Кларк Джонсон говорит, что хотел стать учёным с трёх лет. В 8 лет ему наскучил полученный в подарок набор для создания телеграфа, и он переделал его в телефон. К 12 годам он решил изучать физику, потому что хотел понять, как работают вещи на самом базовом уровне.
«В то время я ошибочно полагал, что физики настроены на левое ухо Бога», — говорит Джонсон.
Окончив в 1950 году в возрасте 19 лет Университет Миннесоты Twin Cities со степенью бакалавра по физике, он собирался поступать в аспирантуру, когда ему позвонил руководитель физического отдела научно-исследовательской лаборатории компании 3M и предложил работу. Соблазнившись перспективой делать всякое своими собственными руками, Джонсон согласился на должность физика на предприятии компании в Сент-Поле, штат Миннесота. Так началась его более чем семидесятилетняя карьера инженера-электрика, изобретателя и предпринимателя, которая продолжается и по сей день.
Джонсон, пожизненный член IEEE, является активным членом Общества магнетиков IEEE и занимал пост его президента в 1983-1984 годах.
Он входил в комитет по науке Палаты представителей Конгресса США, а затем был принят на работу в Агентство перспективных исследовательских проектов (ARPA) и направлен на помощь в исследовательскую программу MIT по политике в области связи, где внёс свой вклад в разработку HDTV.
В дальнейшем он помог основать компанию Wave Domain в Монсоне, штат Массачусетс. Джонсон и его соратники по Wave Domain получили шесть патентов на своё последнее изобретение — систему хранения данных на стоячих волнах (SWS), которая позволяет хранить архивные данные с низким энергопотреблением и защитой от взлома, используя устаревшую фотографическую технологию.
3M, HDTV и карьера, полная красок
Компания 3M оказалась благодатной почвой для творчества Джонсона.
«Вы могли тратить 15% своего времени на работу над тем, что вам нравилось», — говорит он. «Президент компании верил, что новые идеи возникают как бы из ничего, и если пошарить вокруг, то можно наткнуться на что-то полезное».
В результате этих размышлений Джонсон принял участие в разработке картриджа для аудиокассет и Scotchlite — светоотражающей плёнки, которую можно увидеть на дорогах, знаках и многом другом.
В 1989 году ему предложили стать стипендиатом Конгресса IEEE. Он выбрал работу с депутатом Джорджем Брауном-младшим, демократом, представлявшим 42-й округ в центральной Калифорнии. Браун был членом комитета Палаты представителей по науке, космосу и технологиям, который контролирует почти все исследования, не связанные с обороной и здравоохранением.
«Это был, пожалуй, самый захватывающий год в моей жизни», — говорит Джонсон.
Во время работы в комитете по науке он познакомился с Ричардом Джеем Соломоном, который был помощником директора исследовательской программы MIT по политике в области связи и давал показания комитету по вопросам видео и телекоммуникаций. Биография Соломона очень разнообразна. В начале 1960-х годов он изучал физику и электротехнику в Бруклинском политехническом институте и общие науки в Нью-Йоркском университете. Прежде чем стать научным сотрудником Массачусетского технологического института в 1969 году, он занимал различные должности. Он руководил журналом о научной фотографии и основал компанию, которая предоставляла консультации по вопросам городского планирования и транспорта. Он стал автором четырёх учебников по транспортному планированию, три из которых были опубликованы Американским обществом инженеров-строителей. Работая в журнале, Соломон получил представление о заумных, давно забытых фотографических процессах XIX века, которые оказались полезными в будущих изобретениях.
Джонсон и Соломон сблизились из-за общего интереса к поездам. На момент их знакомства Джонсон владел железнодорожным вагоном, который стоял на станции Union Station в округе Колумбия, и он использовал его для передвижения по Северной Америке, проехав около 1 300 000 км, прежде чем продать вагон в 2019 году. Джонсон и Соломон совершили множество совместных поездок на борту отремонтированного пульмановского вагона.
Сейчас они сотрудничают в разработке нового метода хранения больших данных на защищённом от взлома носителе с нулевыми энергозатратами.
Традиционные устройства хранения данных, такие как твердотельные и жёсткие диски, требуют затрат энергии на обслуживание и могут со временем разрушаться, но, по словам Джонсона, разработанная им, Соломоном и его соавторами технология практически не требует энергии и может сохраняться в течение столетий почти при любых условиях.
Задолго до работы над своим последним проектом Джонсон и Соломон объединили усилия в другом громком начинании — разработке телевидения высокой чёткости. Этот проект возник благодаря их работе в научном комитете Конгресса.
В конце 1980-х годов инженеры в Японии работали над созданием аналоговой системы телевидения высокой чёткости.
Мой босс в комитете по науке сказал: «Мы не можем позволить японцам сделать это. Есть все эти цифровые технологии и цифровые компьютеры. Мы должны сделать это в цифровом формате», — говорит Джонсон.
Это привело к совместному проекту, финансируемому NASA и ARPA (предшественником современного DARPA). После окончания срока пребывания Джонсона в научном комитете он и Соломон присоединились к команде Массачусетского технологического института, участвовавшей в сотрудничестве. Разрабатывая то, что стало доминирующей телевизионной технологией, Джонсон и Соломон стали экспертами в области оптики. Работая с Polaroid, IBM и Philips в 1992 году, команда продемонстрировала первую в мире цифровую камеру высокой чёткости с прогрессивным сканированием на ежегодной конференции Национальной ассоциации телерадиовещателей.
Случайное открытие
Примерно в 2000 году Кларк и Соломон вместе с новым коллегой Эриком Розенталем начали работать в качестве независимых консультантов в NASA и Министерстве обороны США. До объединения с Кларком и Соломоном Розенталь был вице-президентом по исследованиям и разработкам в Walt Disney Imagineering и генеральным менеджером по разработке аудиовизуальных систем на телевидении ABC.
Во время работы над одним из проектов, финансируемых DARPA, Соломон наткнулся на страницу в учебнике по оптике столетней давности, которая привлекла его внимание. Там описывался метод, разработанный известным физиком Габриэлем Липпманом для получения цветных фотографий. Вместо использования плёнки или красителей Липпман создавал фотографии с помощью стеклянной пластины, покрытой специально разработанной эмульсией галогенида серебра.
При освещении ярким солнечным светом весь спектр света отражался от зеркального покрытия на основе ртути на обратной стороне стекла. Он создавал стоячие волны внутри эмульсионного слоя, сохранявшие соответствующие цвета (длину волны). Зёрна серебра в самых ярких частях стоячей волны окислялись, как бы запоминая точные цвета, которые они видели. (Это резко контрастировало с традиционными цветными фотографиями и телевидением, которые сохраняют только красную, зелёную и синюю части спектра). Затем химическая обработка превращала окисленные зёрна галогенида серебра в чёрные, оставляя световые волны запечатлёнными на носителе таким образом, что их практически невозможно было изменить. За свою работу Липпман получил Нобелевскую премию по физике в 1908 году.
Техника фотографирования Липпмана не имела коммерческого успеха, поскольку не существовало практического способа дублировать изображения или печатать их. К тому же в то время эмульсии требовали очень яркого света для правильного отпечатывания в среде.
Тем не менее Соломон был впечатлён долговечностью получаемого изображения. Он рассказал о процессе своим коллегам, которые поняли возможность использования этой техники для хранения информации в архивных целях. Джонсон увидел старые фотографии Липпмана в Музее фотографии в Лозанне (Швейцария), где заметил, что цвета получаются чёткими и насыщенными, несмотря на более чем столетнюю давность.
Метод галогенида серебра приглянулся Соломону, и в 2013 году они с Джонсоном вернулись к технике эмульсионной фотографии Липпмана.
«Мы заговорили о том, что можем взять всю эту информацию, которую мы знали о цвете, и использовать её для чего-то», — говорит Джонсон.
Данные в космосе и на Земле
В 2013 году, когда Розенталь посещал штаб-квартиру Международной космической станции в Монтгомери, штат Алания, один из ведущих учёных сказал: «Данные, хранящиеся на станции, стираются космическими лучами каждые 24 часа», — вспоминает Розенталь. «И нам приходится переписывать данные снова и снова». Космические лучи и солнечные вспышки могут повреждать электронные компоненты, вызывая ошибки или полное стирание данных на жёстких дисках и других традиционных системах хранения данных.
Розенталь, Джонсон и Соломон знали, что правильно обработанные галогенидосеребряные фотографии не подвержены таким опасностям, включая электромагнитные импульсы от ядерных взрывов. Команда заново изучила фотографическую эмульсию Липпмана.
Сын Соломона, Брайан Соломон, профессиональный фотограф и специалист по изготовлению фотоэмульсий, также был обеспокоен долговечностью обычных цветных фотографий на основе красителей, которые обычно начинают выцветать через несколько десятилетий.
Команде пришла в голову интригующая идея: учитывая, насколько долговечными оказались фотографии Липпмана, что, если бы они могли использовать аналогичную технику – но не для создания аналоговых изображений, а для хранения цифровых данных? Так началось их новое инженерное начинание: изменение способа хранения архивных данных — данных, которые не нужно перезаписывать, а просто сохранять и время от времени читать.
По словам Джонсона, обычные данные иногда защищают, делая несколько копий или постоянно переписывая их. Однако эти методы требуют затрат энергии и могут быть трудоёмкими.
Объём данных, которые необходимо хранить на земле, также растёт семимильными шагами. По данным Data Bridge Market Research, рынок центров обработки данных и другой инфраструктуры искусственного интеллекта растёт на 44% в год. Обычно используемые жёсткие и твердотельные диски потребляют некоторое количество энергии, даже когда они не используются. Потребление энергии в режиме ожидания составляет от 0,05 до 2,5 ватта на диск. А центры обработки данных содержат огромное количество дисков, требующих огромного количества электроэнергии для поддержания работы.
По оценкам Джонсона, около 25% данных, хранящихся в современных центрах обработки данных, имеют архивный характер, то есть их не нужно перезаписывать.
Технология «записать один раз, считывать вечно»
Технология, разработанная Джонсоном, Соломоном и их коллегами, обещает преодолеть энергетические требования и уязвимости традиционных систем хранения данных для архивных приложений.
В основе разработки лежит идея Липпмана. Вместо того чтобы делать аналоговую фотографию, команда разделила носитель на пиксели. С помощью специалиста по эмульсиям Ива Жанте они усовершенствовали химический состав эмульсии Липпмана, сделав её более чувствительной и способной сохранять несколько длин волн в каждом пикселе. Окончательная эмульсия представляет собой комбинацию галогенида серебра и затвердевшего желатина. Теперь в каждом пикселе может храниться до четырёх различных узкополосных, наложенных друг на друга цветов.
«В учебниках написано, что это невозможно, — говорит Соломон, — но мы это сделали, значит, учебники не правы».
Для каждого пикселя можно выбрать четыре цвета из 32 возможных для хранения.
Это составляет более 40 000 вариантов. Таким образом, техника может хранить более 40 000 бит (хотя формат не обязательно должен быть двоичным) в каждом пикселе площадью 10 квадратных микрометров, или 4,6 терабита в модифицированной пластине Липпмана размером 10,16 см на 12,7 см. Это более 300 фильмов, хранящихся в одной картинке.
Для записи на SWS-носитель пластина, покрытая тонким слоем специально разработанной эмульсии, подвергается воздействию света от массива мощных цветных светодиодов.
Таким образом, вся пластина записывается одновременно, что значительно сокращает время записи на один пиксель.
Затем пластина проходит химический процесс проявки, в ходе которого чернеют зёрна серебра, запоминающие цветовые волны, которым она подвергалась.
И наконец, небольшая матрица камеры с заряженной парой, подобная тем, что используются в мобильных телефонах, считывает информацию. Считывание происходит сразу со всей пластины, поэтому скорость считывания, как и скорость записи, очень быстрая.
«Данные, которые мы читаем, поступают с пластин с огромной пропускной способностью», — говорит Соломон. «На планете нет компьютера, который мог бы воспринимать их без какой-либо буферизации».
Вся ячейка памяти представляет собой сэндвич из светодиодной матрицы, фоточувствительной пластины и ПЗС-матрицы. Для всех элементов используются готовые детали.
«Мы долго думали, как сделать это очень недорогим, воспроизводимым и быстрым способом», — говорит Джонсон. «Идея состоит в том, чтобы использовать легкодоступные детали». Весь носитель информации вместе с инфраструктурой чтения/записи относительно недорог и портативен.
Чтобы проверить долговечность своего метода хранения данных, команда отправила своим коллегам из НАСА около 150 образцов своих устройств SWS, которые астронавты подвешивали за пределами Международной космической станции в течение девяти месяцев в 2019 году. Затем они проверили целостность сохранённых данных после возвращения пластин SWS из космоса, сравнив их с другими 150 пластинами, хранившимися в лаборатории Розенталя на земле.
«Девять месяцев воздействия космических лучей абсолютно не повлияли на их сохранность», — говорит Соломон. При этом пластины на столе Розенталя кишели бактериями, в то время как пластины на МКС были стерильны. Однако серебро — известный бактерицид, поэтому краски были невосприимчивы, говорит Соломон.
Их последний патент, выданный в начале этого года, описывает метод хранения данных, который не требует энергии для поддержания, когда не происходит активного чтения или записи данных. Члены команды утверждают, что этот метод неподвластен изменениям: Она невосприимчива к влаге, солнечным вспышкам, космическим лучам и другим видам радиации. Поэтому, по их мнению, её можно использовать как в космосе, так и на земле в качестве долговечного и недорогого решения для хранения архивных данных.
Передача эстафеты
Новое изобретение имеет огромное количество потенциальных применений. По словам Джонсона, помимо центров обработки данных и космических приложений, научные предприятия, такие как обсерватория Рубин, строящаяся в Чили, будут производить огромные объёмы архивных данных, которые могут быть использованы с помощью технологии SWS.
«Это все справочные данные, и каждую неделю генерируется огромное количество данных, которые необходимо хранить вечно», — говорит Джонсон.
Однако Джонсон говорит, что он и его команда уже не успеют вывести технологию на рынок: «Мне 94 года, а двум моим партнёрам за 70 и 80. Мы не собираемся создавать стартап».
Он готов передать эстафету. Команда ищет нового руководителя, который возглавит компанию Wave Domain, которая, как они надеются, продолжит развитие SWS и доведёт её до массового внедрения.
По словам Джонсона, он понял, что люди редко знают, какие новые технологии в конечном итоге окажут наибольшее влияние. Возможно, хотя сейчас об этом мало кто знает, хранение больших данных с помощью старой фотографической технологии станет неожиданным успехом.
