我国光存储领域重大突破！“超级光盘”诞生！存储容量是普通光盘上万倍，还能降低GPT成本……

" 才拍了几张照片，我的手机内存又满了。"" 我的电脑硬盘空间满了，又得去买外接硬盘了 " ……这些习以为常的 " 困扰 " 背后，是人们越来越高的数据存储需求。

据上海理工大学，根据数据存储专业机构出具的白皮书显示，到 2025 年全球数据总量将由 2018 年的 33ZB 增加到 175ZB（ZB 即 " 泽字节 "，1ZB 等于 10 亿 TB，即太字节），如果用时下比较主流的 1TB 容量的移动硬盘装这些数据，则至少需要使用 1750 亿个。这样不仅成本高昂，而且数据存储的寿命短。因此无论是个人日常所需，还是工农业生产，开发能够容纳海量数据且绿色安全的存储技术早已迫在眉睫。

然而，重磅利好传来！存储容量是普通光盘上万倍、普通硬盘上百倍的 " 超级光盘 " 诞生了！

图片来源：新华社视频截图

据央视新闻 2 月 22 日报道，近日，中国科学院上海光学精密机械研究所（以下简称 " 上海光机所 "）与上海理工大学等科研单位合作，在超大容量三维超分辨光存储研究中取得突破性进展。研究团队利用国际首创的双光束调控聚集诱导发光超分辨光存储技术，实验上首次在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制，实现了点尺寸为 54nm、道间距为 70nm 的超分辨数据存储，并完成了 100 层的多层记录，单盘等效容量达 Pb 量级，对于我国在信息存储领域突破 " 卡脖子 " 障碍、实现数字经济的可持续发展具有重大意义。相关研究成果于 2024 年 2 月 22 日发表于《自然》（Nature）杂志。

据上海理工大学，科研人员利用双光束技术突破光学衍射极限的限制，首次证实可以在三维空间实现多至百层的、超分辨尺寸下的信息点的写入和读出，单张盘容量可以高达 Pb 级，相当于至少一万张蓝光光盘的容量。

也就是说，在这项技术的推动下，存下全球一年数据所需的 Pb 级光盘的数量相较于硬盘可以减少两个数量级，达到 " 以一抵百 " 的效果。

图片来源：上海理工大学

据了解，光存储技术具有绿色节能、安全可靠、寿命长达 50~100 年的独特优势，非常适合长期低成本存储海量数据，然而受到衍射极限的限制，传统商用光盘的最大容量仅在百 GB 量级。在信息量日益增长的大数据时代，突破衍射极限、缩小信息点尺寸、提高单盘存储容量长久以来一直都是光存储领域的不懈追求。

Pb 级光盘制备及读写方式示意图 图片来源：央视新闻

1994 年德国科学家 Stefan W. Hell 教授提出受激辐射损耗显微技术，首次证明了光学衍射极限能够被打破，并在 2014 年获得诺贝尔化学奖，经过 20 多年的发展，在显微成像、激光纳米光刻等多个领域实现了光学超分辨成果，信息的超分辨写入已经得到了解决。然而传统染料在聚集状态下极易发生荧光猝灭，造成信息的丢失，在纳米尺度下还存在被背景噪声湮没的难题，导致超分辨的信息难以读出，通常依赖电镜扫描的读出方式，限制了超分辨技术在光存储领域中的应用。因此，发展可同步实现超分辨写、超分辨读、三维存储及长寿命介质是 10 多年来光存储研究领域亟待解决的难题。

超分辨信息记录结果 图片来源：央视新闻

自 20 世纪 80 年代，上海光机所干福熹院士开创了我国数字光盘存储技术的研究，上海光机所团队一直深耕光存储领域。依托于丰厚的研究基础和创新技术方案，基于双光束超分辨技术及聚集诱导发光光刻胶材料相结合，在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制，实现了点尺寸为 54nm、道间距为 70nm 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 1.6Pb。经老化加速测试，光盘介质寿命大于 40 年，加速重复读取后荧光对比度仍高达 20.5 ∶ 1，这是国际上首次实现 Pb 量级的超大容量光存储。

100 层记录和二进制编码译码复原结果 图片来源：央视新闻

从光学显微技术，到当今 " 卡脖子 " 技术的光刻机，再到光存储技术，无一不被光学衍射极限所限制。在 2021 年 Science 发布的全世界最前沿的 125 个科学问题中，突破衍射极限限制更是在物理领域高居首位。该超分辨光盘的成功研制在信息写入和读出都突破了这一物理学难题，有助于我国在存储领域突破 " 卡脖子 " 障碍，将在大数据数字经济中发挥重大作用，以满足信息产业领域的重大需求。

光盘实物照片 图片来源：央视新闻

据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介绍，该 Pb 级海量三维纳米光子存储技术是划时代的技术。

以深度学习模型 GPT 为例，其背后的数据集，如总索引网页数量多达 58 亿，整个互联网的文本大小约为 56Pb，如果还是用 1TB 容量的移动硬盘去存储这些数据，平铺开来相当于一个标准田径场的面积。而此次科研团队开发的三维纳米光子存储可以将存储空间节省至一台电脑大小，极大地降低了经济成本。

此外，为了维持数据库严苛的运行环境（如恒温恒湿、防磁防尘）需要产生巨大的能耗，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。此次科研团队开发的光子存储技术可以把耗能降低几个数量级，寿命可达 50 到 100 年。

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