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存儲與人類文明息息相關(guān),大腦就是一個大容量存儲器。在AI時代,存儲更是智慧的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)商用光盤的最大容量在百GB量級,如今,中國科研團隊在超大容量超分辨三維光存儲研究中取得突破性進展,全球首次實現(xiàn)Pb量級超大容量光存儲,1Pb相當于1000Tb,也相當于100萬Gb,相當于把一個小型數(shù)據(jù)中心機柜縮小到一張光盤上,類似于裁線機制精度有多高一樣。
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,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(shù),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。這對于我國在信息存儲領(lǐng)域突破關(guān)鍵核心技術(shù)、實現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。相關(guān)研究成果于2月22日發(fā)表在《自然》(Nature)雜志。
全世界最前沿的科學難題
數(shù)據(jù)就像石油一樣存在地下,什么時候要用數(shù)據(jù),什么時候就把它開采出來。
“數(shù)據(jù)還在飛速增長,預(yù)計明年全球會產(chǎn)生175ZB數(shù)據(jù),1ZB就相當于100萬PB?!闭撐耐ㄓ嵶髡咧弧⑸虾9鈾C所研究員阮昊以科研為例,不管是上海光機所的羲和激光裝置,還是“中國天眼”,其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都是海量的。
科研數(shù)據(jù)、財務(wù)數(shù)據(jù)是典型的冷數(shù)據(jù),訪問頻率低?!?0%的數(shù)據(jù)都是冷數(shù)據(jù),需要低成本的存儲?!比铌唤榻B,目前存儲的方式有磁存儲、光存儲和半導體存儲。半導體存儲適合熱數(shù)據(jù)存儲,用于冷數(shù)據(jù)存儲的成本高昂。而光存儲技術(shù)具有綠色節(jié)能、安全可靠、壽命長達50-100年的獨特優(yōu)勢,適合長期低成本存儲海量數(shù)據(jù)。
然而受衍射極限的限制,信息點的道間距無法進一步縮小,導致傳統(tǒng)商用光盤的最大容量僅在百GB量級。“在CD、DVD時代,光盤很熱,這幾十年沉淀了,主要是衍射極限突破不了。”阮昊表示。
2021年《科學》(Science)發(fā)布的全世界最前沿的125個科學問題中,突破衍射極限限制在物理領(lǐng)域高居首位。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、提高單盤存儲容量成為光存儲的不懈追求。
1994年,德國科學家Stefan W. Hell教授提出受激輻射損耗顯微技術(shù),首次在成像領(lǐng)域證明光學衍射極限能夠被打破,2014年獲得了諾貝爾化學獎。經(jīng)過20多年發(fā)展,這一技術(shù)已在顯微成像、激光納米直寫等領(lǐng)域?qū)崿F(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(shù)在光存儲領(lǐng)域中的應(yīng)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(zhì)是10多年來光存儲研究領(lǐng)域亟待解決的難題。
手握6部“武功秘籍”甘坐冷板凳
上世紀八十年代,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(shù)的研究,研究團隊一直深耕光存儲領(lǐng)域。
論文共同第一作者、上海光機所博士后趙苗在上海光機所碩博連讀,將這個課題從頭堅持到尾,“我當時想,如果我把這件事做出來,將是一件非常有意義的事?!?/p>
為此,導師阮昊為趙苗配備了“智囊團”重新給他打基礎(chǔ)。別人只有1個導師,趙苗卻有6個,“就像最頂級的武功秘籍,別人只有一部,我有6部,我一直學?!钡芯苛巳哪耆匀粵]有令人驚喜的結(jié)果。“后來想想算了,要不就這么做下去,不行就拉倒。”“不行就拉倒”這句話意味著,如果沒有成果,趙苗連碩士學位也拿不到。在這樣的境地下,他仍然堅持科研,甚至不分晝夜地進行實驗。
研究團隊最終基于雙光束超分辨技術(shù)及聚集誘導發(fā)光存儲介質(zhì),在信息寫入和讀出方面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(zhì)壽命大于40年,加速重復(fù)讀取后熒光對比度仍高達20.5:1。
光盤實物照片。
這是國際上首次實現(xiàn)Pb量級的超大容量光存儲?!拔覀兊牟牧鲜峭耆该鞯模阅馨l(fā)揮光的優(yōu)點,可以三維存儲。原來一個1Pb容量的數(shù)據(jù)中心,現(xiàn)在我們相當于把一個機柜縮小到一張光盤上?!比铌槐硎尽?/p>
此次研究成果有助于我國在存儲領(lǐng)域突破關(guān)鍵核心技術(shù),將在大數(shù)據(jù)數(shù)字經(jīng)濟中發(fā)揮作用。論文審稿人評價稱,該研究成果可能會帶來數(shù)據(jù)中心檔案數(shù)據(jù)存儲的突破,解決大容量和節(jié)能的存儲技術(shù)難題。
“雖然我們在國際上完成了雙光束超分辨存儲的原理驗證,但真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有較長的路要走,產(chǎn)業(yè)化還需要大量資金,要解決很多工程性問題?!比铌槐硎?,比如讀出設(shè)備要做得更小,讀出速度要更快,材料也有優(yōu)化空間。未來研究團度將加快原始創(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。