国内光存储技术迎重大突破，“超级光盘”诞生，存储容量超普通光盘万倍

 

电子发烧友网报道（文/黄山明）在数据爆炸的今天，尤其随着AI的高速发展，文字、图片甚至视频都开始能够被AI批量生成，这意味着整个社会即将迎来新一轮的数据浪潮。与之相对的是，数据的急速增多导致的存储容量告急，此前推出的解决方案为边缘存储，但即便算上边缘设备，也很难跟得上数据量的增长。

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所（以下称“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的突破性进展，并已经在国际学术期刊《自然》杂志进行了刊登。这项技术的突破对我国在信息存储领域以及实现数字经济的可持续性上有重大意义。

“超级光盘”的诞生

自1982推出了第一代商业化的音频光盘产品CD-DA（Compact Disc Digital Audio，数字音频光盘）之后，光盘时代的正式开启。光盘的发明是信息存储技术的一大飞跃，它不仅极大地提高了数据存储的容量和便捷性，还促进了多媒体技术的发展。不过对许多人来说，在DVD、VCD等视频播放器进入到千家万户后，光盘才真正对世人所熟知。

早期的光盘作为影视作品甚至电脑数据拷贝的主要载体，一张光盘的数据存储量大约在200-300MB左右。如今随着数字媒体的崛起，以及移动设备和闪存技术的进步，对光盘的使用大幅减少，但这并未让科学家放弃对光盘的研发。

作为当前数字经济的基石之一，存储技术至关重要，而光存储技术具有绿色节能、安全可靠、寿命长等优势，非常适合用低成本长期存储，但由于光衍射极限的限制，让光盘容量最大只局限在数百GB的量级。

所谓的光衍射极限指的是传统的光存储技术受限于光学衍射效应，激光聚焦的最小点径有一个理论下限，即所谓的阿贝衍射极限，这决定了可以在单位面积上刻写的最小信息位的尺寸，进而影响存储密度。

2012年，上海理工大学顾敏院士提出了双光束超分辨光存储原理的设想，期待能够解决光衍射极限问题。双光束超分辨光存储技术是一种基于光学超分辨原理来提升光存储密度的方法。传统光存储受制于光学衍射极限，即激光束聚焦到一定程度后，由于衍射效应无法形成更小的焦点，从而限制了数据存储的最小单元大小，进而影响存储密度。

双光束超分辨光存储的基本原理借鉴了超分辨荧光显微技术的思路，例如STED或者RESOLFT等技术，使用两束激光光束，一束用于定位，另一束用于数据的写入和读取，通过调节辅助光与记录光的相互作用，可以有效地压缩实际记录的光点大小，从而突破衍射极限，实现亚衍射极限尺度的存储单元，大幅度提高存储密度。

据新华社消息，经过长达7年的持续研发，上海光机所终于攻克了存储容量实现了达到普通光盘上万倍、普通硬盘上百倍的“超级光盘”。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光学衍射极限的限制，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，数据承载量大约可达1.6PB。经老化加速测试，光盘介质寿命大于40年。

突破衍射极限，量产还需等待

据市场调研机构数据显示，到2025年全球数据总量将从2018年的33ZB增加至175ZB（1ZB等于10亿TB也等于1万亿GB），按照数据中心使用的10TB级移动硬盘来算，就需要有175亿个硬盘来存储这些数据。不仅成本高昂，而且这些移动硬盘的寿命较短，通常在3万小时左右，如果是机械硬盘通常5-8年就要更换，而固态硬盘10年左右也需要更换。

在数据迁移过程中容易丢失或者被篡改，并且要维持数据库的运行，如保持数据中心恒温恒湿、防磁防尘等环境，需要消耗大量能源。2022年数据显示，我国数据中心总耗电量约为27000亿千瓦时，超过了2座三峡水电站的年发电量。

而光存储本身拥有能耗低、寿命长达50-100年的独特优势，问题就在于衍射极限的限制，容量仅有上百GB左右，而上海光机所研发的“超级光盘”突破了衍射极限，实现了在一张光盘上就能够实现存储1.6PB的数据，能够将一个国家图书馆的所有书籍内容都放在里面，也是目前普通蓝光光盘的一万倍。

但目前所展示的技术还是非常早期的版本，尽管已经制造出了“超级光盘”，但光盘所配套的读写设备、制造成本、读写速度以及是否可以反复刻录等信息都尚未透露。

按照传统光盘的使用来看，如果没有配套的光驱系统，那么其读写速度并不快。DVD光盘的读取速度通常在1.3MB/s左右，DVD 16x的读取速度可以达到21.7MB/s，当然随着技术进步，现在一些DVD驱动器的读取速度可达24x、32x甚至更高。蓝光光驱的读取速度相对较低，常见的大约在2x至12x之间，对应的数据传输速率在9MB/s至54MB/s之间。

与HDD相比，主流7200转机械硬盘的顺序读写速度大致在100MB/s至200MB/s，而5400转硬盘的速度可能更低。而SSD读写速度远超过光盘，现代消费级SSD的顺序读取速度通常在500MB/s至3,500MB/s之间，写入速度在几百MB/s至3000MB/s之间，具体数值视SSD型号和接口（如SATA、NVMe PCIe）而定。

另一方面，如何解决光盘的重复读写也是个重要问题，并且复写操作会对光盘的寿命产生一定的影响，因为每次复写都会对光盘的表面造成一定的磨损。因此，频繁地进行复写操作可能会缩短光盘的使用寿命。

这也意味着如果没有特性的快速读写系统和解决复写难题，目前的“超级光盘”基本相当于磁带的替代品，在资料归档、数据备份具有一定优势。

上海光机所相关负责人透露，“超级光盘”的诞生，完成了双光束超分辨三维光存储的原理和实验验证，未来实现产业化，还有很长的路要走。

写在最后

不论是光学显微技术还是如今芯片制造的关键技术光刻机，亦或是光存储技术，都被光学衍射极限所困扰。这一限制也被2021年的Science认为是全球125个最前沿的科学问题中的首位，如今上海光机所突破了光学衍射极限，或许受益的不止光存储技术。

就像上海光机所相关负责人所言，该研究团队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、光信息处理等领域的交叉应用。