“才拍了幾張照片，我的手機內(nèi)存又滿了?！薄拔业碾娔X硬盤空間滿了，又得去買外接硬盤了”……這些習以為常的“困擾”背后，是人們越來越高的數(shù)據(jù)存儲需求。而這些日?！靶馈敝皇菙?shù)據(jù)存儲困擾的冰山一角——根據(jù)數(shù)據(jù)存儲專業(yè)機構(gòu)出具的白皮書顯示，到2025年全球數(shù)據(jù)總量將由2018年的33ZB增加到175ZB（ZB即“澤字節(jié)”，1ZB等于10億TB，即太字節(jié)），如果用時下比較主流的1TB容量的移動硬盤裝這些數(shù)據(jù)，則至少需要使用1750億個。這樣不僅成本高昂，而且數(shù)據(jù)存儲的壽命短。因此無論是個人日常所需，還是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，開發(fā)能夠容納海量數(shù)據(jù)且綠色安全的存儲技術(shù)早已迫在眉睫。

納米光子存儲示意圖

近日，顧敏院士領(lǐng)導(dǎo)上海理工大學(xué)和中科院上海光學(xué)精密機械研究所的團隊人員利用光存儲技術(shù)提出了綠色、長壽命、大數(shù)據(jù)存儲解決方案，研究成果以“Pb容量三維納米光子存儲”(A 3D nanoscale optical disk memory with petabit capacity)為題，發(fā)表在《自然》（Nature）正刊上?？蒲腥藛T利用雙光束技術(shù)突破光學(xué)衍射極限的限制，首次證實可以在三維空間實現(xiàn)多至百層的、超分辨尺寸下的信息點的寫入和讀出，單張盤容量可以高達Pb級，相當于至少一萬張藍光光盤或者一百個大容量硬盤，也就是說，在這項技術(shù)的推動下，存下全球一年數(shù)據(jù)所需的Pb級光盤的數(shù)量相較于硬盤可以減少兩個數(shù)量級，達到“以一抵百”的效果。

上海理工大學(xué)光子芯片研究院院長、張江實驗室光計算所所長顧敏院士為主要通訊作者，上海理工大學(xué)文靜教授，上海光學(xué)精密機械研究所阮昊研究員為共同通訊作者。中科院上海光機所趙苗博士后和文靜教授為該成果并列第一作者。

圖片引自《自然》（Nature）的“Pb容量三維納米光子存儲”(A 3D nanoscale optical disk memory with petabit capacity)論文

據(jù)顧敏院士介紹，該Pb級海量三維納米光子存儲技術(shù)是劃時代的技術(shù)。以深度學(xué)習模型GPT為例，其背后的數(shù)據(jù)集，如總索引網(wǎng)頁數(shù)量多達58億，整個互聯(lián)網(wǎng)的文本大小約為56Pb，如果還是用1TB容量的移動硬盤去存下這些數(shù)據(jù)，平鋪開來需要占據(jù)一個操場的面積。而此次科研團隊開發(fā)的三維納米光子存儲可以將存儲空間節(jié)省至一臺電腦大小，極大地降低了經(jīng)濟成本。

此外，為了維持數(shù)據(jù)庫嚴苛的運行環(huán)境（如恒溫恒濕、防磁防塵）需要產(chǎn)生巨大的能耗，以2022年為例，我國數(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。此次科研團隊開發(fā)的光子存儲技術(shù)可以把耗能降低幾個數(shù)量級，壽命可達50到100年。

這一顛覆性成果的提出源于團隊突破了光學(xué)衍射極限的限制——像激光直寫機、光學(xué)顯微技術(shù)、光存儲技術(shù)，無一不被光學(xué)衍射極限所限制?！?021年《科學(xué)》發(fā)布的全世界最前沿的125個科學(xué)問題中，光學(xué)衍射極限在高居物理領(lǐng)域首位，同時也是2024年《自然》最新發(fā)布的將在未來一年關(guān)注的7個技術(shù)領(lǐng)域之一.可以說，我們團隊拼上了這一領(lǐng)域的‘珠穆朗瑪峰’?！?/p>

基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的突破絕非一日之功，早在2013年，顧敏院士就帶領(lǐng)團隊開始了創(chuàng)新探索。在激光直寫領(lǐng)域，他帶領(lǐng)科研團隊利用雙光束的原理實現(xiàn)了9納米激光直寫技術(shù)。此次發(fā)表在《自然》雜志上納米光子存儲技術(shù)的提出，不僅在光存儲領(lǐng)域成功突破了光學(xué)衍射極限這一物理學(xué)難題，有助于我國在存儲領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，也將在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域大顯身手。

一張光盤可替代海量存儲設(shè)備

相關(guān)論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06980-y

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06980-y

供稿：光子芯片研究院、新聞中心

文：文靜、董真、張勝杰