5D-оптикалық жад деген не
“5D” термині физикалық “бесінші өлшемді” білдірмейді. Ол әрбір жазу элементі — воксел — бес еркіндік дәрежесінде дерек таситын кодтау әдісін сипаттайды: үш кеңістіктік координата (X, Y, Z) және екі оптикалық анизотропия параметрі — баяу осьтің бағыты (slow-axis azimuth) және оптикалық кідіріс шамасы (retardance).
Бұл параметрлер кварц шынысының көлемінде фемтосекундтық лазер фокусы арқылы пайда болатын өздігінен ұйымдасатын наноқұрылымдардан (наноламеллалар/наноторлар) түзіледі.
Оқу поляризациялық микроскопия әдісі арқылы орындалады, мұнда әрбір воксел үшін бағыттар мен кідірістер картасы алынады.
Қалай жұмыс істейді: физика және технология
Жазу. Өте қысқа (~10⁻¹⁵ с) лазерлік импульстар шынының ішінде фокусталып, микроөлшемді көлемде бағытталған наноқұрылымдар түзеді. Сәуленің поляризациясын және қарқындылығын басқара отырып, вокселде бағыт пен кідірісті тәуелсіз орнатуға болады, осылайша бірнеше битті бір воксел ішінде мультиплекстеу мүмкіндігі туады.
Алғашқы үлгілерде деректерді жазу сканерлеу әдісімен біртіндеп жүргізілді; кейін кеңістіктік модуляторлар (SLM) және DMD (сандық микрокөлік құрылғысы) арқылы параллель проекциялау әдістері пайда болды.
Оқу. Құрылымдардың қосарланған сыну қасиеттеріне байланысты параметрлер поляризациялық өлшеулермен (микроскоп + кідіріс анализаторы) бұзылмай оқылады. 2013–2016 жылдары цифрлық файлды жазу және оқу толық циклі алғаш рет көрсетілді.
Шығу тарихы және хронология
— 1996, Гарвард (Mazur және әріптестер): фемтосекундтық импульстар арқылы мөлдір материалдардың көлемінде 3D-жазу принципті түрде дәлелденді — қазіргі 5D тәсілдерінің теориялық және тәжірибелік негізі.
— 2009, Суинберн (Gu, Zijlstra, Chon): плазмондық ортада алғашқы “бесөлшемді жазу” (алтыннан жасалған нанотаяқшалар); кеңістік + поляризация + толқын ұзындығын қоса алғандағы көпөлшемді кодтау көрсетілді.
— 2010, Киото/Саутгемптон (Hirao, Kazansky және басқалар): шыныда өздігінен ұйымдасатын наноторлар арқылы формалық анизотропияны ультражылдам басқару әдісі, бұл кварцта көпбитті жазуды шындыққа айналдырды.
— 2013, Саутгемптон университеті (ORC, P. G. Kazansky): цифрлық файлды шыныда 5D әдісімен жазу және оқу алғаш рет дәлелденді; баяу осьтің бағыты мен оптикалық кідіріс XYZ координаталарына қосымша “төртінші” және “бесінші” параметрлер ретінде пайдаланылды. Декларацияланған мүмкіндіктер: ~360 ТБ бір дискке, ~1000 °C дейін төзімділік, бөлме температурасында “шексіз” қызмет ету мерзімі.
— 2016, ORC: “Мәңгілік 5D деректерді сақтау” концепциясы танымал етілді, басты назар ұзақ мерзімділік пен поляризациялық микроскопия арқылы оқылымдылыққа аударылды.
Келесі маңызды кезеңдер
— 2018: “5D-кристалл” ұзақмерзімді архивтеу тасымалдаушысы ретінде таныстырылды; көрнекі мысал — Falcon Heavy/Tesla Roadster миссиясында деректерді кристалға жазып, ғарышқа жіберу, бұл технологияның төтенше төзімділігін көрсету символына айналды.
— 2021: жоғары жылдамдықты анизотропты наноқұрылымдау әдісі (Optica): жазу жылдамдығы ~10⁶ воксел/с (~230 кБ/с), 4 бит бір вокселге кодтау; CD форматы дискісінде тәжірибе жасалды. Есептеулер бойынша, дискінің сыйымдылығы ~500 ТБ-қа жетуі мүмкін, бірақ толық жазу бірнеше ай алады.
— 2022: 100 қабаттық “қатесіз” 5D-жазу (Laser & Photonics Reviews): төмен шығынды анизотропты нанокеуектерге (type-X) көшу, терең қабаттарды оқуды және көпқабатты жазу сенімділігін жақсартты.
— 2024: адамның толық геномын 5D-кристалға жазу — жоғары құндылықтағы деректерді архивтеу демонстрациясы.
— 2025: DMD-проекция арқылы “воксел топтамаларын” параллель жазу (Science Advances, ашық қолжетімділік): тәжірибелік нәтижелер — шамамен 1,5 ТБ 5 дюймдік пластинада; теориялық жылдамдық ~7,5 МБ/с 100 кГц лазер күшейткішімен; осындай форм-фактор үшін сыйымдылық шегі ~210 ТБ.
Бұл жазу жылдамдығындағы “тар мойынды” жоюға маңызды қадам болды.
Расталған параметрлер
Сыйымдылық. Ғылыми демонстрациялар ~360 ТБ дейін бір 12 см дискке сыйғызуды көрсетті (ORC, 2013). Кейінгі инженерлік есептеулер (2021) бұл шекті ~500 ТБ-қа дейін жеткізеді. “Нақты жазылған көлем” мен “есептелген сыйымдылықты” ажырата білу маңызды.
Ұзақмерзімділік және беріктік. Кварц шынысы коррозияға төзімді, оптикалық және термиялық зақым шегінің жоғары деңгейіне ие. 5D-наноқұрылымдар үшін ~1000 °C дейінгі тұрақтылық және бөлме температурасында “шексіз” қызмет ету мерзімі мәлімделген (деградация модельдері миллиардтаған жылдық көкжиектерді көрсетеді). Академиялық еңбектер төмен шығынды құрылымдардың көпқабатты оқылым үшін маңызын атап өтеді.
Жазу жылдамдығы. Тарихи тұрғыда — ондаған/жүздеген кБ/с. 2021 жылдан бастап ~10⁶ воксел/с (~230 кБ/с); 2025 жылы параллель жазу әдістері жылдамдықты мегабайттар деңгейіне жеткізуге жақындатты. Оқу жылдамдығын да арттыру және стандарттау қажет.
Тасымалдаушының сыртқы түрі және нақты қолжетімділігі
Тасымалдаушы — мөлдір кварц шынысынан жасалған диск немесе пластина (көбінесе 12 см “CD форматы” немесе одан да кіші үлгілер), сырт көзге көрінетін өрнексіз “кристалл” сияқты. Деректер көлем ішінде орналасады және поляризациялық микроскоп арқылы көрінеді. 2016–2025 жылдары Саутгемптон университеті демонстрациялық суреттер көрсетіп отырды; 2024 жылы “геном жазылған кристалл” ұсынылды.
Коммерцияландыру ORC-пен байланысты SPhotonix спин-офф компаниясы арқылы жүзеге асуда: “5D Memory Crystal” ұзақмерзімді деректер тасымалдаушысы ретінде ұсынылады (жүздеген ТБ дейін) және архивтеу қызметі ретінде де қарастырылады. Бірақ деректер орталықтарында кеңінен қолдану жазу жылдамдығының төмендігі және бірыңғай оқырмандар экожүйесінің жоқтығымен тежелуде.
Классикалық оптикалық дискілерден айырмашылықтары
Беттік емес, көлемдік жазу: шыны ішінде мыңдаған қабаттар, ал беткі жағы тегіс қалады. Бір вокселде бірнеше бит кодтау (бағыт + кідіріс). Материалы — кварц шынысы, химиялық және термиялық тұрақтылығы ерекше (поликарбонат емес). Техника өзгеше: жазу мен оқу үшін фемтосекундтық лазерлер және жоғары дәлдікті поляризациялық оптика қажет.
Негізгі дереккөздер
Шыныда 3D-жазудың негізі — Optics Letters (Mazur et al., 1996).
Плазмондық жүйелерде алғашқы “5D-жазу” — Nature (Zijlstra, Chon, Gu, 2009).
Шыныда анизотропияның өздігінен ұйымдасуы — Advanced Materials (Shimotsuma, Hirao, Kazansky, 2010).
Кварцтағы алғашқы 5D-жазу және оқу — ORC/OSA (2013) және байланысты мақалалар.
Ұзақмерзімділікті көрсету — Саутгемптон университетінің материалдары (2016, 2018).
Жазу жылдамдығы мен тығыздықты арттыру — Optica (2021), Laser & Photonics Reviews (2022), Science Advances (2025).
Қолданбалы демонстрациялар (архивтер/геном) — Саутгемптон университетінің баспасөз материалдары (2024).
Шектеулер мен ашық сұрақтар
Жылдамдық және құн. Жаңа әдістерге қарамастан, бір дискіні толық жазу үшін әлі де апта немесе ай қажет; жабдық қымбат және күрделі.
Оқу және стандарттау. Жаппай қолданылатын оқырмандар жоқ; оқу үшін зертханалық деңгейдегі поляризациялық микроскопия қажет. Формат пен кодтауда индустриялық стандарттар жоқ.
Деректер инфрақұрылымына интеграция. Дата-орталықтар үшін автоматтандыру, интерфейстер, қателерді түзету және жылдам валидация маңызды. Зерттеулер жалғасуда (мысалы, LPR-2022 “қатесіз жазу” бойынша), бірақ экожүйе әлі қалыптасу кезеңінде.
COSMIC контексіндегі философиялық интеграция
5D-жад тек инженерлік жаңалық емес, сонымен қатар COSMIC үшін маңызды принципті жүзеге асырады: мән құрылымның энтропия мен уақытқа төзімділігінде. Наноқұрылымдалған шыны адамзаттық дәуірлерден асатын уақыт көкжиектерінде айырмашылықтарды бекітуге мүмкіндік беретін материалдық технологияны ұсынады.
Бұл “жад” ұғымын қысқа мерзімді тасымалдаушыдан уақытқа қарсы тұратын форма санатына көшіреді. COSMIC үшін маңыздысы — тек терабайттар көлемі емес, мағынаны уақыт ағынында жоғалтпастан бекіту мүмкіндігі.
Жүйе үйлесімділік талап еткенде, форма шекараны анықтайды; 5D-жад мұндай шекараны материяда жүзеге асыруға болатынын көрсетеді.
Қорытынды
Наноқұрылымдалған кварц шынысындағы бесөлшемді оптикалық жад — нақты ғылыми-тәжірибелік технология, кең әдебиетпен және демонстрациялармен расталған (1996–2025). Оның артықшылықтары — шектен тыс ұзақмерзімділік және өте жоғары тығыздық әлеуеті; әлсіз жақтары — жазу жылдамдығының төмендігі, күрделілігі және стандартталған оқырмандардың жоқтығы. 2025 жылғы параллель жазу әдістері оны ғасырлық архивтеу саласына жақындатты.
COSMIC үшін бұл “тағы бір тасымалдаушы” емес, уақыт пен ортадан тәуелсіз мағыналарды сақтап қалуға мүмкіндік беретін техникалық негіз.
Қысқаша: неге мұнда COSMIC. COSMIC айырмашылықтарды сақтайтын формалармен жұмыс істейді; 5D-жад — осындай форманың материяда жүзеге асқан сирек мысалы.