Kas ir “5D” optiskā atmiņa
Termins “5D” nenozīmē fizisku “piekto dimensiju”. Tas apraksta kodēšanas metodi, kur katrs ieraksta elements — vokens — satur datus piecās brīvības pakāpēs: trīs telpiskajās koordinātēs (X, Y, Z) un divos optiskās anizotropijas parametros — lēnās ass virzienā (slow-axis azimuth) un optiskās aiztures lielumā (retardance).
Šie parametri rodas no pašorganizējošām nanostruktūrām (nanolamellām/nanorežģiem), kas veidojas, fokusējot femtosekunžu lāzeri kvarca stikla iekšpusē.
Datu nolasīšana tiek veikta ar polarizācijas mikroskopiju, kur katram vokenam tiek iegūta orientāciju un aiztures karte.
Kā tas darbojas: fizika un tehnoloģija
Ieraksts. Ļoti īsi (~10⁻¹⁵ s) lāzera impulsi tiek fokusēti stiklā, mikrotilpumā veidojot orientētas nanostruktūras. Kontrolējot stara polarizāciju un intensitāti, iespējams neatkarīgi iestatīt orientāciju un aizturi, multiplexējot vairākus bitus vienā vokenā.
Agrīnie risinājumi izmantoja secīgu “skenēšanas” rakstīšanu; vēlāk tika izstrādātas shēmas ar telpiskajiem modulātoriem (SLM) un paralēlo projekciju, izmantojot DMD (digitālo mikroskopisko spoguļu ierīci).
Nolasīšana. Struktūru dubultlūzuma īpašību dēļ parametrus nolasa ar polarizācijas mērījumiem (mikroskops + aiztures analizators), nesabojājot nesēju. 2013.–2016. gadā pirmo reizi tika pierādīts pilns digitālā faila “ieraksta–nolasīšanas” cikls.
Izcelsme un hronoloģija
— 1996, Hārvarda (Mazur un kolēģi): pierādīts 3D ieraksts caurspīdīgos materiālos ar femtosekunžu impulsiem — mūsdienu 5D pieeju teorētiskais un eksperimentālais pamats.
— 2009, Svīnberna (Gu, Zijlstra, Chon): pirmais “piecdimensiju ieraksts” plazmoniskā vidē (zelta nanostieņi); pierādīta daudzdimensionāla kodēšana (telpa + polarizācija + viļņa garums).
— 2010, Kioto/Sauthemptona (Hirao, Kazansky un citi): ultravētra forma anizotropijas manipulācija stiklā (pašorganizējošies nanorežģi), kas padarīja iespējamu vairāku bitu ierakstu kvarcā.
— 2013, Sauthemptonas Universitāte (ORC, P. G. Kazansky): pirmo reizi demonstrēts pilnvērtīgs 5D digitālā faila ieraksts un nolasīšana kvarca stiklā; lēnās ass virziens un aizture darbojas kā “ceturtā” un “piektā” komponentes virs XYZ koordinātēm. Deklarētie parametri: līdz ~360 TB uz disku, izturība līdz ~1000 °C, “praktiski neierobežots” kalpošanas laiks istabas temperatūrā.
— 2016, ORC: populāri izskaidrots “Eternal 5D data storage” ar uzsvaru uz ilgmūžību un lasāmību, izmantojot polarizācijas mikroskopiju.
Galvenie posmi pēc sākotnējās demonstrācijas
— 2018: “5D kristāls” tiek pozicionēts kā ilgtermiņa arhivēšanas nesējs; demonstratīvs piemērs — datu ierakstīšana kvarca kristālā un nosūtīšana kosmosā (Falcon Heavy/Tesla Roadster misijas ietvaros) kā izturības simbols.
— 2021: augstas ātruma anizotropās nanostrukturēšanas metode (Optica): rakstīšanas ātrums ~10⁶ vokeni/s (~230 kB/s), kodējot 4 bitus vienā vokenā; eksperiments uz CD formāta diska. Pēc aprēķiniem, šāda diska ietilpība ~500 TB, bet pilnīgai ierakstīšanai nepieciešami mēneši.
— 2022: “bez kļūdām” 100 slāņu 5D ieraksts (Laser & Photonics Reviews): pāreja uz zema zuduma anizotropajiem nanoporām (type-X), uzlabojot dziļo slāņu lasāmību un daudzslāņu ieraksta uzticamību.
— 2024: cilvēka pilna genoma ieraksts 5D kristālā kā augstvērtīgu datu arhivēšanas demonstrācija.
— 2025: paralēlais “vokenu pakešu” ieraksts, izmantojot DMD projekciju (Science Advances, atvērta pieeja): eksperimentāli sasniegta ~1,5 TB ietilpība uz ~5 collu plāksnes; teorētiskais ātrums līdz ~7,5 MB/s ar 100 kHz lāzera pastiprinātāju; šī formāta teorētiskā robeža ~210 TB.
Svarīgs solis rakstīšanas ātruma “pudeles kakla” pārvarēšanā.
Apstiprinātie parametri
Ietilpība.
Zinātniskās demonstrācijas rāda ietilpību līdz ~360 TB uz 12 cm disku (ORC, 2013). Vēlākie inženiertehniskie aprēķini (2021) paredz robežu līdz ~500 TB. Jānošķir “reāli ierakstītais apjoms” un “aprēķinātā ietilpība”.
Ilgmūžība un izturība. Kvarca stikls ir izturīgs pret koroziju, tam ir augsts optisko un termisko bojājumu slieksnis. 5D nanostruktūrām deklarēta stabilitāte līdz ~1000 °C un “praktiski neierobežots” kalpošanas laiks istabas temperatūrā (degradācijas modelēšana rāda miljardiem gadu ilgas robežas). Zinātniskā literatūra uzsver zema zuduma struktūru nozīmi daudzslāņu uzticamībai.
Rakstīšanas ātrums. Vēsturiski — desmitiem vai simtiem kB/s. Kopš 2021. gada — apmēram 10⁶ vokeni/s (~230 kB/s); 2025. gadā paralēlās rakstīšanas stratēģijas pietuvina ātrumu megabaitu sekundē līmenim. Nolasīšanai arī nepieciešama paātrināšana un standartizācija.
Nesēja izskats un reālā pieejamība
Nesējs ir caurspīdīgs kvarca stikla disks vai plāksne (bieži 12 cm “CD formāts” vai mazākas plāksnes), vizuāli līdzīgs plakanam “kristālam” bez redzamiem rakstiem. Dati ir izvietoti tilpumā un vizualizējami ar polarizācijas mikroskopu. 2016.–2025. gadā Sauthemptona regulāri demonstrēja attēlus; 2024. gadā tika prezentēts “cilvēka genoma kristāls”.
Komercializāciju veic ORC saistītais uzņēmums SPhotonix: “5D Memory Crystal” tiek pozicionēts kā ilgtermiņa datu nesējs (līdz simtiem TB) un arhivēšanas pakalpojums. Plaša izmantošana datu centros vēl nav notikusi: to kavē zems rakstīšanas ātrums un standartizētu nolasītāju trūkums.
Galvenās atšķirības no klasiskajiem optiskajiem diskiem
Tilpuma, nevis virsmas ieraksts: tūkstošiem slāņu stikla iekšpusē, nevis virsmas iedobumi. Daudzbitu kodēšana vienā vokenā (orientācija + aizture). Materiāls — kvarca stikls ar izcilu ķīmisko un termisko stabilitāti (atšķirībā no polikarbonāta). Tehnoloģiski nepieciešami femtosekunžu lāzeri un augstas precizitātes polarizācijas optika rakstīšanai un lasīšanai.
Galvenie avoti
3D ieraksta pamati stiklā — Optics Letters (Mazur et al., 1996).
Pirmais “5D ieraksts” plazmoniskajās sistēmās — Nature (Zijlstra, Chon, Gu, 2009).
Anizotropijas pašorganizācija stiklā — Advanced Materials (Shimotsuma, Hirao, Kazansky, 2010).
Pionieriskais 5D ieraksts un lasīšana kvarcā — ORC/OSA (2013) un saistītie raksti.
Ilgmūžības demonstrācijas — Sauthemptonas Universitātes materiāli (2016, 2018).
Rakstīšanas ātruma un blīvuma pieaugums — Optica (2021), Laser & Photonics Reviews (2022), Science Advances (2025).
Pielietojuma demonstrācijas (arhīvi/genoms) — Sauthemptonas Universitātes preses materiāli (2024).
Ierobežojumi un atvērtie jautājumi
Ātrums un izmaksas. Pat ar jaunajām metodēm pilna diska ierakstīšana joprojām prasa nedēļas vai mēnešus; aprīkojums ir dārgs un sarežģīts.
Nolasīšana un standartizācija. Masveida nolasītāju nav; nepieciešama augstas klases polarizācijas mikroskopija. Formāta un kodēšanas industrijas standarti vēl neeksistē.
Integrācija datu uzglabāšanas infrastruktūrā. Datu centriem būtiska ir automatizācija, saskarnes, kļūdu labošana un verifikācija reālajā laikā. Pētījumi turpinās (piemēram, LPR-2022 par “bez kļūdām” ierakstu 100 slāņos), taču ekosistēma vēl tikai veidojas.
Filosofiskā integrācija COSMIC kontekstā
5D atmiņa nav tikai inženiertehniska inovācija, bet arī COSMIC skatījumā iemieso principu: vērtība glabājas tur, kur struktūra saglabā stabilitāti pret entropiju un laiku. Nanostrukturētais stikls piedāvā materiālu tehnoloģiju, kas ļauj fiksēt atšķirības laika horizontos, kas pārsniedz cilvēces laikmetus.
Tas pārnes “atmiņu” no īslaicīga nesēja kategorijas uz formas kategoriju, kas spēj pastāvēt neatkarīgi no tirgus cikliem un tehnoloģiju atjauninājumiem. COSMIC interesē ne tikai terabaitu apjomi, bet arī iespēja nostiprināt jēgu tā, lai tā nepazustu laikā.
Tur, kur sistēma pieprasa savietojamību, forma nosaka robežu; 5D atmiņa pierāda, ka šī robeža var būt realizēta materiālā.
Piecdimensiju optiskā atmiņa nanostrukturētā kvarca stiklā ir reāla eksperimentāla tehnoloģija, kuru apstiprina plaša literatūra un demonstrācijas (1996–2025). Tās stiprās puses — ārkārtīga ilgmūžība un potenciāli ļoti augsta blīvuma iespējas; vājās puses — zemais praktiskais ātrums, sarežģītība un standartizētu nolasītāju trūkums. Paralēlās rakstīšanas metodes 2025. gadā tuvina to ilgtermiņa arhivēšanas nišām.
COSMIC skatījumā tā nav “vēl viena atmiņas ierīce”, bet tehniska bāze, kas ļauj saglabāt formas un nozīmes, kuras laiks un vide nespēj izdzēst.
Secinājums
Īsumā: kāpēc šeit ir COSMIC. COSMIC strādā ar formām, kas saglabā atšķirības; 5D atmiņa ir rets šādas formas piemērs materiālā.