存儲與人類文明息息相關，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。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。
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，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域突破關鍵核心技術、實現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。相關研究成果于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，預計明年全球會產(chǎn)生175ZB數(shù)據(jù)，1ZB就相當于100萬PB。”論文通訊作者之一、上海光機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)、財務數(shù)據(jù)是典型的冷數(shù)據(jù)，訪問頻率低。“80%的數(shù)據(jù)都是冷數(shù)據(jù)，需要低成本的存儲。”阮昊介紹，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，首次在成像領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，這一技術已在顯微成像、激光納米直寫等領域?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，限制了超分辨技術在光存儲領域中的應用。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)字光盤存儲技術的研究，研究團隊一直深耕光存儲領域。
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。”
為此，導師阮昊為趙苗配備了“智囊團”重新給他打基礎。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。”但研究了三四年仍然沒有令人驚喜的結(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。“我們的材料是完全透明的，所以能發(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。”阮昊表示。
此次研究成果有助于我國在存儲領域突破關鍵核心技術，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。”阮昊表示，比如讀出設備要做得更小，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)新和關鍵技術攻關，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、光信息處理等領域的交叉應用。
