“超大容量光盘”--上海光机所最新研究登上《Nature》杂志

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数据爆炸的时代，如何存储海量数据是模型训练之外的又一个巨大挑战。


近日，中国科学家在超大容量超分辨三维光存储研究中取得了突破性进展。中国科学院上海光学精密机械研究所（以下简称“上海光机所”）与上海理工大学等科研单位合作，在国际上首次完成双光束超分辨三维光存储的原理和实验验证。


具体来说，是实现了点尺寸为54nm、道间距为70nm的超分辨数据存储，并完成了100层的多层记录，单盘等效容量达Pb量级（相当于1000个Tb）。


2月22日，相关研究成果在《自然》（Nature）杂志发表。


这意味着，原本需要用数据中心的一个机柜存储的数据，可以“存放”到一张光盘中。


论文审稿人评价称，“与现有其它技术相比，该技术在性能方面提供了最高的光存储面密度”，还表示研究成果可能会带来数据中心档案数据存储的突破，解决大容量和节能的存储技术难题。


数据存储的常见介质包括移动硬盘、固态硬盘（SSD）、光盘、磁带等，目前数据中心主要采用磁存储和半导体存储方式。


论文通讯编辑之一、上海光机所阮昊研究员说明称，如今需要存储的数据中，80%属于不经常访问的“冷数据”，半导体存储更适合“热数据”的存储，需要严格的存储条件和较高的成本。而光存储技术具有绿色节能、安全可靠、寿命长等优势（达50到100年），适合长期低成本存储海量数据。


不过，受限于衍射极限，传统商用光盘的最大容量仅在百GB量级。1994年德国科学家Stefan W. Hell教授提出受激辐射损耗显微技术，首次在成像领域证明了光学衍射极限能够被打破，并在2014年获得诺贝尔化学奖。经过20多年的发展，显微成像、激光纳米直写等多个领域实现了光学超分辨成果，信息的超分辨写入已经得到了解决。


但在超分辨的信息“读出”方面，传统染料在聚集状态下极易发生荧光猝灭，造成信息的丢失，纳米尺度下还有被背景噪声湮没的难题，限制了超分辨技术在光存储领域中的应用。


因此，突破上述限制、缩小信息点尺寸、提高单盘存储容量，成为光存储领域研究人员多年来的努力方向。


据界面资讯了解，从上世纪80年代开始，上海光机所干福熹院士就开创了我国数字光盘存储技术的研究，其研究团队一直深耕光存储领域。


在取得此次进展之前，上述论文的研究团队坚持了长达7年的研究，最终利用国际首创的双光束调控聚集诱导发光超分辨光存储技术，实验上首次在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制。


经老化加速测试，光盘介质寿命大于40年，加速重复读取后荧光对比度仍高达20.5：1。 这是国际上首次实现Pb量级的超大容量光存储。


生成式人工智能爆发后，全球数据存储的需求激增。


去年12月15日，国家数据局起草的《“数据要素×”三年行动计划（2024-2026年）（征求意见稿）》提出，支撑开展通用人工智能大模型和垂直领域人工智能大模型训练。


中商产业研究院的报告也显示，2021年我国数据存储行业的市场规模增长至5983.44亿元，2022年约为6400亿元。


而该超大容量超分辨光盘的成功研制，有助于数据存储领域的核心技术突破，对满足信息产业领域的需求有长远意义。


但必须承认的是，上述研究成果的发布只是“迈出的第一步”。


阮昊表示，目前研究团队完成了双光束超分辨存储的原理和实验验证，但距离产业化的实现还有较长的路要走，这离不开产业界科技企业和学界的各方面合作。未来，研究团队将继续进行技术攻关，希翼拓展其在光显微成像、光显示、光信息处理等领域的交叉应用。