存儲與人類(lèi)文明息息相關(guān)，大腦就是一個(gè)大容量存儲器。在A(yíng)I時(shí)代，存儲更是智慧的基礎。傳統商用光盤(pán)的最大容量在百GB量級，如今，中國科研團隊在超大容量超分辨三維光存儲研究中取得突破性進(jìn)展，全球首次實(shí)現Pb量級超大容量光存儲，1Pb相當于1000Tb，也相當于100萬(wàn)Gb，相當于把一個(gè)小型數據中心機柜縮小到一張光盤(pán)上，類(lèi)似于裁線(xiàn)機制精度有多高一樣。

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“上海光機所”）與上海理工大學(xué)等科研單位合作，研究團隊利用國際首創(chuàng )的雙光束調控聚集誘導發(fā)光超分辨光存儲技術(shù)，實(shí)驗上首次在信息寫(xiě)入和讀出均突破了衍射極限的限制，實(shí)現了點(diǎn)尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數據存儲，并完成了100層的多層記錄，單盤(pán)等效容量達Pb量級。這對于我國在信息存儲領(lǐng)域突破關(guān)鍵核心技術(shù)、實(shí)現數字經(jīng)濟可持續發(fā)展具有重大意義。相關(guān)研究成果于2月22日發(fā)表在《自然》（Nature）雜志。

全世界最前沿的科學(xué)難題

數據就像石油一樣存在地下，什么時(shí)候要用數據，什么時(shí)候就把它開(kāi)采出來(lái)。

“數據還在飛速增長(cháng)，預計明年全球會(huì )產(chǎn)生175ZB數據，1ZB就相當于100萬(wàn)PB?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧?、上海光機所研究員阮昊以科研為例，不管是上海光機所的羲和激光裝置，還是“中國天眼”，其產(chǎn)生的數據都是海量的。

科研數據、財務(wù)數據是典型的冷數據，訪(fǎng)問(wèn)頻率低?！?0%的數據都是冷數據，需要低成本的存儲?！比铌唤榻B，目前存儲的方式有磁存儲、光存儲和半導體存儲。半導體存儲適合熱數據存儲，用于冷數據存儲的成本高昂。而光存儲技術(shù)具有綠色節能、安全可靠、壽命長(cháng)達50-100年的獨特優(yōu)勢，適合長(cháng)期低成本存儲海量數據。

然而受衍射極限的限制，信息點(diǎn)的道間距無(wú)法進(jìn)一步縮小，導致傳統商用光盤(pán)的最大容量?jì)H在百GB量級?！霸贑D、DVD時(shí)代，光盤(pán)很熱，這幾十年沉淀了，主要是衍射極限突破不了?！比铌槐硎?。

2021年《科學(xué)》（Science）發(fā)布的全世界最前沿的125個(gè)科學(xué)問(wèn)題中，突破衍射極限限制在物理領(lǐng)域高居首位。在信息量日益增長(cháng)的大數據時(shí)代，突破衍射極限、縮小信息點(diǎn)尺寸、提高單盤(pán)存儲容量成為光存儲的不懈追求。

1994年，德國科學(xué)家Stefan W. Hell教授提出受激輻射損耗顯微技術(shù)，首次在成像領(lǐng)域證明光學(xué)衍射極限能夠被打破，2014年獲得了諾貝爾化學(xué)獎。經(jīng)過(guò)20多年發(fā)展，這一技術(shù)已在顯微成像、激光納米直寫(xiě)等領(lǐng)域實(shí)現了光學(xué)超分辨成果，信息的超分辨寫(xiě)入已經(jīng)得到了解決。

然而，傳統染料在聚集狀態(tài)下極易發(fā)生熒光猝滅，造成信息丟失，在納米尺度下還存在被背景噪聲湮沒(méi)的難題，導致超分辨的信息難以讀出，通常依賴(lài)電鏡掃描的讀出方式，限制了超分辨技術(shù)在光存儲領(lǐng)域中的應用。因此，發(fā)展可同步實(shí)現超分辨寫(xiě)、超分辨讀、三維存儲及長(cháng)壽命介質(zhì)是10多年來(lái)光存儲研究領(lǐng)域亟待解決的難題。

手握6部“武功秘籍”甘坐冷板凳

上世紀八十年代，上海光機所干福熹院士開(kāi)創(chuàng )了我國數字光盤(pán)存儲技術(shù)的研究，研究團隊一直深耕光存儲領(lǐng)域。

論文共同第一作者、上海光機所博士后趙苗在上海光機所碩博連讀，將這個(gè)課題從頭堅持到尾，“我當時(shí)想，如果我把這件事做出來(lái)，將是一件非常有意義的事?！?/p>

為此，導師阮昊為趙苗配備了“智囊團”重新給他打基礎。別人只有1個(gè)導師，趙苗卻有6個(gè)，“就像最頂級的武功秘籍，別人只有一部，我有6部，我一直學(xué)?！钡芯苛巳哪耆匀粵](méi)有令人驚喜的結果?！昂髞?lái)想想算了，要不就這么做下去，不行就拉倒?！薄安恍芯屠埂边@句話(huà)意味著(zhù)，如果沒(méi)有成果，趙苗連碩士學(xué)位也拿不到。在這樣的境地下，他仍然堅持科研，甚至不分晝夜地進(jìn)行實(shí)驗。

研究團隊最終基于雙光束超分辨技術(shù)及聚集誘導發(fā)光存儲介質(zhì)，在信息寫(xiě)入和讀出方面均突破了衍射極限的限制，實(shí)現了點(diǎn)尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數據存儲，并完成了100層的多層記錄，單盤(pán)等效容量約1.6Pb。經(jīng)老化加速測試，光盤(pán)介質(zhì)壽命大于40年，加速重復讀取后熒光對比度仍高達20.5：1。

光盤(pán)實(shí)物照片。

這是國際上首次實(shí)現Pb量級的超大容量光存儲?！拔覀兊牟牧鲜峭耆该鞯?，所以能發(fā)揮光的優(yōu)點(diǎn)，可以三維存儲。原來(lái)一個(gè)1Pb容量的數據中心，現在我們相當于把一個(gè)機柜縮小到一張光盤(pán)上?！比铌槐硎?。

此次研究成果有助于我國在存儲領(lǐng)域突破關(guān)鍵核心技術(shù)，將在大數據數字經(jīng)濟中發(fā)揮作用。論文審稿人評價(jià)稱(chēng)，該研究成果可能會(huì )帶來(lái)數據中心檔案數據存儲的突破，解決大容量和節能的存儲技術(shù)難題。

“雖然我們在國際上完成了雙光束超分辨存儲的原理驗證，但真正實(shí)現產(chǎn)業(yè)化還有較長(cháng)的路要走，產(chǎn)業(yè)化還需要大量資金，要解決很多工程性問(wèn)題?！比铌槐硎?，比如讀出設備要做得更小，讀出速度要更快，材料也有優(yōu)化空間。未來(lái)研究團度將加快原始創(chuàng )新和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，推動(dòng)超大容量光存儲的集成化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，并拓展其在光顯微成像、光顯示、光信息處理等領(lǐng)域的交叉應用。