Par Richard Black
Les points clés des avancées :
- Microsoft Research publie dans la revue scientifique Nature, une avancée majeure sur le stockage de données sur verre, une technologie susceptible de préserver l’information pendant 10 000 ans. La nouvelle technique étend cette technologie au-delà du coûteux verre de silice fondue pour l’appliquer à un verre borosilicaté ordinaire, le même matériau que l’on trouve dans les plats en verre de cuisine et les vitres de four. Ces innovations permettent une écriture parallèle plus rapide, des lecteurs simplifiés (une seule caméra au lieu de trois) et une fabrication plus aisée.
- La méthode des voxels de phase ne requiert qu’une seule impulsion laser, réduisant considérablement la complexité et les coûts.
La préservation à long terme des données numériques constitue depuis longtemps un défi pour les archivistes et les centres de données, car les bandes magnétiques et les disques durs se dégradant en quelques décennies. Les solutions de stockage d’archives existantes ont une durée de vie limitée, ce qui les rend moins adaptées à la préservation des données pour les générations futures.
Microsoft est fier d’annoncer des progrès significatifs dans le cadre du Project Silica, notre initiative visant à coder des données dans du verre à l’aide de lasers femtoseconde, une technologie susceptible de préserver les données pendant 10 000 ans. Le verre est un matériau de stockage permanent, résistant à l’eau, à la chaleur et à la poussière.
Dans la revue scientifique Nature, nous décrivons une avancée qui étend la technologie au-delà du verre de silice fondue, un matériau onéreux et disponible en quantités limitées, pour l’appliquer à un verre borosilicaté ordinaire. L’utilisation d’un support plus répandu et meilleur marché – le même que celui utilisé pour les plats en verre de cuisine et les vitres de four – permet de lever deux obstacles majeurs à la commercialisation : le coût et la disponibilité du support de stockage.
Microsoft a trouvé le moyen de réaliser une écriture parallèle à grande vitesse et a mis au point une technique autorisant des tests de vieillissement accéléré sur le verre gravé, ce qui laisse à penser que les données devraient rester intactes pendant au moins 10 000 ans. Stocker des données à l’intérieur du verre à l’aide d’impulsions de laser femtoseconde est l’une des rares technologies émergentes offrant la perspective d’un stockage durable, inaltérable et de très longue durée. Bien que nous soyons à la pointe de l’innovation dans ce type de stockage depuis des années, avant ces travaux la technique ne fonctionnait qu’avec du verre de silice fondue pur, un type de verre relativement difficile à fabriquer et n’étant fourni que par quelques fabricants.
Dans l’article publié dans la revue Nature, nous montrons comment les données peuvent être stockées dans du verre borosilicaté. La nouvelle méthode permet de stocker des centaines de couches de données dans une plaque de verre de seulement 2 mm d’épaisseur, comme pour les méthodes précédentes, tout en apportant des améliorations déterminantes. Le système de lecture des données dans le verre n’a désormais besoin que d’une seule caméra, et non plus trois ou quatre, réduisant le coût et la taille. De plus, les dispositifs d’écriture nécessitent moins de composants, ce qui les rend plus faciles à fabriquer et à calibrer, et permet de coder les données bien plus rapidement.
Principales découvertes scientifiques
L’article publié dans Nature détaille plusieurs découvertes scientifiques majeures :
Avancées dans l’écriture de voxels biréfringents : Pour l’ancienne méthode de stockage de données dans du verre de silice fondue utilisant des voxels biréfringents (c’est-à-dire reposant sur la polarisation), nous avons développé une technique réduisant le nombre d’impulsions à la formation d’un voxel de plusieurs impulsions à seulement deux. Nous avons ainsi montré de manière décisive que la polarisation de la première impulsion n’influe pas sur la polarisation du voxel formé. Nous avons ensuite perfectionné cette technique en introduisant une écriture dite « pseudo-impulsion unique », dans laquelle une seule impulsion peut être divisée après avoir fixé sa polarisation de façons à former simultanément la première impulsion d’un voxel (où la polarisation n’a pas d’importance) et la seconde impulsion d’un autre (où la polarisation définie est essentielle). Nous avons démontré que cette écriture « pseudo-impulsion unique » permet une gravure rapide par balayage du faisceau laser à travers le support.
Voxels de phase, une nouvelle méthode de stockage : Nous avons inventé un nouveau type de stockage de données dans le verre, appelé « voxel de phase ». Au lieu de modifier la polarisation du verre, ce procédé agit sur son changement de phase, et nous avons démontré qu’une seule impulsion laser suffit à créer un voxel de phase. Nous avons également montré que ces voxels de phase peuvent être formés dans du verre borosilicaté et avons mis au point une technique pour lire les informations de phase à partir de voxels de phase encodés dans ce matériau. Par ailleurs, nous avons démontré que l’importante interférence inter-symbole tridimensionnelle propre aux voxels de phase peut être compensée par un modèle de classification fondé sur l’apprentissage automatique.
Capacités d’écriture parallèle : En combinant un modèle mathématique de préchauffage et de post-chauffage du verre avec l’invention d’un système à multifaisceaux, nous avons montré qu’il était possible d’écrire simultanément de nombreux voxels de données proches les uns des autres dans le verre, augmentant considérablement la vitesse de gravure.Nous avons également mis au point une méthode utilisant les émissions lumineuses (un effet secondaire de la formation des voxels) pour effectuer à la fois un étalonnage statique et un contrôle dynamique, permettant de piloter automatiquement les opérations de gravure.
Optimisation et tests de longévité : Nous avons développé une nouvelle nanière d’optimiser le codage des symboles à l’aide de technique d’apprentissage automatique ainsi qu’une meilleure approche pour comprendre le compromis entre le taux d’erreur, la protection contre les erreurs et la récupération des erreurs lors de l’évaluation de nouveaux systèmes de stockage numérique. Nous avons également créé une nouvelle méthode optique non destructive pour détecter le vieillissement des voxels de données dans le verre. Cette méthode, combinée à des techniques standard de vieillissement accéléré, nous a permis de confirmer que les données peuvent être préservées pendant 10 000 ans. Enfin, nous avons étendu les codes de Gray standard de l’industrie afin de les appliquer à des ensembles de symboles dont la taille n’est pas une puissance de deux.
Preuves de concept de la technologie
En tant que projet de recherche, Project Silica a illustré ces avancées au travers de plusieurs preuves de concept : le stockage du film « Superman » de Warner Bros. sur du verre de quartz, un partenariat avec Global Music Vault pour préserver de la musique sous la glace pendant 10 000 ans, ainsi qu’un travail avec des étudiants autour de Project « Golden Record 2.0 », une archive numérique d’images, de sons, de musique et de langues parlées, constituée de façon participative pour représenter et préserver la diversité de l’humanité pour les millénaires à venir.
Perspectives
La phase de recherche est désormais achevée. Nous continuons à tirer parti des enseignements de Project Silica alors que nous explorons le besoin continu de solutions durables pour la préservation long terme des données numériques. Cet article a été intégré à nos publications afin que d’autres chercheurs puissent s’appuyer sur ces résultats.
Travaux connexes
Project Silica a réalisé des avancées scientifiques dans de multiples domaines au-delà de la gravure directe par laser (LDW) dans le verre, notamment la conception de systèmes de stockage d’archives, l’analyse de flux de travail d’archivage, la robotique de centres de données, le codage par effacement, les composants optiques en espace libre et des méthodes de décodage des symboles fondées sur l’apprentissage automatique pour les systèmes de stockage. Bon nombre de ces innovations ont été décrites dans notre publication ACM Transactions on Storage en 2025.