Sorotan Sains dan Teknologi: Teknologi Penyimpanan Data Alternatif

Mengapa ini penting

Teknologi yang ada membutuhkan energi yang intensif dan mungkin tidak memenuhi permintaan penyimpanan data yang meningkat secara eksponensial. Tanpa alternatif — seperti DNA sintetis atau kaca — perusahaan, pemerintah, dan individu dapat kehilangan miliaran gigabita data dalam dekade berikutnya. Namun, biaya tinggi dan kecepatan tulis yang lambat dari teknologi ini menimbulkan tantangan untuk penggunaannya yang lebih luas.

teknologi

Apa itu? Teknologi penyimpanan data alternatif – seperti DNA sintetis dan kaca tergores – sedang dikembangkan untuk memenuhi permintaan yang terus meningkat. Media penyimpanan data saat ini (seperti pita magnetik, DVD, dan hard disk) kemungkinan besar tidak akan cukup untuk memenuhi kebutuhan penyimpanan data global yang saat ini diperkirakan berjumlah sekitar 97 triliun gigabyte. Permintaan diperkirakan akan berlipat ganda pada tahun 2025.

Bahan plastik dan magnet dalam penyimpanan saat ini menurun seiring waktu dan menjadi usang karena teknologi terbaru, yang sering membutuhkan penggantian setiap 3 tahun. Selain itu, para peneliti memperkirakan bahwa pada tahun 2040, 2,4 miliar kilogram silikon dengan kemurnian tinggi – komponen chip komputer dan perangkat penyimpanan dengan kemurnian tinggi – akan dibutuhkan untuk menyimpan data dunia. Namun, proyeksi pasokan diperkirakan hanya 1 persen dari permintaan. Selain itu, sistem penyimpanan data saat ini memerlukan fasilitas besar dan intensif energi untuk beroperasi dan memperlambat degradasi media penyimpanan. Pusat data memiliki dampak lingkungan yang signifikan – mereka dikatakan mengkonsumsi sekitar 2 persen listrik dunia pada Januari 2020 dan berpotensi mencapai 8 persen pada tahun 2030.

Bagaimana itu bekerja? Penyimpanan data DNA dan kaca sintetis memiliki kapasitas penyimpanan yang lebih besar dan, jika disimpan dengan benar, lebih tahan lama daripada teknologi saat ini.

Di alam, DNA telah menyimpan informasi sejak kehidupan dimulai. Sistem pengkodean yang sama dapat digunakan untuk menyimpan informasi digital dalam untai DNA sintetis – dibuat di laboratorium, bukan oleh organisme hidup. Untuk membaca data, teknologi mapan yang dikenal sebagai sequencing dapat memecahkan kode DNA. DNA dapat berisi lebih dari 11 triliun gigabyte dalam satu inci kubik materi.

Gambar 1. Pengetikan dan pembacaan data DNA sintetik. Huruf A, C, G dan T mewakili komponen kode genetik.

Data juga dapat disimpan dalam kaca kuarsa menggunakan laser yang cepat dan akurat, mirip dengan jenis yang digunakan dalam operasi koreksi penglihatan. Laser menciptakan prasasti yang mewakili satu dan nol yang dikodekan secara digital. Metode ini disebut 5D karena menggunakan lima atribut pola yang unik. Tiga fitur berhubungan dengan lokasi prasasti pada kaca, yang setara dengan koordinat X, Y, dan Z dari grafik 3D. Penyimpanan DVD menggunakan sistem yang serupa, tetapi penyimpanan kaca memiliki kapasitas yang lebih besar karena laser membuat beberapa lapisan data menggunakan dua karakteristik tambahan – ukuran dan orientasi lukisan (lihat Gambar 2).

Untuk membaca data dari kaca, perangkat menyorotkan sinar laser terpolarisasi ke setiap pola, mengungkapkan lima atributnya. Kamera menangkap perubahan ini, yang diterjemahkan oleh komputer ke dalam bentuk digital asli. Penyimpanan data kaca dapat menyimpan ratusan juta gigabyte per inci kubik.

Gambar 2. Penyimpanan data kaca menggunakan laser untuk menulis data dan cahaya terpolarisasi untuk membacanya.

Seberapa dewasa itu? Pada April 2022, kedua teknologi ini masih dalam pengembangan, dan keduanya tidak tersedia secara komersial. Para peneliti telah berhasil menggunakannya untuk menyimpan data, dan beberapa menyarankan itu bisa mencapai komersialisasi sebelum 2030.

Para peneliti berhasil menyimpan sekitar 200 megabyte berbagai bentuk data dalam DNA sintetis, termasuk video musik dan Deklarasi Universal Hak Asasi Manusia yang diterjemahkan ke lebih dari 100 bahasa. Penyimpanan kaca digunakan untuk menyimpan data teks 5 GB di sekitar 1 inci persegi kaca. Berdasarkan kapasitas ini, para peneliti percaya bahwa disk kaca seukuran CD dapat menampung 500 terabyte data.

Para peneliti sedang mengeksplorasi kemungkinan dan keterbatasan masing-masing teknik. Misalnya, DNA sintetis dapat menyimpan data dalam jumlah besar dalam volume yang sangat kecil, mengurangi ukuran fasilitas penyimpanan data, tetapi saat ini biayanya sekitar $3.500 per megabita – jutaan kali lebih banyak daripada penyimpanan berbasis silikon. Selain itu, kebutuhan akan teknologi ini dalam kondisi yang sangat dingin secara signifikan meningkatkan biayanya. Terakhir, penyimpanan data DNA sintetis rentan terhadap kesalahan tulis dan baca dan peneliti sedang mengerjakan kode debug dan cara lain untuk mengurangi kesalahan.

Glass juga dapat menyimpan data dalam jumlah besar (lihat Gambar 3). Namun, kecepatan penulisan datanya sangat lambat, sekitar 200 kilobyte per detik. Sebagai perbandingan, kecepatan tulis DVD adalah 21 megabyte per detik – itu 100 kali lebih banyak. Glass juga mengekspos potensi masalah keamanan. Menurut seorang ilmuwan, beberapa data akan tetap berada di kaca kecuali jika dilebur atau dihancurkan menjadi bubuk.

Gambar 3. Kemungkinan kapasitas penyimpanan data menurut jenis media (byte per inci kubik).

Karena keterbatasan saat ini, kedua teknologi mungkin lebih cocok untuk penyimpanan data arsip daripada aplikasi sehari-hari.

Beberapa agen federal dan perusahaan tertarik untuk mengembangkan teknologi ini. Misalnya, Intelligence Advanced Research Projects Activity meluncurkan Program Penyimpanan Informasi Molekuler, yang bertujuan menggunakan penyimpanan DNA sintetis sebagai mekanisme sumber daya rendah untuk memenuhi kebutuhan penyimpanan data komunitas intelijen. Selain itu, setidaknya satu perusahaan teknologi besar memiliki proyek untuk mengembangkan penyimpanan data kaca sebagai cara hemat biaya untuk memenuhi persyaratan penyimpanan data jangka panjang.

peluang

• Kurang intensif sumber daya. Menggunakan DNA dan kaca sintetis untuk menyimpan data dapat meningkatkan kapasitas penyimpanan, sekaligus mengurangi kebutuhan akan beberapa bahan mentah. Ini juga dapat menghasilkan fasilitas penyimpanan yang lebih kecil atau massal, yang dapat mengurangi penggunaan energi – bahkan dengan persyaratan penyimpanan dingin tambahan dari DNA sintetis karena kapasitasnya yang padat data.
• daya tahan. Data yang disimpan dalam DNA sintetis dapat bertahan ribuan tahun jika disimpan pada suhu yang sangat rendah. Data yang tersimpan dalam kaca dapat bertahan miliaran tahun tanpa rusak, bahkan dalam kondisi ekstrim.

Tantangan

• Teknologi pendukung. DNA sintetis membutuhkan skema pengkodean yang dirancang khusus dan sistem operasi untuk mengurangi kesalahan saat menulis dan membaca data, misalnya.
• biaya. DNA sintetis saat ini menghabiskan biaya jutaan kali lipat biaya penyimpanan hard drive. Beberapa peneliti menyarankan bahwa kemajuan rekayasa dalam sintesis DNA diperlukan untuk mengurangi biaya. Kaca itu sendiri tidak mahal, tetapi komponen seperti laser dan kamera untuk menulis dan membaca data memerlukan biaya awal yang mahal.
• Kecepatan. Penyimpanan kaca mungkin terbatas pada pengarsipan data yang seringkali tidak perlu ditulis ulang karena kecepatan tulis yang sangat lambat.

Konteks dan pertanyaan kebijakan

• Penelitian dan pengembangan apa yang dapat dilakukan untuk membuat teknologi penyimpanan data alternatif ini lebih berkelanjutan dan terjangkau?
• Apa pertimbangan desain untuk pusat data masa depan yang mungkin dapat menggunakan teknologi penyimpanan data alternatif?

Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Brian Bothwell di 202-512-6888 atau [email protected].