Човешкият прогрес зависи не само от откриването на знания, но и от тяхното съхраняване и предаване. От каменните плочки до печатните книги и SSD дисковете, носителите на информация са станали многократно по-леки, по-компактни и по-бързи. За повече от пет хиляди години човечеството е увеличило плътността на данните трилиони пъти, превръщайки натрупаното знание в по-евтин и по-достъпен ресурс от всякога, отбелязва Дж. К. Лундблад в текст за блога на Human Progress…
Удивителните удобства и благосъстояние на съвременната цивилизация се основават на два стълба: овладяването на енергията и неуморното ни откриване на нови знания. Само откриването на нови знания обаче не е било достатъчно за развитието на цивилизацията. За да могат откритията да се натрупват и върху тях да се гради през поколенията, човечеството е имало нужда от начин да кодира знанията върху носител извън колективната ни нервна система. От издълбаването на йероглифи в камък до цифровото управление на електрони в съвременните SSD дискове, напредъкът на човечеството в създаването на достъпни, леки и надеждни носители за съхранение на данни е удивителен.
Преди изобретяването на писмеността хората обикновено са предавали знанията устно. Басните и другите знания е трябвало да бъдат запомняни и точно възпроизвеждани, за да преминат от едно поколение към следващото. При този начин на предаване, когато информацията се съхранява единствено в човешкия ум, съществува риск от значителна загуба на данни. Когато Джо Ловецът-събирач, единственият член на племето, който е запомнил историята за Великия старейшина, е бил убит от стрела, тази история е била изгубена завинаги. Именно крехкостта на устното предаване е причината почти цялата човешка история, обхващаща стотици хиляди години, да е изгубена в ерозиращите пясъци на времето.
Изобретяването на писмеността – способността да се издълбават, изрязват или изрисуват знаци върху глинени плочки, камък и стените на пещери – за първи път е позволило на хората да съхраняват информация извън мозъка. Първите глинени надписи с четлив текст датират приблизително от 3400 г. пр.н.е. Докато друг човек е бил обучен да разчита издълбаните йероглифи, знаци или букви, това знание вече не е било зависимо от несъвършената човешка памет. Каменните надписи обаче са имали сравнително ниска информационна плътност.
За да създам формула за измерване на плътността на данните при различните носители за съхранение през времето, превръщам знаците (букви и препинателни знаци) в битове информация, а след това разделям полученото на броя грамове материя, необходими за кодирането на тази информация. Битът е единична двоична цифра – нула или единица, а приблизително осем бита образуват един знак. (Приемайте тези изчисления не като точни стойности, а като приблизителни порядъци, тъй като плътността на данните се различава значително при камъка, книгата и диска.)
Нека започнем с каменните надписи, като използваме прочутия Розетски камък като пример. Розетският камък тежи приблизително 750 кг и съдържа един и същ текст на три езика: древноегипетски йероглифи в горната част, египетско демотическо писмо в средната и старогръцки в долната. За да изчисля плътността на данните, се съсредоточих върху гръцката част на камъка, която представлява приблизително една трета от общото му тегло (около 250 кг).
Не открих източник, който да дава надежден брой на запазените гръцки знаци, затова направих изчислението по два независими начина. Първо, сравних преброяване ред по ред от публикация от XIX век с фотография с висока резолюция на камъка. Това показва, че първоначалният, неповреден текст е съдържал приблизително 7290 знака. Като се вземе предвид, че около 20% от камъка е повреден или липсва, получаваме приблизително 5832 запазени знака. Второ, използвах изкуствен интелект за оптично разпознаване на знаците директно от повредения камък, което даде резултат от около 5800 знака. Двата метода дават близки резултати, затова занапред използвам стойността от около 5800 знака.
Тъй като един текстов знак съдържа приблизително 8 бита информация, запазените 5800 знака съдържат 46 400 бита данни. Като разделим това количество на теглото от 250 кг на гръцката част, получаваме плътност на данните за Розетския камък от приблизително 0,19 бита/грам.
С откриването на земеделието и възхода на аграрните цивилизации нарастват и потребностите от носители за съхраняване и предаване на знания. Населението се увеличава, а малка, но значима част от хората започват да се събират в малки селища и градове. С нарастването на социалната и икономическата сложност се развиват и административните, търговските, данъчните и правните системи. Хората се нуждаят от лесен начин да извършват и съхраняват резултатите от математически изчисления, да записват данъци и да кодифицират правила и разпоредби, регулиращи личното и стопанското поведение.
Накратко, аграрната цивилизация изисква носител за съхранение с по-висока информационна плътност и по-висока скорост на четене и запис (пропускателна способност). На сцената се появяват папирусът, пергаментът и хартията.
Ранните форми на „хартия“ включват папируса и материалите, изработвани от животинска кожа, като пергамента и велена. Папирусът се произвеждал от растението папирус, което растяло в делтата на Нил в Древен Египет. За производството на папирус стъблата на растението се нарязвали на ивици, които се подреждали в застъпващи се слоеве, след което се пресовали и изсушавали, за да се превърнат в листове. Папирусът започнал да се използва за писане още около 2500 г. пр.н.е. и в продължение на хиляди години бил един от основните материали за писане. В сравнение с камъка папирусът бил много по-плътен от гледна точка на съхраняваната информация: върху дадена площ можели да се поберат повече знаци, самият материал бил по-лек и можел да бъде сгъван или навиван на свитък.
Пергаментът, изработен от почистена и опъната животинска кожа, се появил много след папируса и благодарение на по-голямата си издръжливост бързо се превърнал в предпочитания материал за важни документи. Великата харта на свободите (Magna Carta), изработена върху пергамент, съдържа около 3500 думи, или приблизително 25 000 знака, което се равнява на около 200 000 бита информация. Средновековният пергамент тежи около 100–180 г/м², което означава, че Magna Carta тежи приблизително 50 грама. Прилагайки нашата формула, получаваме плътност на данните за Magna Carta от около 4000 бита/грам.
Дори Magna Carta бледнее в сравнение със съвременната хартия с печатен текст. „Хартията“ – гъвкавите листове от растителни влакна, които познаваме днес – е изобретена в Китай още през II век пр.н.е. Необходими били векове, за да се разпространи извън Китай. Хартията можела да бъде изработена по-тънка и по-лека от пергамента или папируса, а печатната преса направила възможно върху един лист да се поберат повече думи.
Например Библията на крал Джеймс съдържа около 789 000 думи. Това са приблизително 4,3 милиона знака, или 34 400 000 бита данни. Стандартна Библия с твърди корици тежи около 1 кг. Дори ако консервативно включим и теглото на подвързията, информационната плътност възлиза на около 34 400 бита/грам – приблизително 8,6 пъти по-висока от тази на Magna Carta.
Зрението ни е ограничено, а текстът може да бъде смаляван само до определен размер, преди вече да не можем да различаваме знаците. Следващата революция в съхранението на данни идва под формата на по-екзотични, „машинно четими“ носители. Такива са например магнитните носители като твърдите дискове и магнитните ленти. При тях данните се кодират директно върху намагнитен материал като битове информация – единици и нули – чрез прецизен контрол върху полярността на магнитните домейни.
Тази технология е забележителен пробив и продължава да се усъвършенства. Днес срещу няколкостотин долара можете да си купите твърд диск, който съхранява десетки терабайти данни! Един 10-терабайтов твърд диск, предлаган на пазара, тежи около 1500 грама и може да съхранява приблизително 80 трилиона бита данни. Това означава информационна плътност от около 53 милиарда бита/грам – 1,54 милиона пъти по-висока от тази на Библията на крал Джеймс.
Днес обаче твърдите дискове вече започват да изглеждат остарели. Вместо тях повечето телефони, настолни компютри, таблети и външни устройства използват флаш памет (SSD). Лесно е да се разбере защо SSD дисковете придобиха толкова голямо значение през последните години – те са идеални за мобилни устройства. Нямат движещи се части, по-издръжливи са, използват по-малко енергия и същевременно имат още по-висока информационна плътност.
Твърдотелните носители съхраняват данните чрез улавяне на електрони в решетка от транзистори с плаващ затвор, които представят битовете информация. Един 4-терабайтов SSD, предлаган на пазара, съдържа около 32 трилиона бита и тежи 32 грама. Това означава информационна плътност от 1 трилион бита/грам – около 19 пъти по-висока от тази на съпоставим твърд диск и приблизително 5,3 трилиона пъти по-висока от информационната плътност на Розетския камък! Паралелно с подобряването на плътността на данните нарастват и скоростите на четене и запис, или т.нар. „пропускателна способност“ (throughput). Хората четат приблизително 4 думи в секунда, а при средна дължина на думата от около 5 знака това означава приблизително 160 бита в секунда. Един професионален каменоделец може да е способен да издълбае до 20 букви на час, или около 0,044 бита в секунда. Хартията и подобните на нея носители драматично увеличават скоростта на писане. Един човек пише приблизително 1,1 знака в секунда, или около 8,8 бита в секунда – 200 пъти по-бързо от издълбаването на текст в камък, макар че все още е по-бавно от четенето. Разбира се, печатните машини могат да отпечатват текст много по-бързо, отколкото човек може да го напише на ръка.
Но всичко това не може да се сравни с магнитните носители, като съвременните твърди дискове, при които скоростите на четене и запис (които са сходни) в момента са около 4,4 милиарда бита в секунда. SSD дисковете са още по-бързи, като достигат скорости на четене и запис до 112 милиарда бита в секунда. Това е около 700 милиона пъти по-бързо от човешкото четене и почти 13 милиарда пъти по-бързо от писането на ръка, или приблизително 2,5 трилиона пъти по-бързо от издълбаването на текст в камък!
За приблизително пет хиляди години сме увеличили плътността на носителите за съхранение на данни трилиони пъти, а тези скокове продължават да се случват все по-бързо.
Необходими са били пет хилядолетия, за да преминем от камъка към печатната страница – период, през който плътността на данните се е увеличила 180 000 пъти. За седемдесетте години от изобретяването на твърдия диск до днешните SSD дискове човечеството е увеличило тази плътност с още 29 милиона пъти.
За да добием представа за мащаба: ако текстът на Библията на крал Джеймс беше издълбан в камък, той би тежал около 185 тона – почти колкото един Boeing 747 (без гориво). Върху SSD същият текст тежи по-малко от една песъчинка.
