Що таке «5D» оптична пам’ять
Термін «5D» не означає фізичного «п’ятого виміру». Він описує метод кодування, за якого кожен елемент запису — воксел — зберігає дані у п’яти ступенях свободи: трьох просторових координатах (X, Y, Z) та двох оптичних параметрах анізотропії — орієнтації «повільної осі» (slow-axis azimuth) та величині оптичної затримки (retardance).
Ці параметри виникають завдяки самоорганізованим наноструктурам (наноламелі/наногратки), що формуються під час фокусування фемтосекундного лазера всередині об’єму кварцового скла.
Зчитування здійснюється за допомогою поляризаційної мікроскопії, яка для кожного воксела формує карту орієнтацій та затримок.
Як це працює: фізика та технологія
Запис. Ультракороткі (~10⁻¹⁵ с) імпульси лазера фокусуються всередині скла, створюючи в мікрооб’ємі орієнтовані наноструктури. Керуючи поляризацією та інтенсивністю променя, можна незалежно встановлювати орієнтацію та затримку, мультиплексуючи кілька бітів в одному вокселі.
Перші реалізації використовували послідовний метод «скануючого» запису; пізніше з’явилися схеми з просторовими модуляторами (SLM) та паралельним проектуванням за допомогою DMD (цифрового мікродзеркального пристрою).
Зчитування. Завдяки двопроменезаломлювальним властивостям структур параметри зчитуються поляризаційними вимірюваннями (мікроскоп + аналізатор затримки) без пошкодження носія. У 2013–2016 рр. вперше було продемонстровано повний цикл «запис–зчитування» цифрових файлів.
Походження та хронологія
— 1996, Гарвард (Mazur та співавт.): вперше продемонстровано тривимірний запис у прозорих матеріалах за допомогою фемтосекундних імпульсів — теоретична та експериментальна основа сучасних 5D-технологій.
— 2009, Свінберн (Gu, Zijlstra, Chon): перший «п’ятивимірний запис» у плазмонному середовищі (золоті нанострижні); показано можливість багатовимірного кодування (простір + поляризація + довжина хвилі).
— 2010, Кіото/Саутгемптон (Hirao, Kazansky та ін.): ультрашвидке керування формною анізотропією у склі (самоорганізовані наногратки), що зробило реальністю багатобітний запис у кварці.
— 2013, Університет Саутгемптона (ORC, P. G. Kazansky): перша демонстрація власне 5D-запису та зчитування цифрового файлу у склі; орієнтація повільної осі та оптична затримка стали «четвертою» і «п’ятою» координатами поверх XYZ. Заявлені можливості: до ~360 ТБ на диск, стійкість до ~1000 °C, «практично необмежений» термін зберігання за кімнатної температури.
— 2016, ORC: популяризація концепції «Eternal 5D data storage» з акцентом на довговічність та зчитуваність за допомогою поляризаційної мікроскопії.
Основні віхи після становлення
— 2018: «5D-кристал» позиціонується як носій для довготривалого архівування; показовий приклад — запис архіву на кварцовий кристал для космічного запуску (місія Falcon Heavy/Tesla Roadster) як символ надзвичайної довговічності.
— 2021: метод високошвидкісної анізотропної наноструктуризації (Optica): швидкість запису до ~10⁶ вокселів/с (~230 кБ/с), кодування 4 біти на воксел; експеримент проведено на диску формату CD. За розрахунками, такий диск може вмістити ~500 ТБ, але повний запис займає кілька місяців.
— 2022: «безпомилковий» 5D-запис на 100 шарах (Laser & Photonics Reviews): перехід до низьковтратних анізотропних нанопор (type-X), що покращує зчитуваність глибоких шарів і надійність багатошарових стеків.
— 2024: запис повного геному людини на 5D-кристал як демонстрація архівування цінних даних.
— 2025: паралельний 5D-запис «пакетами» вокселів за допомогою DMD-проекції (Science Advances, open-access): експериментально досягнута ємність ~1,5 ТБ на пластину ~5″; теоретична швидкість до ~7,5 МБ/с при лазерному підсилювачі 100 кГц; гранична ємність такого форм-фактора ~210 ТБ.
Важливий крок до усунення «вузького місця» швидкості.
Параметри, підтверджені дослідженнями
Ємність. Наукові демонстрації показують ємність до ~360 ТБ на диск 12 см (ORC, 2013). Пізніші інженерні розрахунки (2021) вказують потенціал до ~500 ТБ за оптимальної щільності. Важливо розрізняти «фактично записаний обсяг» і «теоретичну місткість».
Довговічність і міцність. Кварцове скло стійке до корозії та має високий поріг оптичних і термічних пошкоджень. Для 5D-наноструктур заявлено стабільність до ~1000 °C та «практично необмежений» термін зберігання за кімнатної температури (моделі деградації прогнозують горизонти у мільярди років). У науковій літературі підкреслюється важливість низьковтратних структур для надійного багатошарового зчитування.
Швидкість запису. Історично — десятки або сотні кБ/с. Із 2021 р. — до ~10⁶ вокселів/с (~230 кБ/с); у 2025 р. паралельні методи виводять швидкість на рівень мегабайтів за секунду. Зчитування також потребує прискорення та стандартизації.
Вигляд носія та реальна доступність
Носій — прозорий кварцовий диск або пластина (часто 12 см «під CD» або менші зразки), зовні схожий на тонкий «кристал» без видимих візерунків. Дані розташовані у всьому об’ємі та візуалізуються за допомогою поляризаційного мікроскопа. У 2016–2025 рр. Саутгемптон регулярно демонстрував зображення; у 2024 р. показано «кристал із записаним геномом».
Комерціалізація ведеться стартапом SPhotonix (пов’язаний з ORC): «5D Memory Crystal» позиціонується як довготривалий носій (до сотень ТБ) та сервіс архівування. Масового впровадження у дата-центрах поки немає через низьку швидкість запису та відсутність стандартизованих систем зчитування.
Чим 5D-пам’ять принципово відрізняється від класичних оптичних дисків
Об’ємний, а не поверхневий запис: тисячі шарів усередині скла замість «ямок» на поверхні. Мультибітність воксела завдяки орієнтації та затримці. Матеріал — кварцове скло з винятковою хімічною та термічною стабільністю (на відміну від полікарбонату). Інша техніка: потрібні фемтосекундні лазери та високоточна поляризаційна оптика для запису і зчитування.
Основні джерела
База для 3D-запису у склі — Optics Letters (Mazur et al., 1996).
Перша «5D-запис» у плазмонних системах — Nature (Zijlstra, Chon, Gu, 2009).
Самоорганізація анізотропії у склі — Advanced Materials (Shimotsuma, Hirao, Kazansky, 2010).
Піонерський 5D-запис і зчитування у кварці — ORC/OSA (2013) та серія статей ORC.
Демонстрації довговічності — матеріали Університету Саутгемптона (2016, 2018).
Прискорення запису та збільшення щільності — Optica (2021), Laser & Photonics Reviews (2022), Science Advances (2025).
Прикладні демонстрації (архіви/геном) — прес-матеріали Університету Саутгемптона (2024).
Обмеження та відкриті питання
Швидкість та вартість. Навіть із новими методами запис повного диска досі займає тижні чи місяці; обладнання дороге і складне.
Зчитування та стандартизація. Немає масових зчитувачів; зчитування досі потребує лабораторного обладнання з поляризаційною мікроскопією. Відсутні індустріальні стандарти формату та кодування.
Інтеграція в інфраструктури зберігання. Для дата-центрів важливі автоматизація бібліотек, інтерфейси, корекція помилок та перевірка на швидкості. Дослідження тривають (наприклад, LPR-2022 про «безпомилковість» на 100 шарах), але екосистема ще формується.
Філософська інтеграція в COSMIC
5D-пам’ять — не просто інженерна інновація, а втілення принципу, який COSMIC вважає фундаментальним: цінність зберігається там, де структура стійка до ентропії та часу. Наноструктуроване скло забезпечує матеріальну технологію, здатну фіксувати розрізнення на горизонтах, що перевищують людські епохи.
Це переносить «пам’ять» із категорії швидкоплинного носія у категорію форми, здатної існувати поза потоками оновлень і ринкових циклів. Саме тому для COSMIC важлива не лише кількість терабайтів, а можливість закріплювати смисл так, щоб він не розчинявся у часі.
Там, де система потребує сумісності, форма визначає межу; 5D-пам’ять демонструє, що така межа може бути реалізована у матерії.
Висновок
П’ятивимірна оптична пам’ять у наноструктурованому кварцовому склі — це реальна експериментальна технологія, підтверджена широкою літературою та демонстраціями (1996–2025). Її сильні сторони — надзвичайна довговічність і потенційно дуже висока щільність; слабкі — низька практична швидкість, складність і відсутність стандартизованих зчитувачів. Паралельні методи запису 2025 року наближають її до ніш довготривалого архівування.
Для COSMIC це не «ще один носій», а технічна опора там, де філософія потребує форми, яку не розмивають ні час, ні середовище.
Коротко: чому тут COSMIC. COSMIC працює з формами, що зберігають розрізнення; 5D-пам’ять — рідкісний приклад такої форми, втіленої у матерії.