玻璃存储技术突破：指甲盖大小存4.8TB数据，寿命超1万年

近日，美国微软（Microsoft）研究院的科学家们公布了他们的“Project Silica”（硅晶计划）在激光改性玻璃存储敏感数据方面的最新技术进展。其特殊之处在于能够在普通玻璃中写入每立方毫米1.59Gb的数据，理论上这些数据可以存储超过一万年。目前，相关研究论文已经发表在了《自然》杂志上。

△Project Silica系统

“我们正在解决‘数字黑暗时代’的问题，”英国南安普顿大学的光学物理学家彼得·卡赞斯基（Peter Kazansky ）虽然未参与“Project Silica”研究，但他表示，“我们目前的记录保存在脆弱的磁性盘片上，这些盘片会不断衰减；这项研究确保我们的数字遗产能够永久保存。”

微软的“Project Silica”项目大约在8年前启动，由机械工程师、电子工程师、计算机科学家和光学专家组成的多学科团队负责。为了确定消费者需求，该团队与国家档案馆、博物馆和娱乐行业等机构进行了长时间的讨论。

Project Silica的研究主管Richard Black表示：“这些机构拥有价值极高的数据，他们希望长期保存这些数据。” 他补充道：“他们非常重视数据存储介质的类型——他们希望确保数据不会被恶意软件、国家支持的黑客或其他任何可能篡改数据的东西入侵。”

现有的存储方案，例如磁带数据存储，在一定程度上确实能够满足这种需求，但它们最终都会磨损。简而言之，这些机构真正需要的是一种能够经受住时间考验的存储介质，或者说，一种“可以放在架子上就不用管了”的存储介质。“我们意识到，如果我们能够控制物理特性并扩大其规模，那么‘激光改性玻璃’就有可能成为一种颠覆性的档案存储技术。”Richard Black说道。

据介绍，Silica的工作原理类似于多维光盘。它是利用超短的激光脉冲将信息刻写到普通玻璃上，这种“超短脉冲”每次持续时间仅为千兆分之一秒（即“飞秒”级），只需飞秒激光的一次“照射”，即可将体素（phase voxel）刻蚀到玻璃表面。

△Project Silica系统写入设备

这些激光产生的波长光通常会穿透透明的玻璃材料而不产生相互作用。然而，当这种光的超短脉冲紧密聚焦在特定区域时，会产生强烈的电场，改变焦区玻璃的分子结构。这意味着只有一个极小的三维体积受影响，通常不到一边的百万分之一米。这被称为“体素”，可以在玻璃中精确控制的位置制造。

然而，使用激光在玻璃中书写“体素”，进行三维数据存储的想法并不新鲜。美国哈佛大学的Eric Mazur及其同事早在1990年代研究了“体素”光学存储。他们的开创性工作证明，这些永久数据结构可以通过飞秒激光嵌入普通玻璃中。

2014年，英国南安普敦大学的Peter Kazansky及其同事报告了熔融石英玻璃中的数据存储，其寿命似乎是无限的。这有助于确立了超稳定玻璃存储设备的理念。

2024年，Peter Kazansky成立了一家名为SPhotonix的公司，致力于商业化他们所称的“5D玻璃纳米结构”技术。他们对“5D记忆玻璃”的设想甚至进入了流行文化：类似的装置出现在最新的《碟中谍》电影《最终审判》中，被描绘成一个能够容纳强大但阴险的人工智能的安全保险库。

但Project Silica技术创新之处在于“相位体素”（phase voxel），即同时利用光波长的相位差异来记录“体素”（或称像素的三维对应物）中的数据，实现四维存储。

△Project Silica系统高通量写入的示意图

Richard Black说，找到最佳方案是一个反复试验的过程，有时会出现意想不到的转折。例如，与南安普顿大学的设计方案不同，Silica 的运行是在四个维度（物理体素加上光的相位）内进行的，而不是五个维度。

Project Silica还研究了两种主要类型的激光书写“体素”：

第一种由玻璃内部激光驱动的“微爆炸”形成的微型细长空洞状结构组成。这些微型爆炸允许极高的存储密度达到每立方毫米1.59Gb的数据。

第二种方法是对玻璃局部折射率做细微变化。这些折射率可以写得更快，耗电更少——但每立方毫米玻璃能容纳更少的数据。这种方法的写入速度约65.9Mbps，但通过更多激光束可以提升这一速度。

更为关键的是，Project Silica的工作结合了基于飞秒激光和玻璃的存储平台的所有关键元素。它包括数据编码、写入、读取、解码和纠错。该研究还探讨了可靠性、写入速度、能效和数据密度的不同策略，并涉及对数据生命周期的系统评估。

△Project Silica系统的读取设备

△Project Silica系统的读取与解码：a，使用偏振分辨显微镜进行双折射体素读出示意图；b、使用相差显微镜绘制的相位体素读出示意图；c、解码流水线，显示图像被解码为恢复扇区；d，LDPC曲线，展示了码率（水平轴）与质量因子（纵轴）在双折射和相位体素的权衡。e，恢复以相位体素编码的原始数据跨层（垂直轴）和轨道（水平轴）所需的编码率热图示例。数据显示，编码率主要取决于玻璃的深度，而非 xy 位置。

总结来说，Project Silica团队的最新成果，使得玻璃存储的读取设备只需1台相机即可完成（而非过去3～4 台），降低成本及设备尺寸。此外，写入所需的零部件也更精简，能更容易制造和校准，可以更快地编码数据。

论文报告，团队以每束光每秒25.6 Mb写入速度将4.8TB 数据（相当于大约 200 万本印刷书籍或 5000 部超高清电影）编码至一块面积约120平方毫米（约等于1个成年人手指甲盖大小的面积）、厚度约2 毫米的硼硅玻璃中（刻录了 301 体素层，密度达到了每立方毫米1.59Gb），虽然写入速度远比HDD（约160 MB/s）或SSD（约7,000 MB/s）慢，但相较于多数HDD 或SSD 仅能持续使用约10 年，硼硅玻璃中的数据理论上能保存超过10,000 年，只要保存得当、不出现破碎。

Richard Black表示，有了Silica，用户“可以将数据写入玻璃，一旦完成，就无需再支付任何后续费用”。“当我们与人们交流时，他们一致认为这确实是一个非常大的变革。这将改变我们对数据保存和档案保存的固有认知。”

编辑：芯智讯-浪客剑