中國科學家開發“超級光盤

存儲（chǔ）與人（rén）類文明息息相關，大腦就是一個大容量存儲器。在AI時代，存（cún）儲更是智慧的基礎。傳統商用光盤（pán）的最（zuì）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（shí）現Pb量級超大容量光存儲，1Pb相當於1000Tb，也（yě）相（xiàng）當（dāng）於100萬Gb，相當於把一個小（xiǎo）型數據中心機櫃（guì）縮小到（dào）一張光盤上，類似於裁線機製精度有多高一樣。

中國科學院上海光學精（jīng）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（wèi）合作，研究團（tuán）隊利用國際首創的雙光束（shù）調控（kòng）聚集誘導發光超分辨光存儲技術，實（shí）驗上首次在信息寫入和讀出均突破了衍射極（jí）限的限製，實現了點（diǎn）尺（chǐ）寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數據存儲，並完成了100層的多層記錄，單盤等效容量達Pb量（liàng）級。這對於我國在信息存儲領域突破關（guān）鍵核心技術（shù）、實現數字經濟可持續發展具有重大意（yì）義。相關研究成果於2月22日發表在《自然》（Nature）雜誌。

全世界最前沿的科學難題

數據就（jiù）像石油一樣存在地下，什麽時候要用數（shù）據，什麽（me）時候就把它（tā）開（kāi）采出來。

“數據還在飛速增長（zhǎng），預計明年全球會（huì）產生175ZB數（shù）據，1ZB就相當於100萬PB。”論（lùn）文通訊（xùn）作（zuò）者（zhě）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”，其產生的數據都是海量（liàng）的。

科研（yán）數據、財務數據是典型的冷數據，訪問頻（pín）率低。“80%的數據都是冷數據，需要低成（chéng）本的存儲。”阮昊介紹，目前（qián）存儲的方式有磁存儲、光存儲和半（bàn）導（dǎo）體（tǐ）存儲。半導體（tǐ）存儲適（shì）合熱（rè）數據存儲，用於冷數據存儲（chǔ）的（de）成本高昂。而（ér）光存儲技術具有綠（lǜ）色節能、安全可靠、壽命長達50-100年的獨特優勢，適合長期低成（chéng）本存儲海量數據。

然而受衍射極限的限製，信息點的道間距無法（fǎ）進一步縮小（xiǎo），導致（zhì）傳統商用光盤的最大容量僅在百GB量級。“在CD、DVD時代，光盤（pán）很（hěn）熱（rè），這幾十年沉澱了，主要是衍射極限突破不了。”阮昊（hào）表示。

2021年《科學》（Science）發布的全世界最（zuì）前沿的125個科學問題（tí）中，突破衍射極（jí）限限製在物理領域高居首位。在（zài）信息量日益增長的大數據時代，突（tū）破（pò）衍射極限、縮小信（xìn）息點尺寸、提（tí）高單（dān）盤存儲容量成為光存儲（chǔ）的不懈追求（qiú）。

1994年，德國科學家Stefan W. Hell教授提出受激輻射（shè）損耗顯微（wēi）技術，首次在（zài）成像領域（yù）證明光學衍射極限（xiàn）能夠（gòu）被打破，2014年獲得了諾貝（bèi）爾化學獎。經過20多年（nián）發展，這一（yī）技術已在顯微（wēi）成像、激光納米直寫等領域實現了光學超（chāo）分辨成果，信息的超分辨寫（xiě）入已經得到（dào）了解（jiě）決。

然而，傳統染料在聚集狀態下極易發（fā）生熒光猝滅，造成信息丟失，在納米尺度下還存在被背景（jǐng）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（xiàn）製了（le）超分辨技術在光存儲領域中的應用（yòng）。因此（cǐ），發展可同步實現超分辨寫、超分辨（biàn）讀、三維存儲及長壽命介質是10多年來（lái）光存儲（chǔ）研究領域亟（jí）待解決的難題。

手握6部“武功秘（mì）籍”甘坐冷板凳（dèng）

上世紀八十年代，上海光機所幹福熹院士開創了我國數字光盤存（cún）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、上海光機所博士後趙苗在（zài）上海光機所碩博連讀，將這個課題從頭堅持到尾，“我當（dāng）時想，如果（guǒ）我把這件事做出來，將是一件非（fēi）常有意義的事。”

為此，導師（shī）阮昊為趙苗配備了“智囊團”重新給他打（dǎ）基礎。別人隻有1個導師（shī），趙苗卻有6個，“就像（xiàng）最頂級的武功秘籍，別人隻有一部（bù），我有6部，我一直學。”但研究了三（sān）四年仍然沒有令人驚喜的結果。“後來想想算了，要不就這麽做下去（qù），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（shuò）士學位（wèi）也拿不到。在（zài）這樣的境地下（xià），他仍然堅持科研，甚至不分晝夜地進行實驗。

研究團隊最（zuì）終基於雙光束超分辨技術及（jí）聚集誘導發光存儲介質，在信息寫入和讀出方麵均（jun1）突破了衍射極限的限製，實現了（le）點尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數據存儲，並（bìng）完成了100層的多層記錄，單（dān）盤等效容量約1.6Pb。經老化加速測（cè）試，光盤介質壽命大於（yú）40年，加速重複讀取後熒光對比度仍高達（dá）20.5：1。

光盤實物照片。

這（zhè）是國際上首次實現Pb量級的超大容量光存儲（chǔ）。“91成人版的材料是完全透（tòu）明的，所以能發揮光（guāng）的優點，可以三維存儲。原來一個1Pb容量的數（shù）據中心，現在（zài）91成人版相當（dāng）於把一個機櫃縮小到（dào）一張光盤上。”阮昊表示。

此次研究成果有（yǒu）助於我國在存儲領域突破關（guān）鍵核心技（jì）術，將在大（dà）數據數字經濟中發揮作用。論文審稿人評價稱，該研究成果可能會帶（dài）來數據中心檔（dàng）案數（shù）據存儲的突破，解決大容量（liàng）和節（jiē）能的存（cún）儲技術難題。

“雖然91成人版在國際上完成了雙光束超分辨（biàn）存儲的（de）原理驗證（zhèng），但（dàn）真正實現產業化還有較長的路要走，產業化還需要大量資金，要解決很多（duō）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（yào）更快，材料也有優化空間。未來研究團度將加快原始創新和關鍵技術攻關，推動超大容量光存儲的（de）集成化和產業化進程，並拓展其在光顯微成像、光顯示、光信息處理等領域的交叉（chā）應用。