Wat kan de natuur ons leren over de toekomst van data?

Werken in de cloud, videostreaming, online archieven en de groei van AI zorgen ervoor dat we steeds meer data produceren en opslaan. Om aan deze groeiende vraag te voldoen, worden er steeds meer datacenters gebouwd die enorme hoeveelheden elektriciteit, materiaal en water gebruiken en ruimte innemen. Dat zorgt voor een complexe uitdaging: Hoe slaan we steeds meer informatie op zonder ons energieverbruik zoveel te laten groeien?

Welke strategieën uit de natuur, die zich over miljoenen jaren hebben ontwikkeld om zo efficiënt mogelijk te zijn, kunnen ons helpen in dit vraagstuk?

Van harde schijf naar DNA

Alle organismen op aarde gebruiken DNA om hun complete blauwdruk op te slaan; het hele bouwplan voor een reusachtige boom past in een microscopisch zaadje. Bijen kunnen makkelijk de informatie van de meeldraden van de ene bloem naar de stamper van de andere bloem brengen, via het DNA in het stuifmeel. Ook de ogen waarmee je deze woorden leest zijn gebouwd op basis van de informatie in jouw DNA.

Op dit moment slaan wij digitale data op in binaire code (1 of 0), door stukjes van een harde schijf te magnetiseren of door de stroomdoorgang te blokkeren met een elektrische lading in een solid state drive. De data wordt 2-dimensionaal opgeslagen.

DNA slaat de data op in microscopische 3D structuren en gebruikt quaternaire code met behulp van vier nucleotidebasen: A (Adenine), C (Cytosine), G (Guanine) & T (Thymine). Hierdoor kan meer DNA meer data opslaan terwijl het minder ruimte inneemt [1]. Als de data eenmaal is opgeslagen kost de opslag ook veel minder energie, zoals DNA in duizenden jaren oude botten nog steeds leesbaar is zonder dat er ooit een stekker in heeft gezeten. Vooral voor data die we niet vaak nodig hebben, maar langdurig willen opslaan is DNA een top-oplossing. Het zou ervoor kunnen zorgen dat het energiegebruik van datacenters flink zal dalen. Vooral voor onze ‘koude data’, archieven die we zelden openen maar wel moeten bewaren, is DNA de ultieme oplossing. Voor bedrijven en beleidsmakers betekent dit het einde van de digitale claim op onze schaarse fysieke ruimte: we kunnen de digitale voetafdruk van een hele stad straks letterlijk opslaan in een reageerbuis. 

Onderzoekers zoals Professor Tom de Greef van de TU Eindhoven en bedrijven als Microsoft zijn bezig om dataopslag door middel van DNA echt mogelijk te maken [2,3].

De grootste stappen op dit moment worden gezet door Atlas Data Storage, een commerciële spin-off van marktleider Twist Bioscience. Door de integratie van geavanceerde, steeds kleinere CMOS-chips (dezelfde technologie die in computerchips zit) verwachten zij de kostprijs van DNA-synthese drastisch te verlagen. De prognose is dat de prijs binnen vijf jaar kan dalen naar zo’n 100 euro per terabyte. Daarmee wordt de overstap van traditionele opslag naar moleculaire opslag in de nabije toekomst ook financieel concurrerend. 

Het geheim achter energiezuinige beeldverwerking

In de eerste helft van 2022 bestond 65.93% van het totale volume van het internet uit video’s [4]. Het slim verwerken van deze beelden, zoals onze ogen samen met onze hersenen doen, kan ons veel energiebesparing opleveren.

Onze hersenen zouden direct oververhit raken als ze elk los ‘pixel’ dat op je netvlies valt apart zouden berekenen. Om bandbreedte en energie te besparen, knippen onze hersenen visuele informatie direct op in golven en frequenties. Je brein ziet niet elke pixel apart; het herkent patronen. Dit biologische filterproces werkt volgens de principes van de Fourier-transformatie [5].

In plaats van te kijken naar losse stipjes (pixels), vertaalt deze methode een beeld naar een samenspel van golven. Grote vlakken en contrasten zijn lage frequenties, terwijl details en texturen hoge frequenties vormen. Deze manier van opslaan zorgt ook voor gemakkelijke herkenning van hetzelfde object, ook als het dichterbij of gedraaid zichtbaar is. Dankzij dit biologische ‘Fourier-filter’ verwerkt het brein beelden direct als golven, wat enorm veel energie en tijd bespaart. Hoewel we de Fourier-transformatie inmiddels al gebruiken om bestanden te verkleinen, moet een computer zo’n foto bij het openen altijd weer terugrekenen naar losse pixels.

Denken met de snelheid van het licht: neuromorfe fotonica

Om de biologische efficiëntie van ons brein na te bootsen, bouwen computerwetenschappers aan neuromorphic computing: hardware die de werking van het brein kopieert. De nieuwste stap  in deze ontwikkeling is de integratie met fotonische (op licht gebaseerde) chips [6]. Waar de eerste elektrische neuromorfe chips nu al commercieel worden ingezet, werken onderzoekers in het lab aan fotonische chips die data direct als lichtgolven verwerken via interferentie. Door lichtgolven vloeiend te laten samenvloeien, kunnen complexe AI-berekeningen in één keer worden uitgevoerd.

Hoewel een computer die volledig op licht werkt nog in de ontwikkelfase zit, is deze technologie nu al uiterst relevant. We komen hiermee steeds dichterbij computers die net zo snel, energiezuinig en fouttolerant zijn als onze eigen hersenen.

Het datacenter als deel van het ecosysteem

Traditionele datacenters vormen een zware ecologische belasting voor hun omgeving. Ze verbruiken gigantische hoeveelheden stroom en water, produceren enorme hoeveelheden onbenutte restwarmte en nemen kostbare ruimte in beslag ten koste van de lokale natuur. Dit zorgt wereldwijd voor groeiende maatschappelijke weerstand; burgers en beleidsmakers pikken het niet langer dat de digitale infrastructuur ten koste gaat van de leefbaarheid van hun eigen regio.

In de natuur bestaat afval echter niet. Binnen een gezond ecosysteem is de uitstoot van het ene organisme altijd de voeding of de grondstof voor het andere, waardoor er een perfecte, productieve kringloop ontstaat.

Om deze ecologische kringloop te kopiëren, experimenteren techbedrijven zoals Microsoft binnen Project Positive met datacenters die ecosysteemdiensten leveren. Het hergebruiken van restwarmte voor kassen en het opvangen van regenwater voor koeling zijn inmiddels beproefde, bestaande technologieën. Momenteel wordt er volop ontwikkeld aan systemen die dit koelwater biologisch zuiveren voor de natuur en worden terreinen omgevormd tot biodiverse zones. De ultieme visie waarbij een datacenter functioneert als een volledig productieve, levende schakel in de lokale biotoop, bevindt zich nu nog in de experimentele fase.

Deze transitie dwingt ons om fundamenteel anders naar technologie te kijken. Voor ontwerpers en bedrijven betekent dit het einde van geïsoleerd bouwen; zij moeten leren ontwerpen met de lokale ecologie in gedachten. Voor burgers en beleidsmakers biedt dit een hoopvol perspectief waarin digitalisering niet langer ten koste gaat van het landschap, maar waarin een datacenter een nuttige, warmte- en waterdelende buurman wordt die tastbare waarde teruggeeft aan de samenleving.

Terug naar de natuur