全球首个！我国在信息存储领域获重要突破

吴江光电产业科协光电科学技术

2024年02月23日 09:18

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▲“超级光盘”诞生我国在光存储领域获重大突破

视频来源：新华社

提起光盘这个名词，你是不是要反应片刻？

当光驱逐渐消失，光盘也和日常生活工作渐行渐远。可对大存储量的数据中心来说，光盘却是不容忽视的重要存储手段。

中国科学院上海光学精密机械研究所与上海理工大学等科研单位合作，利用全球首创的双光束调控聚集诱导发光超分辨光存储技术，造出了一张“全透明”的光盘，单盘等效容量达Pb量级（1Pb=1000Tb），相当于100个商用硬盘。

相关成果于北京时间今天凌晨在国际顶级学术期刊《自然》（Nature）上发表。

▲图说：中国科学院上海光学精密机械研究所研究员阮昊展示Pb量级光盘新民晚报记者陶磊摄

好用也“难用”

曾几何时，在不同的平台上，光盘都所向披靡，引领了一场场变革。光盘原理也不难懂，盘上有一圈一圈非常细的纹路，背面压上能反光的材质，用平整和小凹坑代表0和1，就能够存储大量数据了。

人类正处于数据爆炸的时代，全球数据量呈指数级激增。由此也带来了数据的存储难题——大容量数据的存储也需要大能耗。统计显示，以2022年为例，我国数据中心总耗电量约2700亿千瓦时，超过2座三峡水电站的年发电量。尤其令人头疼的是，每隔3到10年还需要定期进行数据迁移，这样就存在数据被篡改或丢失的风险，且存储寿命短。

光存储技术，绿色节能、安全可靠、还“长寿”，很适合长期低成本存储海量数据。然而，受到光学衍射极限的限制，传统商用光盘容量基本不超过500GB。“光盘上存储的是一个个信息点，两点太近就容易互相干扰，无法进一步提高存储容量。”中国科学院上海光机所空天激光技术与系统部博士后、论文第一作者赵苗解释。

大数据时代，突破衍射极限、缩小信息点尺寸、提高单盘存储量长久以来都是光存储领域的不懈追求。

破极限找材料

光学衍射极限，在2005年和2021年，两度登上《科学》杂志发布的全球最前沿的125个科学问题，足见难如登天。

诺贝尔奖得主斯特凡·W·赫尔在20世纪90年代提出了受激辐射损耗显微技术，随后在显微成像领域证明了光学衍射极限能够被打破。2013年，顾敏院士团队利用双光束的原理实现了9纳米激光直写技术，在激光直写领域实现超分辨。然而，一直缺乏可行的材料能做到双光束存储：能超分辨写、超分辨读、三维存储及长期保存。

▲图说：纳米光子存储示意图采访对象供图（下同）

研究团队“两条腿走路”，一边突破衍射极限限制，一边寻求合适的材料。“揭榜挂帅”下，多支科研团队纷纷投入，共同探寻突破。

“我们在国际上首创光束调控聚集诱导发光超分辨光存储技术，可调控聚集诱导发光效应和区域，将信息记录点缩小到纳米级别，同时实现超分辨读出，在光存储领域突破衍射极限。”上海光机所空天激光技术与系统部研究员、论文共同通讯作者之一的阮昊研究员介绍。

在材料选择上，“大浪淘沙”后，AIE染料掺杂有机树脂进入了团队的视野。新材料的表现令人欣喜，在激光的调控下能够使荧光增强五六十倍，而且“写过留痕”——激光写入的地方发生红移，产生非常高的信噪比。

团队介绍，该光盘实现了点尺寸为54纳米，道间距为70纳米的超分辨数据存储，并完成了100层的多层记录，单盘等效容量约1.6 Pb。经老化加速测试，光盘介质寿命大于40年。研究人员在光盘各层分别写入上海光机所和上海理工大学的标识，从第1层和第100层都可以读出，展示了材料极高的三维性能。

▲图说：100层记录和二进制编码译码复原结果

“光盘的原始误码率为0.33%，经过纠错技术后，单盘的误码率基本接近零。”阮昊补充道，“在镀保护层等操作后，光盘寿命有望达到百年。”

产业化向前走

据悉，这项突破是国际上首次实现Pb量级的超大容量光存储，对于我国在信息存储领域突破关键核心技术、实现数字经济的可持续发展具有重大意义。

国际同行评价说，该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。另一位论文审稿人指出：“这是一种具有突破性创新的Pb级光存储技术……显示出巨大的实用和商业潜力。”

“随着人工智能迅速发展，数据增加的速度超乎想象。大数据面临储存容量、能耗和寿命的挑战，全球科学家的工作也围绕这些热点展开。”论文另一位共同通讯作者，上海理工大学光子芯片研究院院长、张江实验室光计算所所长顾敏院士预计，这项技术将在未来改进读写速度等问题，实现工程化应用，将为大数据中心提供海量冷数据储存方案。“如果进一步实现与企业的合作，这项技术的应用速度还将提前。”

当然，超大容量光存储的集成化和产业化进程之路还很崎岖，光盘的读写速度、新型光驱的工程化等都需要一一解决。“相较于常见的固态硬盘，光盘的存储条件更加宽松，稳定性也更强。”阮昊称，未来团队将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，产出更多更优秀的创新成果。

上海理工大学光子芯片研究院院长、张江实验室光计算所所长顾敏院士，上海理工大学文静教授，中国科学院上海光学精密机械研究所阮昊研究员为通讯作者。上海光机所博士后赵苗和上海理工大学文静教授为并列第一作者。研究工作得到了上海市科委重大项目、国家重点研发计划等项目的支持。

来源：新民晚报

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