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提起光盤這個名詞，你是不是要反應(yīng)片刻？

當光驅(qū)逐漸消失，光盤也和日常生活工作漸行漸遠。可對大存儲量的數(shù)據(jù)中心來說，光盤卻是不容忽視的重要存儲手段。

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

相關(guān)成果于北京時間今天凌晨在國際頂級學術(shù)期刊《自然》（Nature）上發(fā)表。

上海光機所研究員阮昊展示Pb量級光盤。新民晚報記者 陶磊 攝

好用，也“難用”

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

人類正處于數(shù)據(jù)爆炸的時代，全球數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級激增，由此也帶來了數(shù)據(jù)的存儲難題——大容量數(shù)據(jù)的存儲也需要大能耗。統(tǒng)計顯示，以2022年為例，中國的數(shù)據(jù)中心總耗電量約2700億千瓦時，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年還需要定期進行數(shù)據(jù)遷移，這樣就存在數(shù)據(jù)被篡改或丟失的風險，且存儲壽命短。

而光存儲技術(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海量數(shù)據(jù)。然而，受到光學衍射極限的限制，傳統(tǒng)商用光盤容量基本不超過500GB。“光盤上存儲的是一個個信息點，兩點太近就容易互相干擾，無法進一步提高存儲容量。”中國科學院上海光機所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部博士后、論文第一作者趙苗解釋。

大數(shù)據(jù)時代，突破衍射極限、縮小信息點尺寸、提高單盤存儲量長久以來都是光存儲領(lǐng)域的不懈追求。

破極限，找材料

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

諾貝爾獎得主斯特凡·W·赫爾在20世紀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)域證明了光學衍射極限能夠被打破。2013年，顧敏院士團隊利用雙光束的原理實現(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：能超分辨寫、超分辨讀、三維存儲及長期保存。

納米光子存儲示意圖。受訪者供圖

研究團隊“兩條腿走路”，一邊突破衍射極限限制，一邊尋求合適的材料。“揭榜掛帥”下，多支科研團隊紛紛投入，共同探尋突破。

“我們在國際上首創(chuàng)光束調(diào)控聚集誘導(dǎo)發(fā)光超分辨光存儲技術(shù)，可調(diào)控聚集誘導(dǎo)發(fā)光效應(yīng)和區(qū)域，將信息記錄點縮小到納米級別，同時實現(xiàn)超分辨讀出，在光存儲領(lǐng)域突破衍射極限。”上海光機所空天激光技術(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染料摻雜有機樹脂進入了團隊的視野。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五六十倍，而且“寫過留痕”——激光寫入的地方會發(fā)生紅移，產(chǎn)生非常高的信噪比。

團隊介紹，該光盤實現(xiàn)了點尺寸為54納米，道間距為70納米的超分辨數(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。研究人員在光盤各層分別寫入上海光機所和上海理工大學的標識，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)過糾錯技術(shù)后，單盤的誤碼率基本接近零。”阮昊補充道，“在鍍保護層等操作后，光盤壽命有望達到百年。”

產(chǎn)業(yè)化，向前走

據(jù)悉，這項突破是國際上首次實現(xiàn)Pb量級的超大容量光存儲，對于中國在信息存儲領(lǐng)域突破關(guān)鍵核心技術(shù)、實現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

國際同行評價說，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(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級光存儲技術(shù)……顯示出巨大的實用和商業(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)面臨儲存容量、能耗和壽命的挑戰(zhàn)，全球科學家的工作也圍繞這些熱點展開。”論文另一位共同通訊作者，上海理工大學光子芯片研究院院長、張江實驗室光計算所所長顧敏院士預(yù)計，這項技術(shù)將在未來改進讀寫速度等問題，實現(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)儲存方案。“如果進一步實現(xiàn)與企業(yè)的合作，這項技術(shù)的應(yīng)用速度還將提前。”

當然，超大容量光存儲的集成化和產(chǎn)業(yè)化進程之路還很崎嶇，光盤的讀寫速度、新型光驅(qū)的工程化等都需要一一解決。“相較于常見的固態(tài)硬盤，光盤的存儲條件更加寬松，穩(wěn)定性也更強。”阮昊稱，未來團隊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。

上海理工大學光子芯片研究院院長、張江實驗室光計算所所長顧敏院士，上海理工大學文靜教授，中國科學院上海光學精密機械研究所阮昊研究員為通訊作者。上海光機所博士后趙苗和上海理工大學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目、國家重點研發(fā)計劃等項目的支持。

（郜陽 易蓉/新民晚報）