突破電存儲限制：人工智能浪潮-新型光存儲技術(shù)

更新時間：2025-01-07 點擊次數(shù)：37

隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算以及人工智能的快速發(fā)展，我們仿佛置身于一片浩瀚的數(shù)據(jù)海洋中，生活中新產(chǎn)生的信息、圖片亦或是視頻，都在不斷地對數(shù)據(jù)海洋進行擴充，永無止境……然而，數(shù)據(jù)的不斷劇增也給人們的日常生活帶來了一系列的問題，例如：數(shù)據(jù)存儲容量的不足、硬件的存儲密度亟需提升等等。為了更好地存儲和管理海量的數(shù)據(jù)、提高數(shù)據(jù)存儲密度，基于低功率激光束與介質(zhì)相互作用，使得介質(zhì)的某種性質(zhì)(如反射率、反射光極化方向等)發(fā)生改變，進而實現(xiàn)信息存儲的新型光存儲技術(shù)吸引了人們的廣泛關(guān)注。

圖1 存儲技術(shù)的發(fā)展示意圖：從傳統(tǒng)光盤存儲到固態(tài)硬盤存儲，再到新型光存儲

如圖1所示為存儲技術(shù)的發(fā)展示意圖。光存儲技術(shù)起源于20世紀60年代，經(jīng)歷了CD、DVD以及BD三代產(chǎn)品更新迭代。隨后，全固態(tài)硬盤(SSD)、硬盤(HHD)等存儲技術(shù)的快速發(fā)展，其存儲密度、容量不斷增大和成本不斷降低，逐漸取代了傳統(tǒng)光存儲，從此傳統(tǒng)光存儲市場開始走向衰弱。隨著人工智能黃金時代到來，AI大模型訓練的需求，數(shù)據(jù)成為了一種剛需。根據(jù)國際數(shù)據(jù)的預測合作（IDC）2018年，全球數(shù)據(jù)將增至到2025年為175 ZB，到2035年為2142 ZB。而主流的數(shù)據(jù)保存方法，例如傳統(tǒng)的硬盤和磁帶等存儲方法，面臨著存儲壽命和能耗方面的嚴峻挑戰(zhàn)，難以勝任龐大的現(xiàn)實需求。此時，全息光存儲技術(shù)、多維光存儲、超分辨率光存儲等新型技術(shù)憑借其強大的離線存儲能力、巨大的數(shù)據(jù)容量和持久的存儲壽命，在數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域的重要性日益凸顯，同時相關(guān)的研究開發(fā)也成為了全球相關(guān)研究團體及科技公司的關(guān)注焦點 ^[1]。

數(shù)據(jù)存儲的未來：新型光存儲技術(shù)

1994年德國科學家Stefan W. Hell教授提出受激輻射損耗顯微技術(shù)^[1]，第一次證明了光學衍射極限能夠被打破，并在2014年獲得諾貝爾化學獎。突破了傳統(tǒng)光盤存儲的物理限制，實現(xiàn)更高存儲密度、更快讀寫速度、更長保存壽命和更低能耗的數(shù)據(jù)存儲方案，進而滿足大數(shù)據(jù)時代對海量數(shù)據(jù)存儲的需求，人們也針對全息光存儲、多維光存儲、超分辨率光存儲等新型光存儲技術(shù)領(lǐng)域開展了一系列的研發(fā)攻關(guān)，并取得了較為豐碩的成果。

(1) 全息光存儲技術(shù)

如圖2所示，全息光存儲技術(shù)通過兩束激光的干涉現(xiàn)象實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，可以將二維數(shù)據(jù)頁圖案存儲在三維體空間中，從而提升存儲密度和數(shù)據(jù)存取速度，在這一過程中，一束激光（信號光束）攜帶待存儲的信息，通過與另一束未攜帶信息的激光（參考光束）相遇，產(chǎn)生干涉條紋，這些條紋作為信息的光學編碼，被記錄在特殊的光敏材料上，形成全息圖。當需要讀取信息時，只需用參考光束照射全息圖，即可重建出原始的信號光束，從而恢復出存儲的數(shù)據(jù)^[1-3]。全息光存儲技術(shù)的現(xiàn)世，立刻引發(fā)了科研人員以及產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，在眾多領(lǐng)域都得到廣泛的應用。大數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域，在大數(shù)據(jù)時代背景下，對于存儲密度和存取速度的需求日益增長。例如，美國InPhase公司于2001年推出基于角度復用的全息光驅(qū)Tapestry。在2006年實現(xiàn)了光驅(qū)的容量為300 GB，讀寫速率為20 MB/s的全息光存儲技術(shù)。該公司研發(fā)的雙化學體系的Tapestry材料，經(jīng)加速老化試驗測試，預期在25 ℃環(huán)境中，保質(zhì)期為10年，存檔壽命為33年。2017年之后，東京理科大學和廣東紫晶信息存儲技術(shù)股份有限公司聯(lián)合開發(fā)了基于球面波參考光，單臂離軸全息光存儲系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用50 mm×50 mm的記錄介質(zhì)，其容量約為300 GB。

圖2 (a) 全息光存儲示意圖，(b)全息光學存儲機

（2）多維光學數(shù)據(jù)存儲

多維光存儲的復用維度、存儲光盤及讀取原理如圖3所示。相較DVD藍光等二維（2D）光學存儲方式，三維（3D）光學數(shù)據(jù)存儲充分利用各向同性材料的體積，可以在材料內(nèi)部的任何位置存儲數(shù)據(jù)。同時，為了進一步超越存儲容量的限制，研究人員在傳統(tǒng)空間三維之外探索其他維度，這些維度包括了光的振幅、頻率（波長）、相位、偏振以及光波前的其它物理參量等，它們都可以攜帶和記錄信息，涉及了基于雙折射、等離子體共振和熒光等光學特性的方法。如圖3(a)所示，目前，已經(jīng)開發(fā)出的復用維度包括介質(zhì)的三維空間、偏振、波長以及光強。其中包括基于金納米棒的波長、偏振、三維空間復用的五維度光存儲，以及基于納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振、光強、三維空間復用的五維度光存儲。但受限于材料對光各個參數(shù)的響應不同，六維度光存儲技術(shù)一直未得以實現(xiàn)，另外光的軌道角動量特性雖然已被用在量子存儲上，但在數(shù)據(jù)長效存儲上并未得以實現(xiàn)^[4]。

例如，韓國和法國的科研團隊合作發(fā)明了一種在玻璃里用激光“寫"數(shù)據(jù)的技術(shù)。這種技術(shù)可以在玻璃的不同層上存儲數(shù)據(jù)，就像是在書架的每一層上都放書一樣。浙江大學和之江實驗室聯(lián)合團隊利用超快激光誘導非晶化相變的局部光學相位調(diào)制，在材料表面制造出微小的結(jié)構(gòu)，通過控制這些結(jié)構(gòu)的形狀和顏色，就能存儲數(shù)據(jù)。通過圖像識別進行高速數(shù)據(jù)提取，達到了大約1.2 Gb/s，并且準確度高達約99.7%，無需依賴昂貴且復雜的光學分析系統(tǒng)和信號處理過程，有效緩解了多維光存儲技術(shù)數(shù)據(jù)讀取速度慢的問題^[5]。在實際應用中，多維光學存儲技術(shù)可以應用于海量數(shù)據(jù)存儲、結(jié)構(gòu)色打印、多功能衍射光學元件、矢量全息、多維信息加密等場景，具有廣泛的應用前景。

圖3 (a) 多維光存儲的復用維度示意圖^[1] ，(b) 多維光學數(shù)據(jù)存儲光盤及讀取原理

（3）超分辨光學數(shù)據(jù)存儲

光學衍射極限是光學存儲技術(shù)中的一個關(guān)鍵障礙，它決定了數(shù)據(jù)存儲的最小單元尺寸。為了克服這一限制，科學家們一直在探索新的技術(shù)路徑。其中，超分辨光學數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的出現(xiàn)，為我們提供了一種全新的解決方案。這項技術(shù)通過創(chuàng)新的光學手段，突破了傳統(tǒng)光學衍射的束縛，使得數(shù)據(jù)存儲點的尺寸可以做得更小，從而大幅提升了存儲密度^{[6, 7]}。

2015年，李向平、曹耀宇等人運用雙光束超分辨技術(shù)實現(xiàn)超大容量的光存儲，將800 nm飛秒超快光源作為記錄光束，375 nm連續(xù)激光作為抑制光束，在玻璃基板上實現(xiàn)了最小33 nm的記錄點，實現(xiàn)大大提高了存儲面密度^[7]。目前，前沿的超分辨光學數(shù)據(jù)存儲技術(shù)是上海光學精密機械研究所阮昊研究員團隊和上海理工大學顧敏院士聯(lián)合的一種雙光束調(diào)控聚集誘導發(fā)光超分辨光存儲技術(shù)^[8]，實驗上第一次在信息寫入和讀出均突破了衍射極限的限制，實現(xiàn)了點尺寸為54 nm、道間距為70 nm的超分辨數(shù)據(jù)存儲，并完成了100層的多層記錄，單盤等效容量達Pb量級，這相當于把一個小型數(shù)據(jù)中心機柜縮小到一張光盤上，這一成果不僅極大地提高了存儲效率，而且對于應對大數(shù)據(jù)時代日益增長的數(shù)據(jù)存儲需求具有重要的戰(zhàn)略意義。

圖4 (a) 衍射的限制，(b) 超分辨光信息存儲技術(shù)示意圖

總結(jié)

在人工智能驅(qū)動的數(shù)字化時代背景下，光存儲技術(shù)的革新正扮演著至關(guān)重要的角色。超分辨光學數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，作為其中的楷模，正以其很好的存儲密度、速度和安全性，為海量數(shù)據(jù)的長期保存提供了強有力的保障。該技術(shù)通過突破光學衍射的傳統(tǒng)限制，實現(xiàn)了在更小單位體積內(nèi)存儲更多信息的可能，極大地提升了數(shù)據(jù)存儲的效率和可靠性^[9^-¹⁰^]。同時，隨著全息光存儲、多維光學數(shù)據(jù)存儲等技術(shù)的相繼問世，我們見證了光存儲技術(shù)的一次重大飛躍，它們?nèi)缤瑪?shù)據(jù)存儲領(lǐng)域的“文藝復興"，不僅極大地豐富了數(shù)據(jù)存儲的策略，也為信息的快速存取和高度安全提供了新的解決方案。這些技術(shù)的發(fā)展，預示著未來個人和企業(yè)將能夠以更低的成本、更便捷的方式管理和維護龐大的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。此外，這些新興光存儲技術(shù)在推動數(shù)字經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的同時，也為人工智能的進一步探索和創(chuàng)新提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。它們?nèi)缤刈o數(shù)字世界的“超級英雄"，以其“超能力"共同維護著信息的安全和秩序。隨著技術(shù)的持續(xù)進步和應用的不斷深入，超分辨光學數(shù)據(jù)存儲技術(shù)將在構(gòu)建未來社會的信息基礎(chǔ)設施中發(fā)揮更加核心的作用，為人類在數(shù)字時代的自由探索和創(chuàng)新活動提供堅實的支撐。

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