 0, ένα bit πληροφορίας). Οπως όλοι οι μαγνήτες, αυτές οι περιοχές έχουν έναν βόρειο και έναν νότιο πόλο (οι οποίοι αντιπροσωπεύουν αντίστοιχα το 1 ή το 0) και κωδικοποιούν τα δεδομένα αλλάζοντας τον προσανατολισμό του μαγνητικού πεδίου τους –όταν δηλαδή «δείχνουν» π.χ. τον βόρειο πόλο τους αυτό σημαίνει 1, ενώ το αντίστροφο σημαίνει 0. Χάρη στο φαινόμενο της μαγνητικής υστέρησης, από τη στιγμή που οι μαγνητικές περιοχές θα λάβουν έναν προσανατολισμό, δεν τον ξεχνούν ποτέ. Ετσι, η μνήμη του σκληρού δίσκου δεν σβήνεται όταν σβήνουμε τον υπολογιστή.

«Η υστέρηση είναι ένα φαινόμενο μνήμης το οποίο επιτρέπει σε κάτι να βρίσκεται σε δύο διαφορετικές καταστάσεις υπό τις ίδιες συνθήκες» εξηγεί στο «Βήμα» ο Νίκολας Τσίλτον, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ και πρώτος συγγραφέας της μελέτης η οποία δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Nature». «Ειδικά η μαγνητική υστέρηση σημαίνει ότι ένας μαγνήτης μπορεί να τεθεί σε έναν από τους δύο προσανατολισμούς του –έτσι αποθηκεύονται τα ψηφιακά δεδομένα με τη χρήση μαγνητών». Οι συμβατικοί μαγνήτες που χρησιμοποιούνται αυτή τη στιγμή είναι, όπως αναφέρει, μέταλλα ή κράματα μετάλλων όπως ο μαγνητίτης, τα οποία επιδεικνύουν μαγνητική υστέρηση –και άρα διατηρούν τη μνήμη τους –σε θερμοκρασία δωματίου.

Τα μεμονωμένα μόρια ωστόσο δεν έχουν τόσο καλή μνήμη. Δεν διατηρούν τον μαγνητικό προσανατολισμό τους παρά μόνον όταν «κλειστούν» μέσα σε μαγνητικό πεδίο ή όταν καταψυχθούν σε πάρα πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Ετσι, με βάση τα ως τώρα ερευνητικά αποτελέσματα, δεν φαίνονταν να είναι κατάλληλοι υποψήφιοι για την αποθήκευση δεδομένων. Η ομάδα από το Μάν-τσεστερ ήρθε να ανατρέψει τα δεδομένα ανεβάζοντας σημαντικά τη θερμοκρασία στην οποία ένα μεμονωμένο μόριο μπορεί να διατηρήσει τη μαγνητική μνήμη του. Συγκεκριμένα, οι ερευνητές κατόρθωσαν να μετατρέψουν μόρια δυσπροσίου (σπάνια γαία από την ομάδα των λανθανιδών) σε μεμονωμένα μόρια-μαγνήτες που επιδεικνύουν μαγνητική υστέρηση στους -213 βαθμών Κελσίου.

Αν και πάρα πολύ χαμηλή, η θερμοκρασία αυτή δεν είναι άπιαστη έξω από το εργαστήριο. Αντιθέτως, πλησιάζει πολύ αυτή του υγρού αζώτου (-196 βαθμοί Κελσίου), το οποίο είναι σχετικά οικονομικό και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε πραγματικές συνθήκες για να ψυχράνει τους servers σε μεγάλα κέντρα δεδομένων όπως εκείνα της Google ή της Amazon. Αυτός ακριβώς είναι και ο λόγος για τον οποίο η συγκεκριμένη μελέτη θεωρείται η πρώτη απόδειξη ότι τα μόρια-σκληροί δίσκοι μπορεί να γίνουν πραγματικότητα μέσα στα επόμενα χρόνια.

Μια τέτοια εξέλιξη θα φέρει πραγματική επανάσταση στην αποθήκευση δεδομένων αφού οι χώροι που θα απαιτούνται για την αποθήκευση πληροφοριών θα συρρικνωθούν θεαματικά. «Το μόριό μας έχει διάμετρο περίπου δύο νανομέτρων» λέει ο κ. Τσίλτον. «Μπορούμε δηλαδή να φθάσουμε θεωρητικά σε πυκνότητα αποθήκευσης περίπου 30 terabits ανά τετραγωνικό εκατοστό». Για να το φέρουμε σε πιο καθημερινά επίπεδα, αυτό σημαίνει ότι με τις μοριακές τεχνολογίες μνήμης θα μπορούσαμε να αποθηκεύσουμε 3.840 GB σε ένα τετραγωνικό εκατοστό –πυκνότητα δεδομένων 100 φορές μεγαλύτερη από αυτή που επιτυγχάνουν οι σημερινές τεχνολογίες.

Για τα μεγάλα κέντρα δεδομένων αυτό σημαίνει τεράστια οικονομία χώρου, χρημάτων και ενέργειας. Για παράδειγμα, η Google έχει να επεξεργαστεί κατά μέσο όρο 40 εκατομμύρια αναζητήσεις το δευτερόλεπτο, δηλαδή 3,5 δισεκατομμύρια αναζητήσεις την ημέρα ή 1,2 τρισεκατομμύρια αναζητήσεις τον χρόνο. Αυτό επιτυγχάνεται με 15 κέντρα δεδομένων σε όλον τον πλανήτη τα οποία, σύμφωνα με περυσινή ανακοίνωση, διέθεταν περίπου 2,5 εκατομμύρια servers. Ο αριθμός αυτός αναμενόταν να αυξηθεί ενώ τόσο η Google και η Amazon όσο και άλλες εταιρείες με μεγάλα κέντρα δεδομένων βρίσκονται σε διαρκή αναζήτηση τρόπων ώστε όχι μόνο να επεκτείνουν τις εγκαταστάσεις τους αλλά και να μπορέσουν να τις συντηρούν με λογικές δαπάνες σε χρήματα και ενέργεια. Η «μοριακή λύση» θα ήταν λοιπόν σωτήρια.

Αρκεί οι επιστήμονες να μπορέσουν να περάσουν στο επόμενο στάδιο που θα επιτρέψει την εφαρμογή της μεθόδου στην πράξη –κάτι το οποίο πλέον θεωρούν ότι δεν θα αργήσει να συμβεί. «Δείξαμε ότι ένα μεμονωμένο μόριο μπορεί να αποθηκεύσει δεδομένα σε εφικτές θερμοκρασίες» λέει στο «Βήμα» ο Ντέιβιντ Μιλς, καθηγητής στο Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ και επικεφαλής της μελέτης. «Το μόριο αυτό είναι ωστόσο εξαιρετικά ευαίσθητο στον αέρα και στην υγρασία και δεν προσφέρεται τόσο πολύ για να εναποτεθεί σε μια επιφάνεια ώστε να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές στον πραγματικό κόσμο, έξω από το εργαστήριο. Παρ’ όλα αυτά, βασιζόμενοι στον σχεδιασμό αυτού του μορίου μπορούμε πλέον να στοχεύσουμε σε άλλα μόρια τα οποία θα είναι πιο κατάλληλα για να εναποτεθούν σε μια επιφάνεια, κάτι το οποίο θα αποτελέσει το επόμενο βήμα ώστε να φθάσει η τεχνολογία στον καταναλωτή».