海量数据如何存储？我国科学家实现光存储Pb量级首次突破

随着数字经济的发展，数据储存也是激活数据要素的核心动能。

根据研究机构IDC预测，从2018年到2025年，全球数据量将从33ZB增至175ZB,其中，我国的数据量将从7.6ZB增至48.6ZB，跃居为全球第一。尤其是随着AGI（Artificial General Intelligence ，通用人工智能）的发展，包括算力、存力和运力为支撑的数据基础设施底座建设缺一不可。

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所（下称“上海光机所”）与上海理工大学等科研单位合作，在超大容量超分辨三维光存储研究中取得突破性进展。这对我国在信息存储领域突破关键核心技术、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2月22日发表在《自然》（Nature）杂志。这是国际上首次实现Pb量级的超大容量光存储。

仅仅20克透明轻薄的光盘，来源：《自然》

小空间存更多数据

所谓存力，是以数据存储为核心，包含性能表现、安全可靠、绿色低碳在内的综合数据存储服务能力，是激活数据要素的核心动能。

本次成果中，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关键核心技术、实现数字经济的可持续发展具有重大意义。

该论文第一作者单位为上海光机所，通讯作者为上海光机所阮昊研究员和上海理工大学光子芯片研究院院长顾敏院士，上海理工大学文静教授。上海光机所博士后赵苗和上海理工大学文静教授为并列第一作者。项目得到了上海市科委和国家重点研发计划等支持。

阮昊对第一财经解释道，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追求。

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、激光纳米直写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。

从光学显微技术到光存储技术，都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关键核心技术，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。

“所以这一次我们解决了光存储领域信息写入和读出均受衍射极限限制的问题，实现了超分辨的记录，极大地提高了光存储的密度和容量。因为单盘的容量是1. 6个Pb，相当于1万张蓝光光盘，这是一个突破性的进展，为大数据存储提供了绿色节能长寿命的方案。”研究人员告诉记者，他们也和目前的硬盘、光盘技术进行了一些对比，在技术性能上提高了最高的光存储面密度，可以在数据中心档案存储上实现突破性应用，解决大容量和节能的存储技术难题。

《自然》审稿人的评价该成果道：“这是一种具有突破性创新的Pb级光存储技术…”“与现有其它技术相比，该技术在性能方面提供了最高的光存储面密度…”“研究成果可能会带来数据中心档案数据存储的突破，解决大容量和节能的存储技术难题…”。

前排从左至右：论文通讯作者阮昊，共同第一作者赵苗；后排从左至右：研究人员胡巧、尹教成（来源：上海光机所）

帮数据中心处理“冷数据”

随着算力作为数字经济时代新的生产力迅速发展，各地也在加码布局数据中心。

近年来，我国算力相关政策密集出台。2020年4月，国家发改委首次将智算中心等算力基础设施纳入“新基建”的范畴；2021年5月，国家发改委等四部门联合发布了《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》，首次提出全国算力网络枢纽节点布局；2022年2月，国家发改委等三部门同意了京津冀、长三角、粤港澳大湾区等8地启动国家算力枢纽节点建设，并规划了10个国家数据中心集群，标志着“东数西算”工程正式启动。

就在近日，国家发改委、国家数据局、中央网信办、工信部、国家能源局五部门日前联合印发《深入实施“东数西算”工程加快构建全国一体化算力网的实施意见》（下称《实施意见》），提出到2025年底，普惠易用、绿色安全的综合算力基础设施体系初步成型。

而在数据的分类中，有热数据、冷数据、温数据等。“冷数据”一般指的是那些时效性需求不太高的，“热数据”是对处理时间要求高、需要立刻做决策并运算的，例如自动驾驶、远程医疗等，“温数据”则是介于“冷数据”和“热数据”之间的。

阮昊对记者解释，他们的成果主要存储的就是冷数据。“在所有数据中，80%以上都是冷数据，这些数据使用频率很少，但是需要永久保存，比如大科学装置做出来的实验数据。这类实验做一次非常不容易，这些访问速率没那么快但是又很重要的数据都要安全性地保存，我们的成果主要用在这类数据上面，因此特别适合数据中心的使用。”他补充举例，像处理热数据的固态硬盘、手机存储卡、存储条都很贵，处理百分之十几的温数据可以用磁存储、磁硬盘，另外80%冷数据就可以用光盘。

Pb级光盘制备及读写方式示意图，来源：《自然》

研究团队介绍，未来他们将加快原始创新和关键技术攻关，推动超大容量光存储的集成化和产业化进程，并拓展其在光显微成像、光显示、光信息处理领域的交叉应用，产出更多更优秀的创新成果。

“关于产业化我们计划是5年左右应该有一个可以用的光盘和机器给消费者看。这当然也需要企业界和科研界一起努力。”阮昊说。