Zukunft der Langzeitdatenspeicherung 330 Millionen Terabyte gespeicherte Daten pro Tag – wie gehen wir damit künftig um?

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Weltweit entstehen pro Tag Millionen Terabyte von Daten, die wir speichern. Mit Technologien wie KI, maschinelles Lernen oder Echtzeitüberwachung in der Produktion werden es vermutlich noch mehr – können herkömmliche Magnetspeicher das noch stemmen? Forschende unter der Leitung des HZDR verfolgen ein neues Konzept.

Haben Sie in den vergangenen Tagen festgestellt, dass das KI-Tool Ihrer Wahl möglicherweise etwas langsamer geworden ist? Dass die von Ihnen gespeicherten Daten in der Cloud vielleicht nicht ganz so schnell abrufbar sind wie gewohnt? Wartungen vonseiten des Anbieters können die Ursache dafür sein oder vielleicht auch die Belastung der Server des jeweiligen Dienstes, die Ressourcen Ihres Arbeitssystems oder die Stabilität Ihres Netzwerks. Gut, wenn es dann regelmäßige Speicherroutinen gibt, entweder in der Cloud oder auf Ihrem eigenen System, damit Daten nicht verloren gehen.

Die ständige Verfügbarkeit der eigenen Daten birgt viele Vorteile, aber auch Herausforderungen für die Zukunft. Diese umfassen Fragen zur Datensicherheit und Datenschutz, die Gewährleistung von Datenqualität und -integrität sowie Anforderungen an die technologische Infrastruktur. Und dann werden der Datenwut der Menschheit, sei es für den privaten oder den professionellen Gebrauch, auch physikalische Grenzen aufgezeigt.

Schätzungen zufolge werden pro Tag durch Cloud-Dienste, soziale Medien, Internet und schlussendlich auch durch die industrielle Nutzung von KI, maschinelles Lernen, Datenverfolgung zur Prognostizierung und mehr Anwendungen 330 Millionen Terabyte Daten gespeichert. Und es heißt, laut Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), dass 90 Prozent der weltweit gespeicherten Daten gerade einmal in den vergangenen zwei Jahren erstellt worden sind.

Angesichts dessen, dass Preise für Speichermedien etwa in Deutschland im Durchschnitt über die vergangenen Jahre spürbar angezogen sind und auch für 2024 eine SSD-Kostensteigerung erwartet wird, müssen wir uns Gedanken machen, wie wir künftig Daten speichern und langfristig erhalten. Weil das kein triviales Thema ist, zerbricht sich eine Forschergruppe unter Leitung des HZDR den Kopf für uns. Und die Forschenden haben ein neues Konzept für die Langzeitdatenspeicherung ausgeklügelt, das auf Defekten in Siliziumkarbid beruht.

Die Grenzen der Physik

Derzeit werden Daten auf Magnetspeichern verwahrt, deren Möglichkeiten und Entwicklungspotenziale allerdings mit Blick auf die Speicherdichte Grenzen aufweisen. Sollen mehr Daten auf weniger Raum gespeichert werden, müssten die magnetischen Partikel schrumpfen. Dann allerdings können thermische Fluktuationen und Diffusionsprozesse die Speicherdauer negativ beeinflussen. Damit nicht genug, wie die Forschenden des Teams erklären.

„Eine Anpassung der magnetischen Eigenschaften des Materials könnte diesen Effekt unterdrücken, aber das hat seinen Preis: eine höhere Energie für die Speicherung von Informationen. Und auch für das optische Auslesen von gespeicherten Informationen gibt es physikalische Beschränkungen. Aufgrund der sogenannten Beugungsgrenze ist das kleinste aufzeichnende Bit in seiner Größe eingeschränkt: Seine Ausmaße können nicht kleiner werden als die Hälfte der Lichtwellenlänge, eine Grenze, die damit die maximale Speicherkapazität festlegt“, heißt es. Eine Lösung für dieses Dilemma suchen die Mitglieder der Forschergruppe in der mehrdimensionalen optischen Aufzeichnung.

Daten über Generationen in Siliziumkarbid speichern

Die Forschenden untersuchen das Konzept der Langzeitdatenspeicherung in Defekten auf atomarer Ebene in Siliziumkarbid (SiC). Diese Defekte können durch einen fokussierten Protonen- oder Helium-Ionenstrahl erzeugt werden, der hohe Ortsauflösung, Schreibgeschwindigkeit und eine geringe Energie für die Speicherung eines einzelnen Bits ermöglicht.

„Die Beugungsgrenze der Speicherdichte, die für optische Medien typisch ist, gilt auch in unserem Fall. Wir überwinden sie durch vierdimensionale Codierungsverfahren. Dabei werden die drei Raumdimensionen und eine zusätzliche vierte Dimension der Intensität gesteuert, indem wir die seitliche Position, Tiefe und Anzahl der Defekte variieren. Anschließend lesen wir die gespeicherten Daten mittels der durch Anregung hervorgerufenen Photolumineszenz optisch aus. Darüber hinaus kann die räumliche Speicherdichte durch fokussierte Elektronenstrahl-Anregung, die eine beobachtbare Kathodolumineszenz hervorruft, deutlich verbessert werden“, erklärt Dr. Georgy Astakhov.

Zwar können die so gespeicherten Daten aus den Defekten verschwinden, sofern sich die Aufbewahrungsbedingungen ändern. Dennoch gehen die Forschenden auf Basis ihrer Beobachtungen davon aus, dass eine Mindest-Archivierzeit von mehreren Generationen gewährleistet ist. Das Team erreicht mit dieser Technik eine Speicherdichte, vergleichbar mit Blu-Ray-Discs. Das Auslesen der Daten mit Elektronenstrahl-Anregung ermöglicht eine Speicherdichte vergleichbar mit einem Prototyp-Magnetband, hat jedoch eine kürzere Speicherdauer und einen höheren Energieverbrauch.

Die Details zu diesem Konzept erfahren Sie aus der Arbeit „Ultralong-Term High-Density Data Storage with Atomic Defects in SiC“, die bei Advanced Functional Materials veröffentlicht wurde. Für die Arbeit schlossen sich die Rossendorfer mit Forschenden der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (Deutschland), des Jet Propulsion Laboratory des California Institute of Technology (USA), des National Institutes for Quantum Science and Technology (Japan) und der Universität Tōhoku (Japan) zusammen. (sb)

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