提起光盤這個(gè)名詞，你是不是要反應(yīng)片刻？

當(dāng)光驅(qū)逐漸消失，光盤也和日常生活工作漸行漸遠(yuǎn)?？蓪?duì)大存儲(chǔ)量的數(shù)據(jù)中心來說，光盤卻是不容忽視的重要存儲(chǔ)手段。

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所與上海理工大學(xué)等科研單位合作，利用全球首創(chuàng)的雙光束調(diào)控聚集誘導(dǎo)發(fā)光超分辨光存儲(chǔ)技術(shù)，造出了一張“全透明”的光盤，單盤等效容量達(dá)Pb量級(jí)（1Pb=1000Tb），相當(dāng)于100個(gè)商用硬盤。

相關(guān)成果于北京時(shí)間今天凌晨在國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上發(fā)表。

上海光機(jī)所研究員阮昊展示Pb量級(jí)光盤。新民晚報(bào)記者 陶磊 攝

好用，也“難用”

曾幾何時(shí)，在不同的平臺(tái)上，光盤都所向披靡，引領(lǐng)了一場(chǎng)場(chǎng)變革。光盤原理并不難懂，盤上有一圈一圈非常細(xì)的紋路，背面壓上能反光的材質(zhì)，用平整和小凹坑代表0和1，就能夠存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)了。

人類正處于數(shù)據(jù)爆炸的時(shí)代，全球數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)激增，由此也帶來了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)難題——大容量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)也需要大能耗。統(tǒng)計(jì)顯示，以2022年為例，中國的數(shù)據(jù)中心總耗電量約2700億千瓦時(shí)，超過2座三峽水電站的年發(fā)電量。尤其令人頭疼的是，每隔3到10年還需要定期進(jìn)行數(shù)據(jù)遷移，這樣就存在數(shù)據(jù)被篡改或丟失的風(fēng)險(xiǎn)，且存儲(chǔ)壽命短。

而光存儲(chǔ)技術(shù)綠色節(jié)能、安全可靠，還“長壽”，很適合用來長期低成本地存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)。然而，受到光學(xué)衍射極限的限制，傳統(tǒng)商用光盤容量基本不超過500GB。“光盤上存儲(chǔ)的是一個(gè)個(gè)信息點(diǎn)，兩點(diǎn)太近就容易互相干擾，無法進(jìn)一步提高存儲(chǔ)容量。”中國科學(xué)院上海光機(jī)所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部博士后、論文第一作者趙苗解釋。

大數(shù)據(jù)時(shí)代，突破衍射極限、縮小信息點(diǎn)尺寸、提高單盤存儲(chǔ)量長久以來都是光存儲(chǔ)領(lǐng)域的不懈追求。

破極限，找材料

光學(xué)衍射極限，曾在2005年和2021年兩度登上《科學(xué)》雜志發(fā)布的全球最前沿的125個(gè)科學(xué)問題，足見難如登天。

諾貝爾獎(jiǎng)得主斯特凡·W·赫爾在20世紀(jì)90年代提出了受激輻射損耗顯微技術(shù)，隨后在顯微成像領(lǐng)域證明了光學(xué)衍射極限能夠被打破。2013年，顧敏院士團(tuán)隊(duì)利用雙光束的原理實(shí)現(xiàn)了9納米激光直寫技術(shù)，在激光直寫領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)超分辨。然而，一直缺乏可行的材料能做到雙光束存儲(chǔ)：能超分辨寫、超分辨讀、三維存儲(chǔ)及長期保存。

納米光子存儲(chǔ)示意圖。受訪者供圖

研究團(tuán)隊(duì)“兩條腿走路”，一邊突破衍射極限限制，一邊尋求合適的材料?！敖野駫鞄洝毕?，多支科研團(tuán)隊(duì)紛紛投入，共同探尋突破。

“我們?cè)趪H上首創(chuàng)光束調(diào)控聚集誘導(dǎo)發(fā)光超分辨光存儲(chǔ)技術(shù)，可調(diào)控聚集誘導(dǎo)發(fā)光效應(yīng)和區(qū)域，將信息記錄點(diǎn)縮小到納米級(jí)別，同時(shí)實(shí)現(xiàn)超分辨讀出，在光存儲(chǔ)領(lǐng)域突破衍射極限。”上海光機(jī)所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部研究員、論文共同通訊作者之一的阮昊研究員介紹。

在材料選擇上，“大浪淘沙”后，AIE染料摻雜有機(jī)樹脂進(jìn)入了團(tuán)隊(duì)的視野。新材料的表現(xiàn)令人欣喜：其在激光的調(diào)控下能夠使熒光增強(qiáng)五六十倍，而且“寫過留痕”——激光寫入的地方會(huì)發(fā)生紅移，產(chǎn)生非常高的信噪比。

團(tuán)隊(duì)介紹，該光盤實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)尺寸為54納米，道間距為70納米的超分辨數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，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(cè)試，光盤介質(zhì)壽命大于40年。研究人員在光盤各層分別寫入上海光機(jī)所和上海理工大學(xué)的標(biāo)識(shí)，從第1層和第100層都可以讀出，展示了材料極高的三維性能。

100層記錄和二進(jìn)制編碼譯碼復(fù)原結(jié)果。受訪者供圖

“光盤的原始誤碼率為0.33%，經(jīng)過糾錯(cuò)技術(shù)后，單盤的誤碼率基本接近零?！比铌谎a(bǔ)充道，“在鍍保護(hù)層等操作后，光盤壽命有望達(dá)到百年。”

產(chǎn)業(yè)化，向前走

據(jù)悉，這項(xiàng)突破是國際上首次實(shí)現(xiàn)Pb量級(jí)的超大容量光存儲(chǔ)，對(duì)于中國在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域突破關(guān)鍵核心技術(shù)、實(shí)現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

國際同行評(píng)價(jià)說，該研究成果可能會(huì)帶來數(shù)據(jù)中心檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的突破，解決大容量和節(jié)能的存儲(chǔ)技術(shù)難題。另一位論文審稿人指出：“這是一種具有突破性創(chuàng)新的Pb級(jí)光存儲(chǔ)技術(shù)……顯示出巨大的實(shí)用和商業(yè)潛力?！?

“隨著人工智能迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)增加的速度超乎想象。大數(shù)據(jù)面臨儲(chǔ)存容量、能耗和壽命的挑戰(zhàn)，全球科學(xué)家的工作也圍繞這些熱點(diǎn)展開?！闭撐牧硪晃还餐ㄓ嵶髡撸虾＠砉ご髮W(xué)光子芯片研究院院長、張江實(shí)驗(yàn)室光計(jì)算所所長顧敏院士預(yù)計(jì)，這項(xiàng)技術(shù)將在未來改進(jìn)讀寫速度等問題，實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，將為大數(shù)據(jù)中心提供海量冷數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方案?！叭绻M(jìn)一步實(shí)現(xiàn)與企業(yè)的合作，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用速度還將提前?！?

當(dāng)然，超大容量光存儲(chǔ)的集成化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程之路還很崎嶇，光盤的讀寫速度、新型光驅(qū)的工程化等都需要一一解決?！跋噍^于常見的固態(tài)硬盤，光盤的存儲(chǔ)條件更加寬松，穩(wěn)定性也更強(qiáng)?！比铌环Q，未來團(tuán)隊(duì)將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，產(chǎn)出更多更優(yōu)秀的創(chuàng)新成果。

上海理工大學(xué)光子芯片研究院院長、張江實(shí)驗(yàn)室光計(jì)算所所長顧敏院士，上海理工大學(xué)文靜教授，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所阮昊研究員為通訊作者。上海光機(jī)所博士后趙苗和上海理工大學(xué)文靜教授為并列第一作者。研究工作得到了上海市科委重大項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

（郜陽 易蓉/新民晚報(bào)）