電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃山明）在數(shù)據(jù)爆炸的今天，尤其隨著AI的高速發(fā)展，文字、圖片甚至視頻都開始能夠被AI批量生成，這意味著整個社會即將迎來新一輪的數(shù)據(jù)浪潮。與之相對的是，數(shù)據(jù)的急速增多導(dǎo)致的存儲容量告急，此前推出的解決方案為邊緣存儲，但即便算上邊緣設(shè)備，也很難跟得上數(shù)據(jù)量的增長。

近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下稱“上海光機(jī)所”）與上海理工大學(xué)等科研單位合作，在超大容量超分辨三維光存儲研究中取得的突破性進(jìn)展，并已經(jīng)在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志進(jìn)行了刊登。這項技術(shù)的突破對我國在信息存儲領(lǐng)域以及實現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性上有重大意義。

“超級光盤”的誕生

自1982推出了第一代商業(yè)化的音頻光盤產(chǎn)品CD-DA（Compact Disc Digital Audio，數(shù)字音頻光盤）之后，光盤時代的正式開啟。光盤的發(fā)明是信息存儲技術(shù)的一大飛躍，它不僅極大地提高了數(shù)據(jù)存儲的容量和便捷性，還促進(jìn)了多媒體技術(shù)的發(fā)展。不過對許多人來說，在DVD、VCD等視頻播放器進(jìn)入到千家萬戶后，光盤才真正對世人所熟知。

早期的光盤作為影視作品甚至電腦數(shù)據(jù)拷貝的主要載體，一張光盤的數(shù)據(jù)存儲量大約在200-300MB左右。如今隨著數(shù)字媒體的崛起，以及移動設(shè)備和閃存技術(shù)的進(jìn)步，對光盤的使用大幅減少，但這并未讓科學(xué)家放棄對光盤的研發(fā)。

作為當(dāng)前數(shù)字經(jīng)濟(jì)的基石之一，存儲技術(shù)至關(guān)重要，而光存儲技術(shù)具有綠色節(jié)能、安全可靠、壽命長等優(yōu)勢，非常適合用低成本長期存儲，但由于光衍射極限的限制，讓光盤容量最大只局限在數(shù)百GB的量級。

所謂的光衍射極限指的是傳統(tǒng)的光存儲技術(shù)受限于光學(xué)衍射效應(yīng)，激光聚焦的最小點徑有一個理論下限，即所謂的阿貝衍射極限，這決定了可以在單位面積上刻寫的最小信息位的尺寸，進(jìn)而影響存儲密度。

2012年，上海理工大學(xué)顧敏院士提出了雙光束超分辨光存儲原理的設(shè)想，期待能夠解決光衍射極限問題。雙光束超分辨光存儲技術(shù)是一種基于光學(xué)超分辨原理來提升光存儲密度的方法。傳統(tǒng)光存儲受制于光學(xué)衍射極限，即激光束聚焦到一定程度后，由于衍射效應(yīng)無法形成更小的焦點，從而限制了數(shù)據(jù)存儲的最小單元大小，進(jìn)而影響存儲密度。

雙光束超分辨光存儲的基本原理借鑒了超分辨熒光顯微技術(shù)的思路，例如STED或者RESOLFT等技術(shù)，使用兩束激光光束，一束用于定位，另一束用于數(shù)據(jù)的寫入和讀取，通過調(diào)節(jié)輔助光與記錄光的相互作用，可以有效地壓縮實際記錄的光點大小，從而突破衍射極限，實現(xiàn)亞衍射極限尺度的存儲單元，大幅度提高存儲密度。

據(jù)新華社消息，經(jīng)過長達(dá)7年的持續(xù)研發(fā)，上海光機(jī)所終于攻克了存儲容量實現(xiàn)了達(dá)到普通光盤上萬倍、普通硬盤上百倍的“超級光盤”。研究團(tuán)隊利用國際首創(chuàng)的雙光束調(diào)控聚集誘導(dǎo)發(fā)光超分辨光存儲技術(shù)，實驗上首次在信息寫入和讀出均突破光學(xué)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(dá)Pb量級，數(shù)據(jù)承載量大約可達(dá)1.6PB。經(jīng)老化加速測試，光盤介質(zhì)壽命大于40年。

突破衍射極限，量產(chǎn)還需等待

據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，到2025年全球數(shù)據(jù)總量將從2018年的33ZB增加至175ZB（1ZB等于10億TB也等于1萬億GB），按照數(shù)據(jù)中心使用的10TB級移動硬盤來算，就需要有175億個硬盤來存儲這些數(shù)據(jù)。不僅成本高昂，而且這些移動硬盤的壽命較短，通常在3萬小時左右，如果是機(jī)械硬盤通常5-8年就要更換，而固態(tài)硬盤10年左右也需要更換。

在數(shù)據(jù)遷移過程中容易丟失或者被篡改，并且要維持?jǐn)?shù)據(jù)庫的運(yùn)行，如保持?jǐn)?shù)據(jù)中心恒溫恒濕、防磁防塵等環(huán)境，需要消耗大量能源。2022年數(shù)據(jù)顯示，我國數(shù)據(jù)中心總耗電量約為27000億千瓦時，超過了2座三峽水電站的年發(fā)電量。

而光存儲本身擁有能耗低、壽命長達(dá)50-100年的獨(dú)特優(yōu)勢，問題就在于衍射極限的限制，容量僅有上百GB左右，而上海光機(jī)所研發(fā)的“超級光盤”突破了衍射極限，實現(xiàn)了在一張光盤上就能夠?qū)崿F(xiàn)存儲1.6PB的數(shù)據(jù)，能夠?qū)⒁粋€國家圖書館的所有書籍內(nèi)容都放在里面，也是目前普通藍(lán)光光盤的一萬倍。

但目前所展示的技術(shù)還是非常早期的版本，盡管已經(jīng)制造出了“超級光盤”，但光盤所配套的讀寫設(shè)備、制造成本、讀寫速度以及是否可以反復(fù)刻錄等信息都尚未透露。

按照傳統(tǒng)光盤的使用來看，如果沒有配套的光驅(qū)系統(tǒng)，那么其讀寫速度并不快。DVD光盤的讀取速度通常在1.3MB/s左右，DVD 16x的讀取速度可以達(dá)到21.7MB/s，當(dāng)然隨著技術(shù)進(jìn)步，現(xiàn)在一些DVD驅(qū)動器的讀取速度可達(dá)24x、32x甚至更高。藍(lán)光光驅(qū)的讀取速度相對較低，常見的大約在2x至12x之間，對應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸速率在9MB/s至54MB/s之間。

與HDD相比，主流7200轉(zhuǎn)機(jī)械硬盤的順序讀寫速度大致在100MB/s至200MB/s，而5400轉(zhuǎn)硬盤的速度可能更低。而SSD讀寫速度遠(yuǎn)超過光盤，現(xiàn)代消費(fèi)級SSD的順序讀取速度通常在500MB/s至3,500MB/s之間，寫入速度在幾百M(fèi)B/s至3000MB/s之間，具體數(shù)值視SSD型號和接口（如SATA、NVMe PCIe）而定。

另一方面，如何解決光盤的重復(fù)讀寫也是個重要問題，并且復(fù)寫操作會對光盤的壽命產(chǎn)生一定的影響，因為每次復(fù)寫都會對光盤的表面造成一定的磨損。因此，頻繁地進(jìn)行復(fù)寫操作可能會縮短光盤的使用壽命。

這也意味著如果沒有特性的快速讀寫系統(tǒng)和解決復(fù)寫難題，目前的“超級光盤”基本相當(dāng)于磁帶的替代品，在資料歸檔、數(shù)據(jù)備份具有一定優(yōu)勢。

上海光機(jī)所相關(guān)負(fù)責(zé)人透露，“超級光盤”的誕生，完成了雙光束超分辨三維光存儲的原理和實驗驗證，未來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還有很長的路要走。

寫在最后

不論是光學(xué)顯微技術(shù)還是如今芯片制造的關(guān)鍵技術(shù)光刻機(jī)，亦或是光存儲技術(shù)，都被光學(xué)衍射極限所困擾。這一限制也被2021年的Science認(rèn)為是全球125個最前沿的科學(xué)問題中的首位，如今上海光機(jī)所突破了光學(xué)衍射極限，或許受益的不止光存儲技術(shù)。

就像上海光機(jī)所相關(guān)負(fù)責(zé)人所言，該研究團(tuán)隊將加快原始創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，推動超大容量光存儲的集成化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，并拓展其在光顯微成像、光顯示、光信息處理等領(lǐng)域的交叉應(yīng)用。