Microsoft Silica Archivierungsmedien aus Glas

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Die Welt sucht nach Alternativen zu klassischen Archiv-Datenspeichern. Denn die halten relativ kurz und lassen sich schlecht rezyklieren. Nun hat Microsoft sein Project Silica offiziell auf dem Open Compute Summit 2023 vorgestellt und die Industrie aufgefordert, die nötigen Komponenten samt Software zu entwickeln.

Jede Keilschrift und jeder mittelalterliche Foliant übertreffen heute die digitalen „Langzeitspeicher“ um Dimensionen an Haltbarkeit. Denn selbst die am längsten haltbaren Speichermedien für digitale Daten geben kaum mehr her als vielleicht fünfzig Jahre.

Dann muss arbeitsaufwändig umgespeichert werden, oder die digitalen Schätze sind hin. Doch wegen ständiger Format- und Standardänderungen kann die tatsächliche Haltbarkeit von Daten auch erheblich verkürzt gegenüber der des Mediums sein.

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Zudem erzeugen gerade Festplatten mit rotierenden oder ohne rotierende Medien immense Abfallberge. Microsoft muss laut eigenen Aussagen jährlich Millionen Medien schreddern, um den Anforderungen an Datenschutz und -sicherheit seiner Azure-Kunden und der Gesetze gerecht zu werden. Das alles läuft dem Ziel, bis 2030 komplett nachhaltig zu werden, das sich der Digitalriese gesetzt hat, entgegen.

Andere Speicherwelten im Werden?

Allerdings gibt längst Überlegungen, wie man die bisherigen durch dichtere und langlebigere Speicher auf einer anderen, weniger umweltschädlichen Materialbasis ersetzen könnte. Schließlich explodieren die Datenmassen, und wir werden immer abhängiger von ihnen.

Insbesondere sind bisher zwei neue Speicherwelten angedacht: Man möchte Daten mit Aminosäuren in der DNA speichern – oder auf schlichtem Glas.

DNA-Speicher: verlockend, aber schwer umzusetzen

Die DNA-Speichertechnik erforscht in Deutschland unter anderem das Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-technische Trendanalysen (INT). Sie klingt im Prinzip verlockend: Die üblichen Aminosäuren codieren wie in der normalen DNA Nullen und Einsen. Der Speicher-DNA-Strang wird mit technischen Mitteln so zusammengesetzt, dass er die gewünschte Reihenfolge der Zeichen wiedergibt.

In einem Kubikmilliliter DNA ließen sich so 1 PByte Daten speichern. Ausgelesen würden sie von Gen-Sequenzierungsmaschinen, wie sie heute in Medizin und Genforschung eingesetzt werden. Gravierender Nachteil: Laut INT sind die „Verfahrensschritte aufwändig und teuer, schwer zu automatisieren und nur schwer in praktikabel nutzbare mobile Systeme einzubinden“. Kurz: Es spricht nicht viel dafür, dass ein solches System in absehbarer Zeit auf den Märkten zur Verfügung steht.

„Speicherhungrig“ – der Storage-Insider-Podcast, Folge 3

DNA als Datenspeicher – Zukunftsmusik oder Storage-Chance?

Speichern in Glas

Da sieht es bei der Datenspeicherung in Glasmedien schon besser aus. Microsofts Forschungsabteilung in Cambridge hat inzwischen im Rahmen seines Projekts Silica, das seit sechs Jahren läuft, ein komplettes Ökosystem mit allen dazugehörigen Komponenten und ihrem Zusammenspiel erdacht.

Damit sollen zunächst große Cloud-Rechenzentren ausgerüstet werden. Dabei sollten Speichermedien mindestens so lange halten wie das Rechenzentrum, in dem sie genutzt werden. Project Silica wurde auf einer Forschungstagung des Unternehmens 2022 der Öffentlichkeit vorgestellt.

Während des OCP Summit 2023 forderten Microsoft-Vertreter ganz offiziell die Branche auf, sich an die Entwicklungsarbeit zu beteiligen. Gebraucht werden Medien, Libraries, Laser, Mikroskope, Roboter und Software. Das alles würde zu einem solchen System gehören.

Schreiben in bis zu 200 Schichten

Wie sähe es konkret aus? Die Daten werden von einem Femtosekunden-Puls-Laser schichtweise ins Innere von Glasplatten geschrieben. Eine Femtosekunde ist der 10¹⁵te Teil einer Sekunde. Jeder Impuls erzeugt im Substrat eine Art Brennmal, das Microsoft als „Voxel“ bezeichnet.

Durch die wechselnde Polarisierung des Lasers sind die Voxel unterschiedlich orientiert. So passen mehrere Bits in ein Voxel. 100.000 Voxel bilden einen Sektor. In einem Glasmedium lassen sich bis zu 200 Schichten vom Laser einzeln ansteuern, die dann beschrieben werden.

Auf ein Speichermedium etwa in der Größe einer CD könnten so 7 TByte passen – das Maximum wurde laut Microsoft noch nicht ausgereizt. Die Kosten wären nicht höher als bei Tape, die Dichte wäre so groß wie bei der aktuellen LTO-Generation 9.

Auslesen mit Mikroskop und KI-Dekodier-Software

Die Daten werden mit einem polarisationssensitiven Mikroskop unter Tageslicht ausgelesen. Dabei wird das Licht durch die Voxel im Glas poliarisiert und die Polarisierung gemessen. Microsoft hat bereits gezeigt, dass sich alle Sektoren in einem gläsernen Speichermedium von einem sich bewegenden Lesekopf optisch auslesen lassen.

Die Dekodierung der Signale erfolgt mit einer KI-Software. Das Auslesen der Sektoren erzeugt jeweils mehrere Bilder. Aus diesen erzeugt die KI-Software Wahrscheinlichkeitsverteilungen für die Zeichen auf jedem Speichersektor. Dann durchläuft die Wahrscheinlichkeitsverteilung eine intelligente Fehlerkorrektur.

Daten komplett geschützt

Da die Daten unter der Oberfläche liegen, sind sie komplett geschützt vor Manipulation. Das könnte energieaufwändige kryptografische Sicherungs- und Schutzverfahren für Transaktionen wie Blockchain überflüssig machen. Wegen der Materialeigenschaften von Glas könnte ein solches Speichermedium zudem bei geringem Platzbedarf und Pflegeaufwand Jahrtausende halten, ohne während der Lagerung Strom zu verbrauchen.

Wird ein Speichermedium nicht mehr gebraucht oder geht es kaputt, kann man es einfach einschmelzen und zu einem neuen machen. Die gute Rezyklierbarkeit von Glas ist ja schon lange bekannt.

Handhabung per Roboter

Für die Handhabung hat sich Microsoft Speicherregale, sogenannte Media Storage Panels, ausgedacht. In diese Regale kommen grundsätzlich nur beschriebene Glasmedien. Sie lassen sich modular erweitern und haben an ihren Seiten Schienen. Auf diesen Schienen fahren Roboter entlang, die das jeweilige Medium aus dem Regal holen und zum Lesegerät bringen.

Jedes „Regalbrett“ hat dabei seinen Roboter, der die ganze Regallänge abfährt. Außerdem kann jeder Roboter dank eines speziellen Mechanismus von einer Schiene zur anderen wechseln. Das ist besonders hilfreich, wenn beispielsweise der Roboter auf einer Schiene kaputt oder beschäftigt ist, während der auf einer anderen nichts zu tun hat. Er kann dann auf die nun nicht bediente Schiene herüberwechseln und die dort anfallenden Aufgaben erledigen.

Individuelles Systemdesign möglich

Microsoft hebt eine weitere Eigenschaft hervor, die die Technik für Langfristarchive besonders sinnvoll macht: Je länger Daten gespeichert werden, desto seltener greift man auf sie zu. Oft werden große Mengen an Daten in Archive ein-, aber nur kleine Mengen ausgelesen. Gleichzeitig schwanken die Schreib- und Lesemengen von Archiv zu Archiv beträchtlich.

Dem kommt entgegen, dass Schreibgeräte, Lesegeräte und die Regale mit den beschriebenen Medien bei dem Systementwurf komplett unabhängig voneinander sind. Einem System lassen sich exakt so viele Schreib- oder Lesegeräte und Regalmeter hinzufügen, wie es für die jeweilige Umgebung sinnvoll ist. Ändert sich die Situation, können mehr oder weniger Schreib- oder Lesegeräte implementiert werden, oder man baut einen Regalmeter an – ganz wie es die Situation erfordert.

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Open-Source-Software als Cloud-Service

Gegen Datenverluste schützen moderne, Software-gestützte Verfahren. Die für die Datenspeicherung nötigen Software-Stacks stellt sich Microsoft als an die jeweilige Aufgabe angepasste elastische Cloud-Services vor. Da das Speichersystem von der Verarbeitungshardware unabhängig ist, wäre es auf diese Weise möglich, für jede Aufgabe die passende Compute-Hardware zu wählen oder mehrere Instanzen der Software zu nutzen, wenn viel Arbeit zu bewältigen ist.

Wie lange es dauern wird, bis aus diesen schon recht konkreten Ideen ein funktionierendes System geworden sein wird, lässt sich kaum sagen. Mit dem Vortrag während der OCP-Tagung hat Microsoft bereits einen ersten Schritt in Richtung Realisierung unternommen. Zeit wird es, denn der Klimawandel schreitet fort, und die Datenberge wuchern ungebremst weiter.

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