每經(jīng)編輯 李澤東    

“才拍了幾張照片，我的手機內存又滿了。”“我的電腦硬盤空間滿了，又得去買外接硬盤了”……這些習以為常的“困擾”背后，是人們越來越高的數(shù)據(jù)存儲需求。

據(jù)上海理工大學，根據(jù)數(shù)據(jù)存儲專業(yè)機構出具的白皮書顯示，到2025年全球數(shù)據(jù)總量將由2018年的33ZB增加到175ZB（ZB即“澤字節(jié)”，1ZB等于10億TB，即太字節(jié)），如果用時下比較主流的1TB容量的移動硬盤裝這些數(shù)據(jù)，則至少需要使用1750億個。這樣不僅成本高昂，而且數(shù)據(jù)存儲的壽命短。因此無論是個人日常所需，還是工農業(yè)生產(chǎn)，開發(fā)能夠容納海量數(shù)據(jù)且綠色安全的存儲技術早已迫在眉睫。

然而，重磅利好傳來！存儲容量是普通光盤上萬倍、普通硬盤上百倍的“超級光盤”誕生了！

圖片來源：新華社視頻截圖

據(jù)央視新聞2月22日報道，近日，中國科學院上海光學精密機械研究所（以下簡稱“上海光機所”）與上海理工大學等科研單位合作，在超大容量三維超分辨光存儲研究中取得突破性進展。研究團隊利用國際首創(chuàng)的雙光束調控聚集誘導發(fā)光超分辨光存儲技術，實驗上首次在信息寫入和讀出均突破了衍射極限的限制，實現(xiàn)了點尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數(shù)據(jù)存儲，并完成了100層的多層記錄，單盤等效容量達Pb量級，對于我國在信息存儲領域突破“卡脖子”障礙、實現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。相關研究成果于2024年2月22日發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。

據(jù)上海理工大學，科研人員利用雙光束技術突破光學衍射極限的限制，首次證實可以在三維空間實現(xiàn)多至百層的、超分辨尺寸下的信息點的寫入和讀出，單張盤容量可以高達Pb級，相當于至少一萬張藍光光盤的容量。

也就是說，在這項技術的推動下，存下全球一年數(shù)據(jù)所需的Pb級光盤的數(shù)量相較于硬盤可以減少兩個數(shù)量級，達到“以一抵百”的效果。

圖片來源：上海理工大學

據(jù)了解，光存儲技術具有綠色節(jié)能、安全可靠、壽命長達50~100年的獨特優(yōu)勢，非常適合長期低成本存儲海量數(shù)據(jù)，然而受到衍射極限的限制，傳統(tǒng)商用光盤的最大容量僅在百GB量級。在信息量日益增長的大數(shù)據(jù)時代，突破衍射極限、縮小信息點尺寸、提高單盤存儲容量長久以來一直都是光存儲領域的不懈追求。

Pb級光盤制備及讀寫方式示意圖 圖片來源：央視新聞

1994年德國科學家Stefan W. Hell教授提出受激輻射損耗顯微技術，首次證明了光學衍射極限能夠被打破，并在2014年獲得諾貝爾化學獎，經(jīng)過20多年的發(fā)展，在顯微成像、激光納米光刻等多個領域實現(xiàn)了光學超分辨成果，信息的超分辨寫入已經(jīng)得到了解決。然而傳統(tǒng)染料在聚集狀態(tài)下極易發(fā)生熒光猝滅，造成信息的丟失，在納米尺度下還存在被背景噪聲湮沒的難題，導致超分辨的信息難以讀出，通常依賴電鏡掃描的讀出方式，限制了超分辨技術在光存儲領域中的應用。因此，發(fā)展可同步實現(xiàn)超分辨寫、超分辨讀、三維存儲及長壽命介質是10多年來光存儲研究領域亟待解決的難題。

超分辨信息記錄結果 圖片來源：央視新聞

自20世紀80年代，上海光機所干福熹院士開創(chuàng)了我國數(shù)字光盤存儲技術的研究，上海光機所團隊一直深耕光存儲領域。依托于豐厚的研究基礎和創(chuàng)新技術方案，基于雙光束超分辨技術及聚集誘導發(fā)光光刻膠材料相結合，在信息寫入和讀出均突破了衍射極限的限制，實現(xiàn)了點尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數(shù)據(jù)存儲，并完成了100層的多層記錄，單盤等效容量約1.6Pb。經(jīng)老化加速測試，光盤介質壽命大于40年，加速重復讀取后熒光對比度仍高達20.5∶1，這是國際上首次實現(xiàn)Pb量級的超大容量光存儲。

100層記錄和二進制編碼譯碼復原結果 圖片來源：央視新聞

從光學顯微技術，到當今“卡脖子”技術的光刻機，再到光存儲技術，無一不被光學衍射極限所限制。在2021年Science發(fā)布的全世界最前沿的125個科學問題中，突破衍射極限限制更是在物理領域高居首位。該超分辨光盤的成功研制在信息寫入和讀出都突破了這一物理學難題，有助于我國在存儲領域突破“卡脖子”障礙，將在大數(shù)據(jù)數(shù)字經(jīng)濟中發(fā)揮重大作用，以滿足信息產(chǎn)業(yè)領域的重大需求。

光盤實物照片 圖片來源：央視新聞

據(jù)上海理工大學光子芯片研究院院長、張江實驗室光計算所所長顧敏院士介紹，該Pb級海量三維納米光子存儲技術是劃時代的技術。

以深度學習模型GPT為例，其背后的數(shù)據(jù)集，如總索引網(wǎng)頁數(shù)量多達58億，整個互聯(lián)網(wǎng)的文本大小約為56Pb，如果還是用1TB容量的移動硬盤去存儲這些數(shù)據(jù)，平鋪開來相當于一個標準田徑場的面積。而此次科研團隊開發(fā)的三維納米光子存儲可以將存儲空間節(jié)省至一臺電腦大小，極大地降低了經(jīng)濟成本。

此外，為了維持數(shù)據(jù)庫嚴苛的運行環(huán)境（如恒溫恒濕、防磁防塵）需要產(chǎn)生巨大的能耗，以2022年為例，我國數(shù)據(jù)中心總耗電量約2700億千瓦時，超過2座三峽水電站的年發(fā)電量。尤其令人頭疼的是，每隔3到10年還需要定期進行數(shù)據(jù)遷移，這樣就存在數(shù)據(jù)被篡改或丟失的風險，且存儲壽命短。此次科研團隊開發(fā)的光子存儲技術可以把耗能降低幾個數(shù)量級，壽命可達50到100年。

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