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，但即便算上邊緣設備，也很難跟得上數(shù)據(jù)量的增長。

近日，中國科學院上海光學精密機械研究所（以下稱“上海光機所”）與上海理工大學等科研單位合作，在超大容量超分辨三維光存儲研究中取得的突破性進展，并已經(jīng)在國際學術期刊《自然》雜志進行了刊登。這項技術的突破對我國在信息存儲領域以及實現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟的可持續(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，還促進了多媒體技術的發(fā)展。不過對許多人來說，在DVD、VCD等視頻播放器進入到千家萬戶后，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，以及移動設備和閃存技術的進步，對光盤的使用大幅減少，但這并未讓科學家放棄對光盤的研發(fā)。

作為當前數(shù)字經(jīng)濟的基石之一，存儲技術至關重要，而光存儲技術具有綠色節(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)的光存儲技術受限于光學衍射效應，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，進而影響存儲密度。

2012年，上海理工大學顧敏院士提出了雙光束超分辨光存儲原理的設想，期待能夠解決光衍射極限問題。雙光束超分辨光存儲技術是一種基于光學超分辨原理來提升光存儲密度的方法。傳統(tǒng)光存儲受制于光學衍射極限，即激光束聚焦到一定程度后，由于衍射效應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的思路，例如STED或者RESOLFT等技術，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7年的持續(xù)研發(fā)，上海光機所終于攻克了存儲容量實現(xiàn)了達到普通光盤上萬倍、普通硬盤上百倍的“超級光盤”。研究團隊利用國際首創(chuàng)的雙光束調(diào)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光學衍射極限的限制，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，數(shù)據(jù)承載量大約可達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)研機構數(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，并且要維持數(shù)據(jù)庫的運行，如保持數(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50-100年的獨特優(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，也是目前普通藍光光盤的一萬倍。

但目前所展示的技術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備、制造成本、讀寫速度以及是否可以反復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的讀取速度可以達到21.7MB/s，當然隨著技術進步，現(xiàn)在一些DVD驅(qū)動器的讀取速度可達24x、32x甚至更高。藍光光驅(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讀寫速度遠超過光盤，現(xiàn)代消費級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MB/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讀寫也是個重要問題，并且復寫操作會對光盤的壽命產(chǎn)生一定的影響，因為每次復寫都會對光盤的表面造成一定的磨損。因此，頻繁地進行復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)和解決復寫難題，目前的“超級光盤”基本相當于磁帶的替代品，在資料歸檔、數(shù)據(jù)備份具有一定優(yōu)勢。

上海光機所相關負責人透露，“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

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

就像上海光機所相關負責人所言，該研究團隊將加快原始創(chuàng)新和關鍵技術攻關，推動超大容量光存儲的集成化和產(chǎn)業(yè)化進程，并拓展其在光顯微成像、光顯示、光信息處理等領域的交叉應用。