Project Silica: Der neue Speicheransatz von Microsoft

Was ist Project Silica von Microsoft?

Die heutigen Speichertechnologien werden bald an ihre praktischen Grenzen stoßen, da die Nachfrage nach Langzeitspeichern in der Cloud in nie dagewesenem Ausmaß wächst. Die meisten kalten Daten werden derzeit auf Magnetbändern, optischen Medien, HDDs und, in geringerem Maße, SSDs gespeichert. Keine dieser Plattformen ist jedoch kosteneffizient, um die riesigen Mengen an Archivdaten zu verarbeiten, die in der Cloud aufbewahrt werden. Jede dieser Plattformen wurde entwickelt, bevor es die Cloud gab, und wurde für die Unterstützung mehrerer Verwendungszwecke konzipiert. Keine Speichertechnologie wurde speziell für die Speicherung kalter Daten in der Cloud entwickelt.

Die Cloud erfordert eine Neubewertung der großen Speichersysteme und der Anforderungen, die an sie gestellt werden. Viele glauben, dass es an der Zeit ist, neue Systeme zu schaffen, die von Grund auf speziell für die Cloud entwickelt wurden. Hier setzt das Microsoft-Projekt Silica an. Es erforscht, ob Quarzglas als praktisches Medium dienen kann, um kalte Daten über lange Zeiträume in der Cloud zu speichern und die anderen Medien vollständig zu ersetzen.

Project Silica ist Teil des umfassenderen Projekts Optics for the Cloud, einem Programm von Microsoft, das den Einsatz von optischen Technologien in der Cloud vorantreiben soll. Der Großteil der Arbeit an Project Silica findet im Microsoft Research-Labor in Cambridge (Großbritannien) statt, wo ein Team aus Physikern, Elektroingenieuren, Optikexperten und Forschern mit Speicherhintergrund eine völlig neue Art von Speichersystem entwickelt. Für dieses Projekt hat sich Microsoft mit dem Optoelectronics Research Centre der University of Southampton zusammengetan, wo Wissenschaftler bereits bewiesen haben, dass man mit Laser-Schreibtechnologien Daten in Glas speichern kann.

Die Forscher von Project Silica haben sich für Quarzglas entschieden, weil es so widerstandsfähig ist. Sie haben es gebacken, gekocht, in der Mikrowelle erhitzt, entmagnetisiert und mit Stahlwolle gescheuert, und nach all dem waren sie immer noch in der Lage, die Daten zu lesen. Quarzglas erfordert kein teures Umgebungsmanagement wie Temperatur- und Feuchtigkeitskontrollen und kann Daten theoretisch über Tausende von Jahren aufbewahren, ohne dass es zu Bit Rotkommt, dem Verschleißen der Daten. Es vermeidet die kostspieligen Zyklen des Wiederbeschreibens von Daten auf Speichermedien der nächsten Generation. Quarzglas ist außerdem reichlich vorhanden und im Vergleich zu anderen Medien relativ kostengünstig, so dass es sich gut eignet, um große Mengen an kalten Daten auf unbestimmte Zeit zu speichern.

Microsofts Project-Silica-Team konzentriert sich ausschließlich auf die Entwicklung von Speicher für die Archivierungvon Daten im Cloud-Maßstab. Es versucht nicht, den Verbrauchern neue Möglichkeiten zu bieten, ihre PCs zu betreiben oder Filme zu Hause anzusehen. Das Team beschäftigt sich ausschließlich mit der Entwicklung eines Speichermediums, das große Mengen an kalten Daten aufnehmen kann, auf die nur selten zugegriffen wird, sei es alle paar Monate oder alle paar Jahre.

Wie funktioniert Project Silica?

Project Silica baut auf früheren Bemühungen von Forschern der University of Southampton auf, wo sie die Fähigkeit demonstrierten, Daten in Quarzglas, einer nicht kristallinen Form von Siliziumdioxid, zu speichern. Es kommt unter anderem in Quarzkristallen und Sand vor. Ihren ersten Erfolg erreichten sie 2013, als sie eine 300 KB große Textdatei in Quarzglas speicherten, das sie als 5D-Speicherkristall bezeichneten.

Microsofts Project-Silica-Team konzentriert sich ausschließlich auf die Entwicklung von Speicher für die Archivierung von Daten im Cloud-Maßstab.

Die Forscher verfeinerten ihr Design und speicherten wichtige Dokumente auf Siliziumdioxid-Scheiben mit einem Durchmesser von weniger als einem Zoll. Dazu gehörten Isaac Newtons Opticks, die Magna Carta und die Allgemeine Erklärung der Menschenrechte der Vereinten Nationen. Es dauerte jedoch bis 2018, bis die Presse ernsthaft Notiz davon nahm, als eine SpaceX-Rakete namens Falcon Heavy vom Kennedy Space Center in Florida startete. Die Rakete, die sich nun auf einer Umlaufbahn um die Sonne befindet, trägt den roten Tesla Roadster von Elon Musk. In dem Auto befindet sich ein 5D-Speicherkristall, der Isaac Asimovs Foundation-Reihe von Science-Fiction-Büchern enthält.

Das Microsoft Project Silica Team verwendet ähnliche Technologien wie die Forscher der Universität Southampton. Bei der Kodierung von Daten richtet das Team einen Femtosekundenlaser auf den Quarzkristall - die Art von Laser, die bei Lasik-Augenoperationen verwendet wird. Der Laser ätzt nanoskalige Gitter (Voxel) in das Glas in verschiedenen Tiefen und Winkeln. Dazu muss der Laser ultrakurze optische Pulse aussenden, die die Struktur des Glases dauerhaft verändern. So entsteht ein dreidimensionales Voxel-Layout der Daten.

Project Silica kodiert die Daten, indem es die Stärke und Ausrichtung der Laserpulse verändert. Es erzeugt eine Reihe von einzigartigen Voxeln mit unterschiedlichen Tiefen, Größen und Rillen. Der Laser erzeugt Voxel in einer einzigen Schicht, indem er den Strahl an verschiedenen Positionen in einer X-Y-Ebene fokussiert. Der Laser erzeugt Voxel in verschiedenen Schichten, indem er die Fokustiefe des Strahls innerhalb des Glases verändert. Ein Stück Glas mit einer Stärke von 2 mm kann mehr als 100 Schichten von Voxeln tragen.

Jedes Voxel erzeugt einen Zustand, der als Form-Doppelbrechung bekannt ist, eine Eigenschaft, bei der das Voxel andere Brechungseigenschaften als das umgebende Siliziumdioxid aufweist, was die Art und Weise, wie sich Licht durch Glas bewegt, wesentlich verändert. Wenn polarisiertes Licht mit einem Voxel interagiert, kommt es zu Nanometer-Verschiebungen in seinem elektrischen Feld. Der Bereich der Verschiebung wird als die Retardanz (Verzögerung) des Voxels bezeichnet. Außerdem ändert sich der Polarisationswinkel des Lichts. Diese beiden Doppelbrechungseigenschaften - Retardanz und Winkeländerung - machen es möglich, mehrere Bits pro Voxel zu kodieren. Darüber hinaus bleiben die Eigenschaften, sobald die Voxel einmal erzeugt wurden, für die Lebensdauer des Glases stabil.

Warum Superman als guter Machbarkeitsbeweis dient

Das Medienunternehmen Warner Bros., das die Superman-Rechte besitzt, hat eine enorme Film- und Fernsehbibliothek. Das Unternehmen sucht nach Möglichkeiten, seine Bestände gegen alles von Überschwemmungen bis hin zu Sonneneruptionen zu schützen, ohne sich um Probleme wie extreme Temperaturen, Feuchtigkeit oder die Notwendigkeit, Medien zu aktualisieren, kümmern zu müssen.

Der Speicher, der im Rahmen des Project Silica entwickelt wird, könnte sich als ideale Methode erweisen, um die Bibliothek von Warner Bros. praktisch, kostengünstig und sicher zu archivieren, weshalb der Superman-Test so wichtig war. Das Team von Project Silica lagerte den Film komplett in einem einzigen Stück Glas und las ihn anschließend erfolgreich aus. Das war Ende 2019. Es war ein bedeutender Meilenstein für das Project Silica und gab den Anstoß, die Forschung weiter voranzutreiben - eine Anstrengung, die bis heute andauert.

Durch die Messung der beiden Doppelbrechungseigenschaften werden Daten aus dem Glas ausgelesen. Eine Art der Mikroskopie verwendet eine Kamera und spezielle optische Komponenten, ähnlich wie ein Mikroskop. Ein Beleuchtungsarm leitet einen Lichtstrahl durch das Quarzglas und die optischen Komponenten, wobei der Strahl in einem Winkel polarisiert ist. Die Kamera erkennt die Änderungen der Lichtpolarisation, wenn der Strahl durch die Optik und das Quarzglas läuft. Um verschiedene Schichten im Glas zu lesen, fokussieren die Optiken in unterschiedlichen Tiefen.

Project Silica verwendet auch Algorithmen für maschinelles Lernen, um die Voxelbilder der Kamera zu interpretieren. Die Algorithmen benötigen vier Messbilder und vier Hintergrundbilder, um die Muster zu entschlüsseln, die durch das polarisierte Licht, das durch das Glas scheint, entstehen. Das Projekt Silica nutzt auch Deep Learning und neuronale Netzwerktechnologien, um mögliche Schwankungen und Rauschen beim Auslesen der Daten zu berücksichtigen. Auf diese Weise wird der Umgang mit der Voxel-Komplexität zu einem Offline-Vorgang, getrennt vom Prozess des physischen Lesens der Daten.

Wie sieht die Zukunft des Glasspeichers aus?

Der Superman-Testfall hat gezeigt, dass es möglich ist, Kristallglas zum Speichern und Abrufen von Archivdaten zu verwenden. Aber die Forscher haben noch einen weiten Weg vor sich, bevor Daten mit einer Geschwindigkeit geschrieben und gelesen werden können, die schnell genug für die praktische Anwendung ist. Außerdem müssen sie höhere Dichten erreichen. Dazu müssen sie in der Lage sein, mehr Bits pro Voxel zu kodieren und Voxel durch mehr Schichten zu lesen. Auch bei der Messung der Doppelbrechung stehen die Forscher vor Herausforderungen. Das Rauschen nimmt deutlich zu, wenn der laterale Abstand zwischen den Voxeln abnimmt und die Anzahl der Schichten steigt.

Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es keinen klaren Zeitplan dafür, wann Microsofts Project-Silica-Bemühungen für groß angelegte, produktionsreife Speichersysteme bereit sein könnten. Es gibt einige Hinweise auf realisierbare Systeme innerhalb eines Jahrzehnts, aber das ist kaum mehr als eine Vermutung. Klar ist jedoch, dass Speicherlösungen benötigt werden, um das erwartete Datenwachstum zu bewältigen. Project Silica zielt darauf ab, zumindest einen Teil dieses Bedarfs zu decken, indem es auf die Anforderungen an kalten Speicher in der Cloud abzielt. Ob der Glasspeicher eines Tages auch für andere Zwecke genutzt werden könnte, ist unklar, aber er hat eindeutig das Potenzial, große Datenmengen zu archivieren.