國內光存儲技術迎重大突破，“超級光盤”誕生，存儲容量超普通光盤萬倍_風聞

電子發燒友網報道（文/黃山明）在數據爆炸的今天，尤其隨着AI的高速發展，文字、圖片甚至視頻都開始能夠被AI批量生成，這意味着整個社會即將迎來新一輪的數據浪潮。與之相對的是，數據的急速增多導致的存儲容量告急，此前推出的解決方案為邊緣存儲，但即便算上邊緣設備，也很難跟得上數據量的增長。

近日，中國科學院上海光學精密機械研究所（以下稱“上海光機所”）與上海理工大學等科研單位合作，在超大容量超分辨三維光存儲研究中取得的突破性進展，並已經在國際學術期刊《自然》雜誌進行了刊登。這項技術的突破對我國在信息存儲領域以及實現數字經濟的可持續性上有重大意義。

“超級光盤”的誕生

自1982推出了第一代商業化的音頻光盤產品CD-DA（Compact Disc Digital Audio，數字音頻光盤）之後，光盤時代的正式開啓。光盤的發明是信息存儲技術的一大飛躍，它不僅極大地提高了數據存儲的容量和便捷性，還促進了多媒體技術的發展。不過對許多人來説，在DVD、VCD等視頻播放器進入到千家萬户後，光盤才真正對世人所熟知。

早期的光盤作為影視作品甚至電腦數據拷貝的主要載體，一張光盤的數據存儲量大約在200-300MB左右。如今隨着數字媒體的崛起，以及移動設備和閃存技術的進步，對光盤的使用大幅減少，但這並未讓科學家放棄對光盤的研發。

作為當前數字經濟的基石之一，存儲技術至關重要，而光存儲技術具有綠色節能、安全可靠、壽命長等優勢，非常適合用低成本長期存儲，但由於光衍射極限的限制，讓光盤容量最大隻侷限在數百GB的量級。

所謂的光衍射極限指的是傳統的光存儲技術受限於光學衍射效應，激光聚焦的最小點徑有一個理論下限，即所謂的阿貝衍射極限，這決定了可以在單位面積上刻寫的最小信息位的尺寸，進而影響存儲密度。

2012年，上海理工大學顧敏院士提出了雙光束超分辨光存儲原理的設想，期待能夠解決光衍射極限問題。雙光束超分辨光存儲技術是一種基於光學超分辨原理來提升光存儲密度的方法。傳統光存儲受制於光學衍射極限，即激光束聚焦到一定程度後，由於衍射效應無法形成更小的焦點，從而限制了數據存儲的最小單元大小，進而影響存儲密度。

雙光束超分辨光存儲的基本原理借鑑了超分辨熒光顯微技術的思路，例如STED或者RESOLFT等技術，使用兩束激光光束，一束用於定位，另一束用於數據的寫入和讀取，通過調節輔助光與記錄光的相互作用，可以有效地壓縮實際記錄的光點大小，從而突破衍射極限，實現亞衍射極限尺度的存儲單元，大幅度提高存儲密度。

據新華社消息，經過長達7年的持續研發，上海光機所終於攻克了存儲容量實現了達到普通光盤上萬倍、普通硬盤上百倍的“超級光盤”。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，實驗上首次在信息寫入和讀出均突破光學衍射極限的限制，實現了點尺寸為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量級，數據承載量大約可達1.6PB。經老化加速測試，光盤介質壽命大於40年。

突破衍射極限，量產還需等待

據市場調研機構數據顯示，到2025年全球數據總量將從2018年的33ZB增加至175ZB（1ZB等於10億TB也等於1萬億GB），按照數據中心使用的10TB級移動硬盤來算，就需要有175億個硬盤來存儲這些數據。不僅成本高昂，而且這些移動硬盤的壽命較短，通常在3萬小時左右，如果是機械硬盤通常5-8年就要更換，而固態硬盤10年左右也需要更換。

在數據遷移過程中容易丟失或者被篡改，並且要維持數據庫的運行，如保持數據中心恆温恆濕、防磁防塵等環境，需要消耗大量能源。2022年數據顯示，我國數據中心總耗電量約為27000億千瓦時，超過了2座三峽水電站的年發電量。

而光存儲本身擁有能耗低、壽命長達50-100年的獨特優勢，問題就在於衍射極限的限制，容量僅有上百GB左右，而上海光機所研發的“超級光盤”突破了衍射極限，實現了在一張光盤上就能夠實現存儲1.6PB的數據，能夠將一個國家圖書館的所有書籍內容都放在裏面，也是目前普通藍光光盤的一萬倍。

但目前所展示的技術還是非常早期的版本，儘管已經製造出了“超級光盤”，但光盤所配套的讀寫設備、製造成本、讀寫速度以及是否可以反覆刻錄等信息都尚未透露。

按照傳統光盤的使用來看，如果沒有配套的光驅系統，那麼其讀寫速度並不快。DVD光盤的讀取速度通常在1.3MB/s左右，DVD 16x的讀取速度可以達到21.7MB/s，當然隨着技術進步，現在一些DVD驅動器的讀取速度可達24x、32x甚至更高。藍光光驅的讀取速度相對較低，常見的大約在2x至12x之間，對應的數據傳輸速率在9MB/s至54MB/s之間。

與HDD相比，主流7200轉機械硬盤的順序讀寫速度大致在100MB/s至200MB/s，而5400轉硬盤的速度可能更低。而SSD讀寫速度遠超過光盤，現代消費級SSD的順序讀取速度通常在500MB/s至3,500MB/s之間，寫入速度在幾百MB/s至3000MB/s之間，具體數值視SSD型號和接口（如SATA、NVMe PCIe）而定。

另一方面，如何解決光盤的重複讀寫也是個重要問題，並且複寫操作會對光盤的壽命產生一定的影響，因為每次複寫都會對光盤的表面造成一定的磨損。因此，頻繁地進行復寫操作可能會縮短光盤的使用壽命。

這也意味着如果沒有特性的快速讀寫系統和解決複寫難題，目前的“超級光盤”基本相當於磁帶的替代品，在資料歸檔、數據備份具有一定優勢。

上海光機所相關負責人透露，“超級光盤”的誕生，完成了雙光束超分辨三維光存儲的原理和實驗驗證，未來實現產業化，還有很長的路要走。

寫在最後

不論是光學顯微技術還是如今芯片製造的關鍵技術光刻機，亦或是光存儲技術，都被光學衍射極限所困擾。這一限制也被2021年的Science認為是全球125個最前沿的科學問題中的首位，如今上海光機所突破了光學衍射極限，或許受益的不止光存儲技術。

就像上海光機所相關負責人所言，該研究團隊將加快原始創新和關鍵技術攻關，推動超大容量光存儲的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應用。