In der Cloud - oder doch in der DNA?

Auf der Suche nach neuen Speichermöglichkeiten im virtuellen Raum

Text: Sophie Hanak | aus HEUREKA 7/17 vom 06.12.2017

Bald ist Weihnachten. Das bedeutet für mich, das beliebteste Geschenk für die Verwandtschaft vorzubereiten: Fotobücher und Fotokalender. So muss ich aus rund tausend Fotos, die ich in diesem Jahr gespeichert habe, brauchbare auswählen und damit ein Album gestalten. Sollte ich öfter machen, denn die Speicherung meiner persönlichen Daten auf Festplatten ist nicht langlebig.

Hinsichtlich der Dauerhaftigkeit der Datenspeicherung hatten unsere Vorfahren bessere Methoden: In Stein gemeißelte Inschriften halten etwa zehntausend Jahre, Informationen auf Pergament an die eintausend. Kein Vergleich zu den externen Festplatten, die derzeit nur rund zehn Jahre überdauern. Dafür ist der Platz auf einem Stein wiederum sehr begrenzt. Neue Datenspeicher sollen demnach hohe Kapazitäten mit langer Lebensdauer kombinieren.

Ein neues Speichersystem für das neue Jahr?

Dieter Süss, Physiker an der Universität Wien, arbeitet gemeinsam mit mehreren internationalen Universitäten im Auftrag von Festplattenherstellern an magnetischen Speichern, um das Potenzial von zukünftigen Technologien zu berechnen. "Wir beschäftigen uns derzeit mit einer Speichertechnologie, die voraussichtlich nächstes Jahr auf den Markt kommen wird, dem sogenannten Heat-assisted magnetic recording", sagt Süss. Bei den herkömmlichen magnetischen Speichern werden kleine Magnete mithilfe winziger Elektromagneten umgepolt. Die neue Methode wird mittels Laser bewerkstelligt und führt dazu, dass mehr Informationen gespeichert werden können.

In den letzten Jahren wurden die meisten Speicher schon sehr weit ausgereizt. Etwa von 1955 bis vor ungefähr sieben Jahren gab es bei der Speicherkapazität ein exponentielles Wachstum. "Ich vergleiche das immer mit dem bekannten Märchen vom Reiskorn und dem Schachbrett", sagt Süss. "Da wünscht sich ein Untertan zur Belohnung, dass der König ein Schachbrett mit Reis auffüllt. Und zwar so: ein Reiskorn auf das erste Feld und auf jedes weitere Feld stets die doppelte Zahl an Körnern. Allerdings stellten sie beim 64. Feld fest, dass es im ganzen Königreich nicht genug Reiskörner gab: Um das Schema zu erfüllen, bräuchte man um die achtzehn Trillionen Reiskörner."

Damit Wachstum weiterhin gewährleistet werden kann, müssen die magnetischen "Körner" auf einer Festplatte, auf denen die Information gespeichert wird, laufend kleiner werden. Ab einem gewissen Punkt ist dies jedoch nicht mehr möglich, weil die Körner thermisch instabil werden. Deshalb hat sich das Wachstum der Speicherkapazität auf ungefähr dreizehn Prozent pro Jahr reduziert.

"Es wird künftig sehr spannend werden, auf welche Weise wir Daten speichern. Die Datenflut wächst unaufhaltsam, nämlich um zweiundvierzig Prozent pro Jahr und weit schneller als die Steigerung des Fassungsvermögens der Festplatten von rund dreizehn Prozent pro Jahr", erklärt Süss.

Ein weiteres Problem ist die Lebensdauer von digitalen Speichern. Eine externe Festplatte etwa muss etwa alle zehn Jahre ausgetauscht werden. "Rein technisch gesehen, wäre es gar kein Problem, die Langlebigkeit der Daten auf Festplatten zu verlängern. Das ginge jedoch auf Kosten der Datendichte. Magnetische Materialien könnten auf tausende Jahre hinaus stabil gehalten werden. Daran besteht aber seitens der Kunden kein Interesse. Auch weil die Mechanik nicht so einfach auf so lange Zeiträume ausgelegt werden kann", meint Süss.

Informationen künftig in der DNA gespeichert?

Wer also speichert in Zukunft? Zum Beispiel Flashspeicher und 3D-XPoint-Speicher. Flashspeicher sind mechanisch sehr robust, kommen sie doch ohne bewegliche Teile aus. Ihr Energieverbrauch und ihre Wärmeentwicklung sind geringer, und sie sind unempfindlich bei Erschütterungen. Die Technik des 3D-XPoint basiert auf der Veränderung des elektrischen Widerstandes und soll um ein Vielfaches schneller und haltbarer als bisherige Speichertechnologien sein.

Um das Problem der Datenspeicherung zu lösen, sucht man auch nach scheinbar utopischen Methoden. So wollen Wissenschafter Text- und Bildinformation in den Code der DNA übersetzen und so auf künstlicher DNA Informationen speichern. DNA-Datenspeicher verwenden für das Auslesen der Daten die Methode der DNA-Sequenzierung. Dies ist ein relativ aufwendiges Verfahren zur Bestimmung der Nukleotid-Abfolge in einem DNA-Molekül. "Eigentlich hat sich diese Idee aus dem Kunstprojekt 'Microvenus' von Joe Davis entwickelt. Er ist ein Wissenschaftskünstler und hat im Jahr 2000 begonnen, ganz einfache Informationen, nämlich Bilder in bakterielle DNA, zu übersetzen", erklärt der Vorarlberger Robert Grass, Dozent an der ETH Zürich.

Sowohl George Church, einem Molekularbiologen, der Techniken zur DNA-Sequenzierung entwickelt hat, als auch dem Bioinformatiker Nick Goldman ist etwa zur selben Zeit die Idee gekommen, DNA zur digitalen Datenspeicherung zu nutzen. Immerhin ist sie imstande, die riesigen Datenmengen unseres Genoms zu speichern.

"Die Methode der Sequenzierung ist genau gleich wie bei molekularbiologischen Anwendungen. Der große Unterschied: Unsere DNA-Segmente sind kürzer und mit einem Index versehen, der angibt, wo das Segment, das man gerade liest, im Datensatz hingehört. Die gelesene Information wird anhand dieser Indices wieder richtig angeordnet und mithilfe einer eigenen Software in digitale Information rückübersetzt", erklärt Grass.

Um digitale Daten überhaupt in DNA speichern zu können, werden diese zuerst in einen digitalen Code übersetzt und mit einer eigens entwickelten Software in den Code der DNA umgewandelt. Anhand dieses Codes werden mittels chemischer Synthese Moleküle gebaut. Dabei entsteht künstliche Speicher-DNA. Zum Auslesen der Information kommt die DNA in den Sequenzierer, wo der Code gelesen werden kann. Solch ein Speicher ist sehr stabil und sehr lange haltbar. Allerdings ist die Methode derzeit noch recht umständlich und teuer. "Der Bedarf an großen Speichern ist heute sicherlich anders als vor fünfzehn Jahren", sagt Grass. "Für Anbieter wie beispielsweise Google oder Amazon wird der Aufwand immer größer, daher sucht man ständig nach einem passenden Medium, um die riesigen Datenmengen zu speichern. So wird DNA zu einem der Hoffnungsträger."

Speichern von großen Datenmengen in der Cloud

Clouddienste speichern unsere Dateien auf Servern. Nutzer können davon ausgehen, dass die dort gespeicherten Daten vor Datenverlust geschützt sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass von jedem Gerät mit Internetanschluss auf die Daten zugegriffen werden kann. Man ist jedoch dem Anbieter ausgeliefert und muss darauf vertrauen, dass große Betreiber wie etwa Amazon oder Google mit den Daten verantwortungsbewusst umgehen. Zudem ist diese Speicherart nicht unbedingt sicher. Das macht die Cloud vor allem für Unternehmen zu einem Problem.

Solche Bedenken sollen jetzt aus dem Weg geräumt werden. An der Lösung dazu forscht Mathias Tausig am Kompetenzzentrum für IT-Security der FH Campus Wien. "In unserem Projekt geht es darum, wie man bestehende Cloudspeicherdienste sicherer und einfach nutzbar machen kann."

Wenn Daten in eine Cloud hochgeladen werden, müssen sie verschlüsselt sein, um ihre Vertraulichkeit garantieren zu können. "Das Problem ist, dass man dadurch sehr viel an Komfort verliert. Es ist nicht mehr so leicht möglich, nach bestimmten Dateien zu suchen. Deshalb suchen wir nach Verfahren, die Daten verschlüsselt anlegen, also für den Cloud-Betreiber uneinsehbar, aber ermöglichen, innerhalb dieser Daten nach Begriffen zu suchen", erklärt Tausig.

Diese Verfahren sind in der Anwendung sehr kompliziert und daher noch wenig verbreitet. Tausig und sein Team wollen sie nun vereinfachen. Cloudanbieter können sie dann in ihre Software einbauen, um die Cloud sicherer und anwenderfreundlicher zu machen. Dann können wir unsere privaten Daten und Fotos ohne Bedenken in der Cloud speichern. Bis dahin ist die wohl beste Lösung immer noch das Fotoalbum.

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