Băng cassette ADN và kim cương: Lời giải cho lưu trữ dữ liệu thời AI
Sự bùng nổ của trí tuệ nhân tạo (AI) và mạng xã hội đang tạo ra nhu cầu lưu trữ dữ liệu khổng lồ, vượt xa khả năng đáp ứng của các thiết bị như ổ cứng từ tính.
Để giải quyết nút thắt về không gian lưu trữ thông tin, các nhà khoa học trên toàn cầu đang dồn lực phát triển những phương pháp độc đáo nhằm bảo tồn kho tàng kiến thức kỹ thuật số của nhân loại khỏi nguy cơ bị xóa sổ.
Cơn khát lưu trữ dữ liệu
Theo ước tính, tổng lượng hình ảnh, video, văn bản và các loại dữ liệu khác được tạo ra trên toàn thế giới đã chạm mốc 181 zettabyte vào năm 2025. Để dễ hình dung, con số này tương đương với khoảng 70 tỉ bộ phim độ phân giải cao dài hai giờ đồng hồ.
Lượng thông tin khổng lồ này đã tăng gấp đôi chỉ trong vòng 4 năm qua nhờ sự ra đời của các công cụ thuật toán tạo sinh và dòng chảy nội dung không ngừng trên các nền tảng mạng xã hội.
Dữ liệu hiện được ví như nguồn dầu mỏ của thế kỷ 21, mang giá trị vô giá cho sự phát triển kinh tế và nghiên cứu khoa học. Việc sử dụng lượng lớn văn bản và hình ảnh để huấn luyện thuật toán sẽ tạo ra những hệ thống thông minh xuất sắc. Tương tự, các nhà bán lẻ cũng phân tích thông tin định vị và lịch sử duyệt web để thấu hiểu thị hiếu của khách hàng. Tuy nhiên, phần lớn những thông tin quý giá này lại không được ghi nhận và lưu giữ lâu dài.
Giáo sư Yoichiro Tanaka từ Đại học Tohoku, người từng làm việc trong mảng phát triển ổ cứng tại Toshiba, nhận định các trung tâm lưu trữ trong tương lai sẽ chỉ đủ sức chứa một phần rất nhỏ trong tổng lượng thông tin đang được tạo ra. Chi phí chính là rào cản lớn nhất. Các thiết bị hiện tại như ổ cứng và bộ nhớ flash tiêu thụ một lượng điện năng khổng lồ. Tuổi thọ của chúng cũng chỉ kéo dài khoảng một thập kỷ, kéo theo hàng loạt chi phí sửa chữa hoặc thay mới vô cùng tốn kém.
Khác với các phương tiện cổ đại như bia đá hay giấy mực có thể tồn tại hàng thiên niên kỷ nếu được bảo quản đúng cách, công nghệ hiện đại tỏ ra khá yếu kém trong việc lưu trữ dài hạn. Các chuyên gia đã cảnh báo rằng thế kỷ XXI có thể bị thế hệ tương lai nhìn nhận như một "kỷ nguyên đen tối kỹ thuật số" khi mọi hồ sơ và ghi chép đều bị mất sạch.
Một đại diện của Thư viện Quốc gia Nhật Bản chia sẻ một thực tế trớ trêu rằng các thế hệ thiết bị lưu trữ mới ra đời sau mỗi 3 -5 năm, khiến chúng ta không thể tiếp tục sử dụng các thiết bị cũ để đọc và ghi thông tin. Việc né tránh viễn cảnh này đòi hỏi các nhà khoa học phải tạo ra những vật liệu siêu bền và phương tiện đọc dữ liệu có sức sống vượt thời gian.
Giải pháp lưu trữ dữ liệu từ ADN, tinh thể và kim cương
Để đối phó với thực trạng trên, các nhà nghiên cứu đang dồn lực phát triển các vật liệu có khả năng chứa khối lượng lớn thông tin. Năm ngoái, một nghiên cứu đăng trên tạp chí Science Advances đã giới thiệu một phương pháp thu hút sự chú ý của những người yêu âm nhạc: băng cassette ADN. Các nhà khoa học từ Đại học Khoa học và Công nghệ Phương Nam của Trung Quốc đã phủ ADN tổng hợp lên một dải băng nhựa, mã hóa dữ liệu thành các chuỗi dài dựa trên bốn loại bazơ nitơ.
Theo lý thuyết, định dạng này có thể chứa khối lượng dữ liệu lên tới 36 petabyte trên một cuộn băng duy nhất. Mức dung lượng này chứa được tối đa 3 tỉ bài hát, thay vì chỉ vài chục bài như trên những cuộn băng từ tính thông thường.
Phương pháp này cũng mang lại độ bền cực cao. Giáo sư Jiang Xingyu, một thành viên của nhóm nghiên cứu, cho biết nhờ lớp bảo vệ chứa các ion kẽm, khối thông tin này có thể được bảo quản an toàn ở nhiệt độ phòng trong hơn 300 năm. Nhóm hiện đang tìm cách tăng tốc quá trình đọc ghi và hợp tác với các doanh nghiệp để sớm đưa công nghệ này ra thị trường.
Trong khi đó, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc lại nhắm đến kim cương như một giải pháp thay thế. Theo báo cáo trên tạp chí Nature Photonics năm 2024, các nhà khoa học đã sử dụng những viên kim cương dài vài milimet và dùng tia laser để loại bỏ từng nguyên tử carbon đơn lẻ. Các khoảng trống tạo ra được dùng để chứa dữ liệu, sau đó được giải mã dựa trên mức độ sáng khác nhau của từng vị trí.
Với kỹ thuật này, một centimet khối kim cương có thể lưu trữ 1,85 terabyte với độ chính xác lên đến 99%. Một chiếc đĩa kim cương dày 1,2 milimet với đường kính 12 centimet sẽ có dung lượng gấp khoảng 2 nghìn lần một chiếc đĩa Blu-Ray cùng kích cỡ. Nhóm nghiên cứu của giáo sư Du Jiangfeng khẳng định nhờ độ cứng và độ bền đặc trưng của vật liệu này, thông tin có thể được lưu giữ nguyên vẹn hàng triệu năm mà không cần bất kỳ biện pháp bảo quản nào.
Đóng góp vào nỗ lực chung, các nhà khoa học tại Đại học Chicago đã ứng dụng công nghệ lượng tử để lưu trữ hàng terabyte thông tin vào một tinh thể oxit dài 1 milimet chứa các ion đất hiếm. Báo cáo trên tạp chí Nanophotonics năm ngoái giải thích rằng họ đã dùng tia laser cực tím để kích thích các ion giải phóng electron.
Những electron này bị mắc kẹt lại trong các khiếm khuyết tự nhiên của tinh thể. Bằng cách tích điện cho một số vị trí khiếm khuyết nhất định và giữ nguyên các vị trí khác, nhóm nghiên cứu có thể lợi dụng hiện tượng vật lý này để mã hóa thành công những tập dữ liệu khổng lồ.
