在数字时代来临的今天，英国、德国等发达国家的许多科学家都在努力探寻海量存储的科研方法。近日，上海理工大学和中国科学院上海光学精密机械研究所的团队人员首次证实可以在三维空间实现多至百层的、超分辨尺寸下的信息点的写入和读出，单张盘容量相当于至少一万张蓝光光盘的容量，而且寿命可达50年。领衔研发的上海理工大学光子芯片研究院院长、张江实验室光计算所所长顾敏院士在接受采访时表示：“为这一世界难题的破解提供了中国人开创的全新路径。”
直面数据保存的现实困境
鲜为人知的是，人类保存自己的海量数据并不容易，为了维持数据库严苛的运行环境（如恒温恒湿、防磁防尘）需要产生巨大的能耗。以2022年为例，我国数据中心总耗电量约2700亿千瓦时，超过2座三峡水电站的年发电量。
尤其令人头疼的是，每隔3到10年还需要定期进行数据迁移，因为存储介质的寿命一般都不超过10年，需要定期进行保存和复制，存在数据被篡改或丢失的风险，这其中需要耗费大量的能源和人力成本。无论是个人日常所需，还是工农业生产，开发能够容纳海量数据且绿色安全的存储技术早已迫在眉睫。
顾敏认为：“这也是我们十年磨一剑，寻找优质存储方法的动力所在。”光存储的过程最主要是两方面，一是刻、二是读，但是关键是要“看清楚”光斑上的微观状态下的各种细微变化，这是存储的关键所在。但是长期以来，对光斑的分辨率都被认为是有极限的，即不可能超过光波波长的一半，这被称为“阿贝极限”，也就是物理学上所称的光学衍射极限。2021年《科学》发布的全世界最前沿的125个科学问题中，光学衍射极限高居物理领域首位，同时也是2024年《自然》最新发布的将在未来一年关注的7个技术领域之一，激光直写机、光学显微技术、光存储技术，无一不被光学衍射极限所限制。
从诺贝尔化学奖的技术中得到启发
顾敏告诉记者，2014年诺贝尔化学奖给了团队巨大的启发，当时是1994年，获奖科学家之一的德国物理学家、马克斯·普朗克生物物理化学研究所所长斯特凡·W·赫尔提出了双光束技术的全新方法，将光学显微成像技术的最高分辨率提高到了纳米尺度。
在2013年，顾敏就带领团队开始了创新探索。在激光直写领域，他带领科研团队利用双光束的原理实现了9纳米激光直写技术。
寻找刻录的新型材料是实现梦幻存储科研之梦的第一步。“我们需要的是一种发光材料，当在纳米尺度上被刻上数据后，其会自动发光，而且亮度足够，这样便于后面的读取，但是这样的材料并不易得。2021年，我们实现过一次突破，通过镧系元素（稀土元素之一）掺杂的荧光上转换纳米颗粒和氧化石墨烯结合，实现低功率的光学写入纳米级信息位（纳米级是指1至100纳米的大小，其中1纳米等于1米的十亿分之一），但是当时我们只刻写了一些部分。”顾敏说，当时最大的难题在于材料的特性，它在液体中的发光能力比较强，在固体中发光能力差。
找到最有效的刻录材料
此次获得突破的关键在于团队找到了一种有效的上纳米转换材料。顾敏介绍说，这种材料和之前的荧光上转换纳米颗粒相比，有巨大的优势，其在固体中的发光性能要远远好于液体中的呈现。
“当我们用激光调控聚集诱导发光染料之后，发现刻写后的部分亮度提高了50倍，而且相对于未刻写的部分，材料光学的对比度明显增强。因为其在刻写前呈现出透明的性质，所以能完成100层的刻写，远远高于之前光存储介质6层的刻写极限。”顾敏说。
另外，根据实验测定，此次科研团队开发的光子存储技术保存寿命可达50到100年。完美的性能展现了未来应用的巨大潜能。
首先就是人工智能大数据训练中的独特存储优势。顾敏介绍说，该Pb级海量三维纳米光子存储技术是划时代的技术。以深度学习模型GPT为例，其背后的数据集，如总索引网页数量多达58亿，整个互联网的文本大小约为56Pb。如果还是用1TB容量的移动硬盘去存储这些数据，平铺开来相当于一个标准田径场的面积。而此次科研团队开发的三维纳米光子存储可以将存储空间节省至一台电脑大小，极大地降低了经济成本。
满足未来海量数据的存储需求
在这项技术的推动下，存下全球一年数据所需的Pb级光盘的数量相较于过去的硬盘数量可减少2个数量级，达到“以一抵百”的效果。
顾敏坦言，目前还有一些缺点需要去克服。比如说，需要进一步优化以提高读写速度，并且降低能耗，为未来实现工程化应用做好准备。
“我们希望和国内的大企业牵手合作，一起推进产业化的过程，让中国海量存储设备尽快用在实际工作中去，为中国的人工智能技术发展，数字化转型做出自己的贡献，也希望这一科技成果在航空航天、生物医学、卫星通信等领域大显身手。”顾敏说。
来源：上海科技报 作者：吴苡婷
原文链接：https://www.shkjb.com/content.html?id=232128
