Dijital çağda üretilen bilginin hacmi katlanarak artarken bu dataların yüzyıllar boyunca inançlı ve güç harcamadan saklanması kritik bir sorun haline gelmiş durumda. Manyetik bantlardan optik disk sistemlerine, hatta DNA temelli depolama fikirlerine kadar pek çok sistem gündeme geldi. Fakat en sade ve sağlam tahlillerden biri bilgiyi direkt cam üzerine işlemek olabilir.

Bu alanda yürütülen araştırmaların en somut çıktılarından biri ise Microsoft’un “Project Silica” ismini verdiği sistem oldu. Şirket, Nature mecmuasında yayımlanan çalışmasında, küçük cam plakalar içine gigabit düzeyinde yoğunlukla data yazıp okuyabilen çalışan bir prototip geliştirdiğini duyurdu.

Cam neden uygun?

Cam çoklukla kırılganlığıyla bilinse de aslında geniş bir materyal ailesini temsil ediyor. Uygun kimyasal bileşimle üretilen cam çeşitleri, araştırmacıların sözüyle termal ve kimyasal olarak son derece kararlı, neme, sıcaklık değişimlerine ve elektromanyetik teşebbüse karşı dirençli olabiliyor.

Microsoft’un tercih ettiği borosilikat cam, hızlandırılmış yaşlandırma testlerine nazaran oda sıcaklığında 10 bin yılı aşkın süre data bütünlüğünü koruyabiliyor. Üstelik sistem, bilgi saklamak için bekleme sırasında hiçbir güç tüketmiyor.

Lazerler ile data yazılıyor

Silica’nın çalışma prensibi temelde optik depolamaya dayanıyor. DVD’lerde sinemaların disk yüzeyine lazerle işlenmesine misal biçimde, burada da cam yüzey femtosaniye lazer darbeleriyle fizikî olarak değiştiriliyor. Lakin fark, datanın sırf yüzeye değil, camın üç boyutlu hacmine yazılması.

Saniyenin katrilyonda biri kadar süren darbeler üreten bu lazerler, saniyede milyonlarca atım yapabiliyor ve camın çok küçük bir hacmine odaklanarak yüksek yoğunlukta bilgi işlenmesini sağlıyor.

Project Silica kapsamında iki farklı yazım tekniği geliştirildi. Her bir bilgi ünitesi “voxel” olarak isimlendiriliyor ve bu voxel’ler camın farklı katmanlarına üç boyutlu olarak yerleştiriliyor.

İlk prosedürde lazer darbeleriyle cam içinde oval biçimli mikroskobik boşluklar oluşturuluyor ve ikinci bir polarize lazer darbesiyle çift kırılma özelliği kazandırılıyor. Voxel’in kimliği, bu oval yapının yönelimine nazaran belirleniyor. Birden fazla yönelimin ayırt edilebilmesi sayesinde tek bir voxel içine birden fazla bit data sığdırılabiliyor.

İkinci metotta ise lazer darbesinin gücü değiştirilerek kırılma tesirinin büyüklüğü ayarlanıyor. Bu teknikle de voxel başına birden çok bit depolayabiliyor. Fakat bu yaklaşımın bilgi yoğunluğu daha düşük.

Datanın geri okunması için sistem, kırılma indisi farklılıklarını tespit edebilen bir mikroskop kullanıyor. Bu usul, faz kontrast mikroskobu olarak biliniyor. Cam plaka, yazım sırasında katmanlar ortasında muhakkak uzaklıklar bırakılarak işleniyor. böylelikle mikroskop her odak düzleminde sadece tek bir voxel katmanını görebiliyor.

Otomatik sistem, cam üzerindeki referans sembollerini kullanarak yanlışsız noktaya konumlanıyor ve odak düzlemini katmanlar ortasında yavaşça değiştirerek imajlar topluyor.

Bu manzaraların yorumlanması ise klasik formüllerle değil, evrişimli hudut ağlarıyla gerçekleştiriliyor. Geliştirilen yapay zeka modeli, odak düzlemindeki ve yakınındaki imajları birlikte tahlil ederek komşu voxel’lerin yarattığı ince optik tesirleri de hesaba katıyor. Bu sayede yüksek doğrulukta data çözümleme sağlanıyor.

Silica sistemi, ham data akışını direkt yazmak yerine evvel kusur düzeltme kodları ekliyor. Burada kullanılan metot, 5G ağlarında da tercih edilen düşük yoğunluklu eşlik kontrol kodu (LDPC). Akabinde bitler birleştirilerek voxel’lerin çoklu durum kapasitesinden yararlanan semboller oluşturuluyor ve bu sembol akışı cam üzerine işleniyor.

4,84 TB’lık cam plaka   

Sistemin en dikkat cazibeli istikametlerinden biri kapasite. Ölçüleri 12 cm x 12 cm ve 0,2 cm kalınlığında olan tek bir cam plaka, en ağır usul kullanıldığında 4,84 terabayta kadar bilgi saklayabiliyor. Bu ölçü yaklaşık 2 milyon basılı kitaba ya da 5 bin ultra yüksek çözünürlüklü sinemaya muadil. Alternatif teknikle ise kapasite yaklaşık 2 terabayt düzeyinde kalıyor lakin daha kolay optik donanımla ve farklı şeffaf gereçlerde uygulanabiliyor.

Yazma suratı ise hala sistemin darboğazı. Microsoft, çok ısınmayı önleyecek biçimde birebir anda dört lazerle yazım yapabilen bir donanım geliştirdi. Bu yapı 66 megabit/saniye yazma hızına ulaşabiliyor. Teorik olarak sisteme 12’ye kadar ek lazer modülü entegre edilebileceği belirtiliyor. Mevcut süratle bir cam plakanın tamamen doldurulması 150 saati aşan bir müddet gerektiriyor.

Kapasite etkileyici olsa da önemli bir ölçek sorunu var. Örneğin, dünyanın en büyük radyo teleskop projelerinden biri olan Square Kilometre Array’in yılda yaklaşık 700 petabayt data arşivlemesi bekleniyor. Bu hacim için 140 binden fazla cam plaka ve yüzlerce Silica makinesinin paralel çalışması gerekebilir. Hasebiyle sistem, bugün için devasa bilgi merkezlerinin tek başına tahlili olmaktan uzak görünüyor. Lakin güç gerektirmeden saklama, fizikî dayanıklılık ve gerektiğinde süratli erişim imkanı üzere özellikler, Silica’yı uzun vadeli arşivleme için güçlü bir aday haline getiriyor.