科創觀察員|“沉寂”了20年的光盤，能否迎來下一個“春天”

當下，我們正處於大數據爆炸時代。大科學裝置的觀測數據、人工智能大模型的訓練數據……各種數據呈指數級增長，預計2025年全球將產生175zb的數據。

這是一個什麼概念？我們最為熟悉的可能是gb，1gb數據大約相當於5小時的移動網頁瀏覽，而1tb=1024gb，1pb=1024tb，1eb=1024pb，1zb=1024eb。

這帶來一個問題，如何存儲海量數據？

近日，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”）與上海理工大學等合作，在國際上首次實現一張光盤達1.6pb（1b=8b）的超分辨三維數據存儲，是普通藍光光盤容量的1萬倍。這對於我國在信息存儲領域突破關鍵核心技術、實現數字經濟的可持續發展具有重大意義。2月22日凌晨，相關研究成果發表在國際學術期刊《自然》上。

這帶來一個思考，“沉寂”了20年的光盤，能否迎來產業化的下一個“春天”？

【全國數據中心一年耗電量，佔全社會用電量約3%】

2022年，全國數據中心耗電量達到2700億千瓦時，為同期三峽電站累計發電量的兩倍以上，佔全社會用電量約3%。

事實上，由於耗電量巨大，我國新建的數據中心一般建在西部寒冷地區，而美國的一些數據中心甚至建在海底或北極地區。

訪問頻率高的為熱數據，訪問頻率低的為冷數據，經過一段時間，80%的數據會變為冷數據。半導體適合存儲熱數據，但價格偏高、壽命短；磁存儲需要恆溫恆濕，且經常需要重新導入，而光存儲具有綠色節能、長期保存的特性，特別適合冷數據的存儲，但光學衍射極限是該技術一直難以突破的瓶頸。

正是由於衍射極限，導致光盤上的信息點無法進一步縮小，從而單盤容量難以突破500gb。在2021年國際學術期刊《科學》發布的全世界最前沿的125個科學問題中，衍射極限仍為物理學首要難題。

在相關科學的探索中，有過兩次重要突破。德國的斯特凡·w·赫爾教授，開發了受激輻射損耗顯微技術，並因此獲得2014年諾貝爾化學獎。2012年，澳大利亞技術科學與工程院院士、澳大利亞科學院院士顧敏團隊，實現最小線寬可達9納米的激光直寫光刻實驗，但其材料是液態的，難以用於實際存儲。

十多年來，科學界一直在苦苦探尋可進行雙光束光存儲的材料。

【神奇光盤什麼樣？僅僅20克，看上去透明輕薄】

“這件事實在是太難了! 很多課題組都不願意碰。也正是因為太難，早期有家合作的公司也撤資了，研究差點難以為繼。”論文通訊作者之一、上海光機所阮昊研究員告訴解放日報·上觀新聞記者，幸虧這一前瞻性研究在論文的另一位通訊作者顧敏院士的大力推動下，得到了上海市科委和國家重點研發計劃等支持。

阮昊研究員在展示光盤。黃海華 攝

論文第一作者之一、上海光機所博士後趙苗坦言，當連續做了三四年都沒有什麼眉目時，他曾氣餒過，所幸導師阮昊研究員一直鼓勵，此外還得到了上海理工大學文靜教授（論文並列第一作者及通訊作者之一）、中國科學院化學研究所鍾羽武研究員、華中科技大學甘棕松教授等多位老師的傾囊相授，也親身體驗到各個科研團隊之間毫無保留的合作與共享。

上海光機所既研究光讀寫技術、也研究存儲材料，這在國內比較少見，是我國最重要的信息存儲材料與技術研究基地之一。研究團隊利用國際首創的雙光束調控聚集誘導發光超分辨光存儲技術，找到了一種發光存儲新材料，從而在信息寫入和讀出均突破了衍射極限的限制。

一張光盤由多個信息點組成，信息點越多，存儲容量就越大。過去，由於信息點之間的距離（道間距）受到衍射極限的限制，因此有320納米之多，信息點的尺寸也大到150納米，且一張光盤單面最多只能刻寫3層。

如今，在與中國工程院外籍院士、上海理工大學光子芯片研究院院長顧敏教授和文靜教授等科研人員合作下，研究團隊“七年磨一劍”，實現了信息點尺寸為54納米、道間距為70納米的超分辨數據存儲，並完成了多達100層的刻寫記錄，單個光盤等效容量約1.6pb。經老化加速測試，光盤介質壽命大於40年，加速重複讀取後熒光對比度仍高達20.5：1。要知道，當光盤的信息對比度達到3：1時就可重複讀取。

這樣的神奇光盤長什麼樣？僅僅20克，看上去透明輕薄。

這是國際上首次實現pb量級的超大容量光存儲，得到了論文審稿人的高度評價：“與現有其他技術相比，該技術在性能方面提供了最高的光存儲面密度”“研究成果可能會帶來數據中心檔案數據存儲的突破，解決大容量和節能的存儲技術難題”。

【這一“突破性創新”，是否能複製商業傳奇】

採訪時，阮昊津津樂道一個故事：諾獎得主赫爾教授，後來與德國著名光學公司萊卡成立了合資公司，推動了超分辨光學顯微鏡的產業化，最貴的設備能賣到300萬歐元，在商業上取得了極大的成功。

縱觀人類文明和存儲的關係，一部人類文明史堪稱人類社會信息存儲發展歷史。未來，存算一體更是趨勢所在。

放眼全球，2022年半導體存儲市場約1392億美元，機械硬盤市場約183億美元，磁帶存儲市場約47億美元，存儲市場有着很大的發展空間。儘管光盤存儲市場“沉寂”了20年，但此次被論文審稿人譽為“突破性創新”的研究進展，是否也能複製赫爾教授的商業傳奇？

一張實現了超分辨三維數據存儲的光盤，相當於一萬張普通藍光光盤，這意味着成本可以大大降低；即使刻寫了100層，信號也幾乎沒有衰減，原始誤碼率僅為0.33%，這意味着具有實用化的潛力；未來加保護層後，如今預計超過40年的光盤介質，壽命還將延長。

“當科研進入‘深水區’，應着眼於某個領域的長期發展，才會有從0到1的突破，接下來我們要解決從1到10的問題。”上海光機所科技綜合處處長於飛說。據悉，上海光機所已經申請了技術專利，研究團隊正在考慮推進產業化，對於科技或風投公司的合作都表示歡迎。

“雖然我們在國際上第一個完成了原理和實驗驗證，但未來在產業化道路上還有很多問題待解決。”阮昊說，樂觀預計，再過5年初步實現產業化。