文静（左）与团队成员一起做实验
超级光盘技术示意图
随着人工智能时代的到来，数据存储成为一个重要且关键的研究领域。我国数据存储技术到底如何提升，成为产学研各界关注的重点。
日前，中国工程院外籍院士、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和文静教授团队，与中国科学院上海光学精密机械研究所研究员阮昊团队，在存储领域突破光学衍射极限，研发出超大容量纳米级三维光盘存储器。
该技术能让巴掌大小的光盘，拥有1.6PB的存储量（PB是一种计算机存储容量的单位，等于10的15次方比特，相当于一百万个GB）。“可以说，我们团队登上了这一领域的‘珠穆朗玛峰’。”顾敏说。
这一重要研究成果近日发表于国际学术期刊《自然》（Nature），引发广泛关注。鲜为人知的是，这项研究背后有着一支在该领域坚守10多年的青年团队。
一张光盘等于一个小型数据中心
这项研究，此前被众多媒体形容为“超级光盘”项目。即用一张巴掌大的光盘，来实现一个小型数据中心的存储量。
“听起来很科幻，1.6PB这一数据，实际上是团队通过计算单位面积上可以实现的存储密度而计算出来的一个等效存储数据量。”文静告诉中青报·中青网记者，通过实验及科学论证得出的这一可行性结论，震撼人心。
据她介绍，团队研究的是“双光束超分辨光存储技术”，这项技术，可以实现在一张光盘上存储相当于1.6PB容量的数据，并且可以被录入和读取。
“不过，目前的读写设备还处于实验室阶段，体积稍微庞大。”文静说，未来，真正实现大容量存储还需要可以高度商用化的低成本、小型化读写设备。
她告诉记者，目前，该团队在小型化超分辨读写设备上已有一些阶段性成果；未来还要研究如何提升读写速度并进一步降低单点能耗等问题。
顾敏团队针对“超级光盘”的研究开始于2013年。那时，顾敏就有意在光盘领域研究大容量存储的突破之道，并首次利用双光束超分辨原理，在激光直写领域突破光学衍射极限，创造9纳米特征尺寸的世界纪录。
所谓“双光束”，是指通过两束激光的照射，使得存储材料上的数据能发出纳米尺度的强光，光越强，信号也就越强。“读取光盘里的数据，需要探测信号，信号强了，才更加容易读取。”文静说。
她打了一个比方：如果把一点一点的光，比作天上的“星星”，研究团队要实现的目标，就是让单位面积上存放更多的“星星”，并且让这些“星星”都能通过光束的照射被清晰地“读取”出来。
“星星”越密集，存储量就越大，但同时写入和读取的难度也就越大。以此次一张光盘含有1.6PB等效数据量的研究为例，这样一张光盘的层数多达100层、厚度仅100微米，“星星”密密麻麻地叠在100层材料里，如何把它们写入并有效读取出来？难度极大。
仅单层光盘，材料就找了5年多
在全球数据存储市场，固态硬盘及全闪存储被认为是未来存储领域的大方向，尤其是固态硬盘存储领域，长期被日美公司垄断。我国如果能在大容量光存储领域取得突破，将有机会在数据存储方面实现“弯道超车”。
论文通讯作者之一、中国科学院上海光学精密机械研究所研究员阮昊介绍，传统发光染料材料在聚集状态下极易发生荧光猝灭，造成信息丢失。这种材料在纳米尺度下还存在被背景噪声淹没的难题，导致超分辨的信息难以读出。
但这一次，研究团队选择的是一种全透明的材料。
“大家觉得光盘都是那种反射面的，但我们这次选用的材料是全透明的。”文静说，这种材料可以从单层拓展到多层，光束照射下去，可以探查到介质最深的地方，因此，附着在介质上被叠起来的“星星”可以一点一点地辨别清楚。
“这种材料，目前只有顾敏老师和由他领导的研究团队采用了。”文静说，为了找到理想的材料，团队采用高通量的方法，筛选数百种材料，逐个验证哪种最合适。
研究团队用了超过5年的时间找材料，排除很多错误选项，直到2021年年初，一种理想的材料才被筛选出来。
“我们选用的是聚集诱导发光染料材料，它的化学式，像有6片叶子的‘发光风车’，‘风车’转得越快，消耗的动能越多，对外发的光就越少。要让‘风车’发光更强，就要让它转慢一些。我们把‘风车’放在有机树脂薄膜里，并让激光去照射。”文静说，这种材料独特的化学结构，使得它可以超越衍射极限，分辨出两个相邻点的距离，实现精确读写。
“在顾院士的指导下，该材料已从最初的单层读写拓展到100层读写。”文静告诉记者，起初团队把实验记录做到了30层，即找到一种可以叠加30层并能实现读写的材料。团队成员、中国科学院上海光学精密机械研究所博士后赵苗把数据整理好后，欣喜地向顾敏汇报，却被顾院士很严肃地“怼”了回来。
文静说，顾院士对本领域的研究有敏锐的判断，他知道实验参数做到什么程度才能被称为“顶尖”。当材料做到70纳米一层、共30层时，顾敏便明确“是否可以优化到100层，并实现记录点尺寸在50纳米左右”。
为此，团队成员后期又花了大量时间优化实验条件。层数越多，难度越大。
论文一审像第二次“高考”
当研究团队把这一光盘存储技术的光盘层数确定在100层、容量定在1.6PB、信息点尺寸定在54纳米后，就要开始漫长的论文投递过程了。
因为文章的内容足够“硬”，团队在投稿后3周就收到3位审稿人的积极回复。那是2023年6月底，距离这篇论文最后发表还有将近1年的时间。在这近1年的时间里，研究团队的工作重心转移到了回答审稿人的提问和修改论文上。
审稿人抛来了几十个问题，需要进一步提供数据支持。在顾院士和团队成员仔细逐个讨论完每个问题后，初步实验方案终于定了下来。文静和赵苗开始“倒班”做实验，回答审稿人的疑问。凌晨，赵苗做完实验；早上，文静拿到数据就开始分析，再根据结果更新实验方案和参数。
其中，最难回答的一个问题是——如何用实验手段去验证“激光激发的聚焦诱导发光染料的荧光增强效应”，并解释其发生机理。其本质，就是要求研究团队来证明，为什么用激光诱导就能实现“让星星更亮”这一现象。
“我们之前一直在关注层数、存储容量及其对应的激光光束调控等问题。这其实是我们通过很多实验观察到的一种现象。但审稿人要求我们验证这个现象存在的机理。”文静说。她与赵苗配合，花了2个月时间，用不同的手段和方法，来验证这种现象发生的机理，“就像是做考卷一样，答得不到位，就有可能导致文章发表不了”。
为了补充实验数据，文静好几个月都是凌晨才回到家。那时，正值父母从老家过来看她，结果两人很少见到女儿。为了不让文静有负担且不打扰她的工作，他们提前离开了上海。
文静跟家里人开玩笑说：“论文一审我要竭尽全力，这是我的第二次‘高考’，孩子就交给你们啦。”后来，论文到了二审阶段，她又跟家里人交代孩子的事情，家人开玩笑问她：“现在你是‘中考’了吗？”
2016年，文静就跟着顾敏院士进入这个研究领域。她当时就认准了“大容量光存储”方向，“我很喜欢这个课题。它很难，要花很多精力，甚至还需要运气。有可能花了很多年的时间也写不出一篇论文，但我始终很有信心，我知道，一旦做成了，就是大成果。我们希望在顾院士的带领下，做成前沿研究热点并成为朝阳产业”。
她告诉记者，自己特别感谢上海理工大学光电信息与计算机工程学院的庄松林院士和张大伟院长，不让青年科学家有科研经费绩效指标的压力，“可以静下心做研究，帮助我们快速上路”。
阮昊介绍，当前固态硬盘发展接近极限，要做得更小，面临很大挑战。半导体存储成本很高、寿命较短、数据容易丢失；光存储能有效解决这些问题，因而是未来大数据、人工智能发展的一块基石。
研究团队透露，该技术目前已申请专利，下一步的目标是走向产业界。但要实现产业化，在写入和读取速度以及能源效率等多方面仍有待进一步提升，在大规模生产方面也需要继续摸索。
来源：中国青年报
原文链接：https://zqb.cyol.com/html/2024-04/01/nw.D110000zgqnb_20240401_1-08.htm
