“超大容量光盤”取得突破進展，上海光機所最新研究登上《Nature》雜志

數(shù)據(jù)爆炸的時代，如何存儲海量數(shù)據(jù)是模型訓(xùn)練之外的又一個巨大挑戰(zhàn)。

近日，中國科學(xué)家在超大容量超分辨三維光存儲研究中取得了突破性進展。中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所（以下簡稱“上海光機所”）與上海理工大學(xué)等科研單位合作，在國際上首次完成雙光束超分辨三維光存儲的原理和實驗驗證。

具體來說，是實現(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（相當(dāng)于1000個Tb）。

2月22日，相關(guān)研究成果在《自然》（Nature）雜志發(fā)表。

光盤實物照片。圖片來源：《Nature》

這意味著，原本需要用數(shù)據(jù)中心的一個機柜存儲的數(shù)據(jù)，可以“存放”到一張光盤中。

論文審稿人評價稱，“與現(xiàn)有其它技術(shù)相比，該技術(shù)在性能方面提供了最高的光存儲面密度”，還表示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。

數(shù)據(jù)存儲的常見介質(zhì)包括移動硬盤、固態(tài)硬盤（SSD）、光盤、磁帶等，目前數(shù)據(jù)中心主要采用磁存儲和半導(dǎo)體存儲方式。

論文通訊作者之一、上海光機所阮昊研究員解釋稱，如今需要存儲的數(shù)據(jù)中，80%屬于不經(jīng)常訪問的“冷數(shù)據(jù)”，半導(dǎo)體存儲更適合“熱數(shù)據(jù)”的存儲，需要嚴(yán)格的存儲條件和較高的成本。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（達50到100年），適合長期低成本存儲海量數(shù)據(jù)。

不過，受限于衍射極限，傳統(tǒng)商用光盤的最大容量僅在百GB量級。1994年德國科學(xué)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。經(jīng)過20多年的發(fā)展，顯微成像、激光納米直寫等多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了光學(xué)超分辨成果，信息的超分辨寫入已經(jīng)得到了解決。

但在超分辨的信息“讀出”方面，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，納米尺度下還有被背景噪聲湮沒的難題，限制了超分辨技術(shù)在光存儲領(lǐng)域中的應(yīng)用。

因此，突破上述限制、縮小信息點尺寸、提高單盤存儲容量，成為光存儲領(lǐng)域研究人員多年來的努力方向。

據(jù)界面新聞了解，從上世紀(jì)80年代開始，上海光機所干福熹院士就開創(chuàng)了我國數(shù)字光盤存儲技術(shù)的研究，其研究團隊一直深耕光存儲領(lǐng)域。

在取得此次進展之前，上述論文的研究團隊堅持了長達7年的研究，最終利用國際首創(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了衍射極限的限制。

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。 這是國際上首次實現(xiàn)Pb量級的超大容量光存儲。

Pb級光盤制備及讀寫方式示意圖。圖片來源：《Nature》

生成式人工智能爆發(fā)后，全球數(shù)據(jù)存儲的需求激增。

去年12月15日，國家數(shù)據(jù)局起草的《“數(shù)據(jù)要素×”三年行動計劃（2024-2026年）（征求意見稿）》提出，支持開展通用人工智能大模型和垂直領(lǐng)域人工智能大模型訓(xùn)練。

中商產(chǎn)業(yè)研究院的報告也顯示，2021年我國數(shù)據(jù)存儲行業(yè)的市場規(guī)模增長至5983.44億元，2022年約為6400億元。

而該超大容量超分辨光盤的成功研制，有助于數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域的核心技術(shù)突破，對滿足信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的需求有長遠(yuǎn)意義。

但必須承認(rèn)的是，上述研究成果的發(fā)布只是“邁出的第一步”。

阮昊表示，目前研究團隊完成了雙光束超分辨存儲的原理和實驗驗證，但距離產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)還有較長的路要走，這離不開產(chǎn)業(yè)界科技公司和學(xué)界的各方面合作。未來，研究團隊將繼續(xù)進行技術(shù)攻關(guān)，希望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。