“才拍了幾張照片，我的手機(jī)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(xí)以為常的“困擾”背后，是人們?cè)絹碓礁叩臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。而這些日?！靶馈敝皇菙?shù)據(jù)存儲(chǔ)困擾的冰山一角——根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)專業(yè)機(jī)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(shí)下比較主流的1TB容量的移動(dòng)硬盤裝這些數(shù)據(jù)，則至少需要使用1750億個(gè)。這樣不僅成本高昂，而且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的壽命短。因此無論是個(gè)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(chǔ)技術(shù)早已迫在眉睫。

納米光子存儲(chǔ)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(jī)械研究所的團(tuán)隊(duì)人員利用光存儲(chǔ)技術(shù)提出了綠色、長(zhǎng)壽命、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案，研究成果以“Pb容量三維納米光子存儲(chǔ)”(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(shí)可以在三維空間實(shí)現(xiàn)多至百層的、超分辨尺寸下的信息點(diǎn)的寫入和讀出，單張盤容量可以高達(dá)Pb級(jí)，相當(dāng)于至少一萬張藍(lán)光光盤或者一百個(gè)大容量硬盤，也就是說，在這項(xiàng)技術(shù)的推動(dòng)下，存下全球一年數(shù)據(jù)所需的Pb級(jí)光盤的數(shù)量相較于硬盤可以減少兩個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到“以一抵百”的效果。

上海理工大學(xué)光子芯片研究院院長(zhǎng)、張江實(shí)驗(yàn)室光計(jì)算所所長(zhǎng)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(jī)械研究所阮昊研究員為共同通訊作者。中科院上海光機(jī)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(chǔ)”(A 3D nanoscale optical disk memory with petabit capacity)論文

據(jù)顧敏院士介紹，該P(yáng)b級(jí)海量三維納米光子存儲(chǔ)技術(shù)是劃時(shí)代的技術(shù)。以深度學(xué)習(xí)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(dá)58億，整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的文本大小約為56Pb，如果還是用1TB容量的移動(dòng)硬盤去存下這些數(shù)據(jù)，平鋪開來需要占據(jù)一個(gè)操場(chǎng)的面積。而此次科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)的三維納米光子存儲(chǔ)可以將存儲(chǔ)空間節(jié)省至一臺(tái)電腦大小，極大地降低了經(jīng)濟(jì)成本。

此外，為了維持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)嚴(yán)苛的運(yùn)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(guó)數(shù)據(jù)中心總耗電量約2700億千瓦時(shí)，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(jìn)行數(shù)據(jù)遷移，這樣就存在數(shù)據(jù)被篡改或丟失的風(fēng)險(xiǎn)，且存儲(chǔ)壽命短。此次科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)的光子存儲(chǔ)技術(shù)可以把耗能降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，壽命可達(dá)50到100年。

這一顛覆性成果的提出源于團(tuán)隊(duì)突破了光學(xué)衍射極限的限制——像激光直寫機(jī)、光學(xué)顯微技術(shù)、光存儲(chǔ)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(gè)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(shí)也是2024年《自然》最新發(fā)布的將在未來一年關(guān)注的7個(gè)技術(shù)領(lǐng)域之一.可以說，我們團(tuán)隊(duì)拼上了這一領(lǐng)域的‘珠穆朗瑪峰’。”

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(tuán)隊(duì)開始了創(chuàng)新探索。在激光直寫領(lǐng)域，他帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)利用雙光束的原理實(shí)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(chǔ)技術(shù)的提出，不僅在光存儲(chǔ)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(guó)在存儲(chǔ)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(chǔ)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