如何存储海量数据
当下，我们正处于大数据爆炸时代。大科学装置的观测数据、人工智能大模型的训练数据……各种数据呈指数级增长，预计2025年全球将产生175ZB的数据。
这是一个什么概念？我们最为熟悉的可能是GB，1GB数据大约相当于5小时的移动网页浏览，而1TB=1024GB，1PB=1024TB，1EB=1024PB，1ZB=1024EB。
这带来一个问题，如何存储海量数据？
近日，中国科学院上海光学精密机械研究所（以下简称“上海光机所”）与上海理工大学等合作，在国际上首次实现一张光盘达1.6Pb（1B=8b）的超分辨三维数据存储，是普通蓝光光盘容量的1万倍。这对于我国在信息存储领域突破关键核心技术、实现数字经济的可持续发展具有重大意义。2月22日凌晨，相关研究成果发表在国际学术期刊《自然》上。
这带来一个思考，“沉寂”了20年的光盘，能否迎来产业化的下一个“春天”？
【全国数据中心一年耗电量，占全社会用电量约3%】
2022年，全国数据中心耗电量达到2700亿千瓦时，为同期三峡电站累计发电量的两倍以上，占全社会用电量约3%。
事实上，由于耗电量巨大，我国新建的数据中心一般建在西部寒冷地区，而美国的一些数据中心甚至建在海底或北极地区。
访问频率高的为热数据，访问频率低的为冷数据，经过一段时间，80%的数据会变为冷数据。半导体适合存储热数据，但价格偏高、寿命短；磁存储需要恒温恒湿，且经常需要重新导入，而光存储具有绿色节能、长期保存的特性，特别适合冷数据的存储，但光学衍射极限是该技术一直难以突破的瓶颈。
正是由于衍射极限，导致光盘上的信息点无法进一步缩小，从而单盘容量难以突破500GB。在2021年国际学术期刊《科学》发布的全世界最前沿的125个科学问题中，衍射极限仍为物理学首要难题。
在相关科学的探索中，有过两次重要突破。德国的斯特凡·W·赫尔教授，开发了受激辐射损耗显微技术，并因此获得2014年诺贝尔化学奖。2012年，澳大利亚技术科学与工程院院士、澳大利亚科学院院士顾敏团队，实现最小线宽可达9纳米的激光直写光刻实验，但其材料是液态的，难以用于实际存储。
十多年来，科学界一直在苦苦探寻可进行双光束光存储的材料。
【神奇光盘什么样？仅仅20克，看上去透明轻薄】
“这件事实在是太难了! 很多课题组都不愿意碰。也正是因为太难，早期有家合作的公司也撤资了，研究差点难以为继。”论文通讯作者之一、上海光机所阮昊研究员告诉解放日报·上观新闻记者，幸亏这一前瞻性研究在论文的另一位通讯作者顾敏院士的大力推动下，得到了上海市科委和国家重点研发计划等支持。
阮昊研究员在展示光盘。黄海华 摄
论文第一作者之一、上海光机所博士后赵苗坦言，当连续做了三四年都没有什么眉目时，他曾气馁过，所幸导师阮昊研究员一直鼓励，此外还得到了上海理工大学文静教授（论文并列第一作者及通讯作者之一）、中国科学院化学研究所钟羽武研究员、华中科技大学甘棕松教授等多位老师的倾囊相授，也亲身体验到各个科研团队之间毫无保留的合作与共享。
上海光机所既研究光读写技术、也研究存储材料，这在国内比较少见，是我国最重要的信息存储材料与技术研究基地之一。研究团队利用国际首创的双光束调控聚集诱导发光超分辨光存储技术，找到了一种发光存储新材料，从而在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制。
一张光盘由多个信息点组成，信息点越多，存储容量就越大。过去，由于信息点之间的距离（道间距）受到衍射极限的限制，因此有320纳米之多，信息点的尺寸也大到150纳米，且一张光盘单面最多只能刻写3层。
如今，在与中国工程院外籍院士、上海理工大学光子芯片研究院院长顾敏教授和文静教授等科研人员合作下，研究团队“七年磨一剑”，实现了信息点尺寸为54纳米、道间距为70纳米的超分辨数据存储，并完成了多达100层的刻写记录，单个光盘等效容量约1.6Pb。经老化加速测试，光盘介质寿命大于40年，加速重复读取后荧光对比度仍高达20.5：1。要知道，当光盘的信息对比度达到3：1时就可重复读取。
这样的神奇光盘长什么样？仅仅20克，看上去透明轻薄。
这是国际上首次实现Pb量级的超大容量光存储，得到了论文审稿人的高度评价：“与现有其他技术相比，该技术在性能方面提供了最高的光存储面密度”“研究成果可能会带来数据中心档案数据存储的突破，解决大容量和节能的存储技术难题”。
【这一“突破性创新”，是否能复制商业传奇】
采访时，阮昊津津乐道一个故事：诺奖得主赫尔教授，后来与德国著名光学公司莱卡成立了合资公司，推动了超分辨光学显微镜的产业化，最贵的设备能卖到300万欧元，在商业上取得了极大的成功。
纵观人类文明和存储的关系，一部人类文明史堪称人类社会信息存储发展历史。未来，存算一体更是趋势所在。
放眼全球，2022年半导体存储市场约1392亿美元，机械硬盘市场约183亿美元，磁带存储市场约47亿美元，存储市场有着很大的发展空间。尽管光盘存储市场“沉寂”了20年，但此次被论文审稿人誉为“突破性创新”的研究进展，是否也能复制赫尔教授的商业传奇？
一张实现了超分辨三维数据存储的光盘，相当于一万张普通蓝光光盘，这意味着成本可以大大降低；即使刻写了100层，信号也几乎没有衰减，原始误码率仅为0.33%，这意味着具有实用化的潜力；未来加保护层后，如今预计超过40年的光盘介质，寿命还将延长。
“当科研进入‘深水区’，应着眼于某个领域的长期发展，才会有从0到1的突破，接下来我们要解决从1到10的问题。”上海光机所科技综合处处长于飞说。据悉，上海光机所已经申请了技术专利，研究团队正在考虑推进产业化，对于科技或风投公司的合作都表示欢迎。
“虽然我们在国际上第一个完成了原理和实验验证，但未来在产业化道路上还有很多问题待解决。”阮昊说，乐观预计，再过5年初步实现产业化。
来源：解放日报·上观新闻 作者：黄海华
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