我國(guó)光存儲(chǔ)領(lǐng)域重大突破！“超級(jí)光盤(pán)”誕生！存儲(chǔ)容量是普通光盤(pán)上萬(wàn)倍，還能降低GPT成本……

每經(jīng)編輯 李澤東    

“才拍了幾張照片，我的手機(jī)內(nèi)存又滿(mǎn)了。”“我的電腦硬盤(pán)空間滿(mǎn)了，又得去買(mǎi)外接硬盤(pán)了”……這些習(xí)以為常的“困擾”背后，是人們?cè)絹?lái)越高的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。

據(jù)上海理工大學(xué)，根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)出具的白皮書(shū)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(shí)下比較主流的1TB容量的移動(dòng)硬盤(pán)裝這些數(shù)據(jù)，則至少需要使用1750億個(gè)。這樣不僅成本高昂，而且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的壽命短。因此無(wú)論是個(gè)人日常所需，還是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)能夠容納海量數(shù)據(jù)且綠色安全的存儲(chǔ)技術(shù)早已迫在眉睫。

然而，重磅利好傳來(lái)！存儲(chǔ)容量是普通光盤(pán)上萬(wàn)倍、普通硬盤(pán)上百倍的“超級(jí)光盤(pán)”誕生了！

圖片來(lái)源：新華社視頻截圖

據(jù)央視新聞2月22日?qǐng)?bào)道，近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“上海光機(jī)所”）與上海理工大學(xué)等科研單位合作，在超大容量三維超分辨光存儲(chǔ)研究中取得突破性進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)利用國(guó)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(chǔ)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)上首次在信息寫(xiě)入和讀出均突破了衍射極限的限制，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并完成了100層的多層記錄，單盤(pán)等效容量達(dá)Pb量級(jí)，對(duì)于我國(guó)在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域突破“卡脖子”障礙、實(shí)現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。相關(guān)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(xué)，科研人員利用雙光束技術(shù)突破光學(xué)衍射極限的限制，首次證實(shí)可以在三維空間實(shí)現(xiàn)多至百層的、超分辨尺寸下的信息點(diǎn)的寫(xiě)入和讀出，單張盤(pán)容量可以高達(dá)Pb級(jí)，相當(dāng)于至少一萬(wàn)張藍(lán)光光盤(pán)的容量。

也就是說(shuō)，在這項(xiàng)技術(shù)的推動(dòng)下，存下全球一年數(shù)據(jù)所需的Pb級(jí)光盤(pán)的數(shù)量相較于硬盤(pán)可以減少兩個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到“以一抵百”的效果。

圖片來(lái)源：上海理工大學(xué)

據(jù)了解，光存儲(chǔ)技術(shù)具有綠色節(jié)能、安全可靠、壽命長(zhǎng)達(dá)50~100年的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，非常適合長(zhǎng)期低成本存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，然而受到衍射極限的限制，傳統(tǒng)商用光盤(pán)的最大容量?jī)H在百GB量級(jí)。在信息量日益增長(zhǎng)的大數(shù)據(jù)時(shí)代，突破衍射極限、縮小信息點(diǎn)尺寸、提高單盤(pán)存儲(chǔ)容量長(zhǎng)久以來(lái)一直都是光存儲(chǔ)領(lǐng)域的不懈追求。

Pb級(jí)光盤(pán)制備及讀寫(xiě)方式示意圖 圖片來(lái)源：央視新聞

1994年德國(guó)科學(xué)家Stefan W. Hell教授提出受激輻射損耗顯微技術(shù)，首次證明了光學(xué)衍射極限能夠被打破，并在2014年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，在顯微成像、激光納米光刻等多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了光學(xué)超分辨成果，信息的超分辨寫(xiě)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(méi)的難題，導(dǎo)致超分辨的信息難以讀出，通常依賴(lài)電鏡掃描的讀出方式，限制了超分辨技術(shù)在光存儲(chǔ)領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，發(fā)展可同步實(shí)現(xiàn)超分辨寫(xiě)、超分辨讀、三維存儲(chǔ)及長(zhǎng)壽命介質(zhì)是10多年來(lái)光存儲(chǔ)研究領(lǐng)域亟待解決的難題。

超分辨信息記錄結(jié)果 圖片來(lái)源：央視新聞

自20世紀(jì)80年代，上海光機(jī)所干福熹院士開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)數(shù)字光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)的研究，上海光機(jī)所團(tuán)隊(duì)一直深耕光存儲(chǔ)領(lǐng)域。依托于豐厚的研究基礎(chǔ)和創(chuàng)新技術(shù)方案，基于雙光束超分辨技術(shù)及聚集誘導(dǎo)發(fā)光光刻膠材料相結(jié)合，在信息寫(xiě)入和讀出均突破了衍射極限的限制，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并完成了100層的多層記錄，單盤(pán)等效容量約1.6Pb。經(jīng)老化加速測(cè)試，光盤(pán)介質(zhì)壽命大于40年，加速重復(fù)讀取后熒光對(duì)比度仍高達(dá)20.5∶1，這是國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)Pb量級(jí)的超大容量光存儲(chǔ)。

100層記錄和二進(jìn)制編碼譯碼復(fù)原結(jié)果 圖片來(lái)源：央視新聞

從光學(xué)顯微技術(shù)，到當(dāng)今“卡脖子”技術(shù)的光刻機(jī)，再到光存儲(chǔ)技術(shù)，無(wú)一不被光學(xué)衍射極限所限制。在2021年Science發(fā)布的全世界最前沿的125個(gè)科學(xué)問(wèn)題中，突破衍射極限限制更是在物理領(lǐng)域高居首位。該超分辨光盤(pán)的成功研制在信息寫(xiě)入和讀出都突破了這一物理學(xué)難題，有助于我國(guó)在存儲(chǔ)領(lǐng)域突破“卡脖子”障礙，將在大數(shù)據(jù)數(shù)字經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮重大作用，以滿(mǎn)足信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的重大需求。

光盤(pán)實(shí)物照片 圖片來(lái)源：央視新聞

據(jù)上海理工大學(xué)光子芯片研究院院長(zhǎng)、張江實(shí)驗(yàn)室光計(jì)算所所長(zhǎng)顧敏院士介紹，該P(yáng)b級(jí)海量三維納米光子存儲(chǔ)技術(shù)是劃時(shí)代的技術(shù)。

以深度學(xué)習(xí)模型GPT為例，其背后的數(shù)據(jù)集，如總索引網(wǎng)頁(yè)數(shù)量多達(dá)58億，整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的文本大小約為56Pb，如果還是用1TB容量的移動(dòng)硬盤(pán)去存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，平鋪開(kāi)來(lái)相當(dāng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)田徑場(chǎng)的面積。而此次科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的三維納米光子存儲(chǔ)可以將存儲(chǔ)空間節(jié)省至一臺(tái)電腦大小，極大地降低了經(jīng)濟(jì)成本。

此外，為了維持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)嚴(yán)苛的運(yùn)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(guó)數(shù)據(jù)中心總耗電量約2700億千瓦時(shí)，超過(guò)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(jìn)行數(shù)據(jù)遷移，這樣就存在數(shù)據(jù)被篡改或丟失的風(fēng)險(xiǎn)，且存儲(chǔ)壽命短。此次科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的光子存儲(chǔ)技術(shù)可以把耗能降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，壽命可達(dá)50到100年。

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