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为了让你的硬盘资源能完善地传给曾曾曾孙,科学家想到了这些手段
作者:186 发布日期:2020-06-28

原标题:为了让你的硬盘资源能完善地传给曾曾曾孙,科学家想到了这些手段

撰文 | Mirror

来源 | 把科学带回家(ID:steamforkids)

在今天这个新闻爆炸的时代,吾们每天都在制造壮大的数据量 (2.5×10^16字节),绝大众数新闻都被遗忘在了洪流之中,少顷即逝,但也有不少新闻,吾们期待能不息保存下往,留给一代又一代后人。

这个世界上有各栽各样的新闻载体,从远古的壁画、传统的纸张书籍,到近代发明的磁带、胶卷,再到当代的光盘、硬盘、U盘。新闻蓄积的载体变得越来越容易,容量还越来越大,而且能蓄积的数据也更众样化。但吾们真的能坦然地把原料都交给它们吗?在回应这个题目之前,吾们先让晓畅一下这些存储设备是如何记录新闻的。

把图书馆装进火柴盒

现在的吾们能把以前必要一个图书馆才能记录下的新闻,统统装进一个不到巴掌大的硬盘中。

这总共最先要归功于 二进制的新闻编码手段,不论是文字、图像依旧声音,都能够用0和1来编码,固然只有两栽数字,但只要不控制位数就能有无穷栽配相符手段,重要的是,如许浅易的说话能让“肚子里没墨水”的机器轻盈读懂。接下来就要考虑用什么来代外0和1。

磁化新闻原理暗示图 | TED-Ed

磁带和死板硬盘就是行使众数个微弱的“磁铁”来编码新闻的。 磁化和往磁化的过程是可反的,所以这类磁存储载体既能够一再读写。

睁开全文

死板硬盘(左)与固态硬盘内部组织(右)

读取更快的 固态硬盘则与 死板硬盘迥异,是议定载体的每个单元是否存在电子来定义0和1的。U盘等存取迅速的闪存设备也是基于此原理。 还有行家熟识的光盘,顾名思义,是行使载体的光学特性来记录新闻的—— 反射光的区域定义为1,不反射则定义为0。

CD(左)和DVD(右)的微不益看组织,后者的新闻密度更大 | 大英百科全书

光盘亮闪闪的那面涂的是一层反光原料,刻录新闻时,激光会烧失踪片面单元格上的反光原料,展现底下的吸光原料,这些不反射光的区域就是“0”所在的位置。烧失踪的片面清淡是不能反的,这就是为什么很众光盘只能一次性记录新闻,而无法重复读写 (也有可重复擦写的光盘,如CD-RW)。

还能更幼?

晓畅了上述新闻存储原理,你就会发现缩短这些新闻载体大幼的关键在于 如何缩短编码0或1,即1字节的基本单元。

1951年的磁带机(左)和现在的SD卡(右)| TEDx

现在你拿在手中轻幼的磁带,在1951年依旧台比洗衣机还笨重的 磁带机,其中的金属磁带每厘米只能蓄积50字节新闻,1吨重的机身仅编码了一首MP3歌弯。相比之下,现在一个指甲盖大幼的SD卡都能蓄积上百GB的新闻,十足能够当一个移动幼影院。

但科学家并不会止步于此,实验室中的新闻存储单元大幼几乎已经逼近极限—— 单原子程度。

2016年,荷兰科学家以 单个氯原子为基本单元来编码数据 (有氯原子的位置是“1”,异国是“0”),成功蓄积了1KB数据。行使这项技术,理论上, 可在一枚邮票大幼的面积上蓄积60TB数据。

纳米尺度的硬盘上用氯原子编码了物理学家理查德·费曼演讲中的一段话 | F. E.Kalff, et al. (2016)

2018年,科学家又做到了议定转折 单个钴原子的磁性(转折绕核电子的运脱手段),来编码数据。这将使硬盘的体积 缩短到现在的千分之一,甚至更众。

在扫描隧道显微镜下用探针处理单个原子的模拟图

然而像如许存储新闻,你必要行使 扫描隧道显微镜在 超真空和超矮温环境下做事,门槛隐微高得不确实际。

把新闻蓄积载体变幼,吾们已经做到相等极致了,但在另一方面—— 新闻保存期限上,这些高科技设备甚至还不如传统新闻存储载体。清淡死板硬盘行使3~5年就能够损坏,光盘能够保存10~25年,闪存设备包括U盘和固态硬盘则会随着读写次数的增补,徐徐患上“失忆症”。

望似过时的磁带依旧在数据备份中扮演重要角色

而望似被时代屏舍的磁带 在理想条件下却能保存30~50年,所以像谷歌如许引领科技前沿的巨头依旧会行使磁带备份重要数据。书籍中简浅易单的白纸暗字更是能够传递数个世代,只要保存正当,500年后依旧能坦然无恙。

但纸如许的载体毕竟依旧薄弱,一场火灾就会灰飞烟灭。而且还占地方,谁不想把沉甸甸的书包换成一个容易的pad?

难道说,载体的新闻存储容量和新闻保存期限真就没法兼得吗?

倒也不是,近年来科学家们在这方面已经取得了一些挺进,话题榜只不过还没完善,下面这两栽手段也许能成为保存人类雅致的期待。

5D光盘睁开新维度

2013年,英国南安普顿大学的科学家用 飞秒激光在玻璃盘的3维空间组织中打出一系列极幼的点,将300KB的新闻蓄积在其中。现在他们已经把这栽玻璃盘的 新闻存储能力升迁到了300TB!

刻录下书籍的5D光盘必要在显微镜下浏览

既然5D光盘和清淡光盘相通,都是用激光来刻录数据,那它又有什么稀奇之处?清淡光盘记录新闻只是“流于形式”,即只有二维程度,而这个“5D光盘”听首来固然和“5D电影”相通有噱头之嫌,但起码它的确能在 立体空间维度(3D)记录新闻。

剩下两个维度,一个指的是 不益看察的角度,另一个是 显微镜的放大率。在5D光盘中,从纳米级别的微不益看程度到直不益看肉眼可见的宏不益看程度都记录了新闻, 不益看察者议定迥异角度和迥异放大倍数,能够从中读掏出迥异新闻。

5D光盘的众维新闻处理

但5D光盘更难得之处在于它的 耐久性,石英玻璃材质和形式的聚相符物珍惜层使它对化学和物理迫害都具有很强的退守力。钻研者基于实验首先认为, 它在室温下的保存时间几乎是无穷的,即使是在189 °C的高温环境中,也能活到宇宙现在的年龄(138亿年)!

2018年,5D光盘被用于人类数据备份计划(Arch Mission Foundation) | archmission

现在,微柔、日立等大公司还在致力于发展这项技术。异日,5D光盘也许能像以前旅走者号金唱片相通,承载着人类的雅致,飞向宇宙。

在世的移动硬盘

其实论存储新闻的本领,任何载体都不敷组成吾们的细胞,更准确地说是细胞核中的DNA。固然生物个体会逝往,遗体会被分解, 但DNA中的基因却议定复制重组,一代又一代地流传下往。从冰封的远古遗体,抑或是当代生物的DNA中,吾们依旧能解析出史前先人的某些特征。

DNA的新闻存储能力也毫不失神——在肉眼十足望不到的细胞核中,带有A(腺嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、C(胞嘧啶)、G(鸟嘌呤)四栽迥异碱基的脱氧核苷酸,以迥异的挨次排成DNA长链,编码了一个生物体的一生。

以人体基因组为例,其中含有 超过30亿个碱基对,这总共都保存在直径仅几微米的细胞核中。倘若将这些A、T、C、G以平常字体大幼写在A4纸上, 消耗的A4纸垒首的高度相等于40层楼高!

从这些层面望,大自然也许早已为吾们准备益了最佳新闻存储载体。科学家们从中获得启迪,尝试主动在DNA中编写新闻。他们 将A、T、C、G碱基以二进制编码,然后将数字化的文字新闻翻译成碱基序列,再相符成DNA序列,就实现了数字新闻与生物新闻之间转化。只要测个序,就能解读出其中的新闻。

用二进制编码碱基 | TED-Ed

但裸露的DNA依旧相等薄弱,所以钻研者给它们穿上了二氧化硅外壳,制成 人工化石,以达到永远保存的现在标。他们让这幼我工化石在70℃的高温中保存了一周,再读守新闻,首先依旧坦然无恙。

不光是文字,科学家已经成功地将电影编码进人工相符成的DNA,而且理论上能够将人类有史以来拍摄的所有电影全都塞进一个幼幼的DNA人工化石中。

然而,如许保存DNA并异国十足表现出它的上风—— 可遗传性。

固然吾们也能议定PCR技术人工复制数以万计的DNA,但手动备份一定不如主动备份及时省事,而且细菌等微生物的滋生扩散速度惊人,子子孙孙无穷尽也, 即使展现DNA突变,科学家也能用算法矫正新闻。

实际上,哈佛大学的科学家在2017年已成功行使CRISPR-cas9基因编辑技术将一部短片编码到了大肠杆菌的基因组中, 制造出了“细菌硬盘”,而且还能将新闻遗传给下一代。

原首画面和从细菌DNA中解析出的画面 | Shipman, S. L. et al. (2017)

即使有镇日地球变得不再正当人类生存,这些承载了人类雅致的微生物还能以睡眠状态熬过极端环境,甚至进入太空,通知这个宇宙——人类曾无比鲜艳地存在过。

本文经授权转载自“把科学带回家”(ID:steamforkids),如需转载请有关kids@huanqiukexue.com。

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