北青网2024年10月15日发布:如何让海量冷数据不再被“冷落”

顾敏，光学工程专家，中国工程院外籍院士。现任上海理工大学校务委员会执行主席及光子芯片研究院院长，主要从事人工智能纳米光子学、光电子学成像和光存储等领域的研究。在世界上首次利用双光束超分辨原理突破聚合物激光加工的光学衍射极限，获得9纳米特征尺寸世界纪录，并领导研发团队实现了PB级光存储技术，其研究成果在现代光学显微成像、纳米激光信息、纳米制造和大数据存储领域具有重要推动意义。曾担任国际光学生命科学学会主席、国际光学委员会副主席及评奖委员会主席。荣获国际光学及光子学学会丹尼斯·加博尔奖、国际OPTICA光学学会（原OSA）埃米特·诺尔曼·利思奖章及上海市白玉兰纪念奖。

数据作为新型生产要素，是数字化、网络化、智能化的基础。ChatGPT和Sora等人工智能技术的爆发，全球数据量呈现井喷式增长，预计2030年全球数据规模将超过200ZB（1ZB等于10^12GB）。然而，全球大数据存储规模却仅达到数ZB级且年增长缓慢，真正被有效存储的数据只占总数据生产量的2%，而其中超过80%的数据被归为冷数据。冷数据是指那些不经常访问但需长期保存的重要信息，它们既是人类文明的记录，也是信息化时代的宝贵资源，对于一个国家的竞争力和安全具有重要保障作用。

冷数据存储意义重大但耗能巨大

冷数据具有不经常访问、需长期保存的重要特征。冷数据具体包括科研数据、法律文件、医疗记录、天文观测数据、气候变化等。正如在许多领域看到的那样，冷数据的妥善保存和管理直接关系到社会的稳定与发展。据IDC（国际数据公司）测算，2022年全球数据中心的用电量约占全球总用电量的2%，但保守估计到2026年数据中心用电量或将增长7成。2022年，中国数据中心总耗电量约2700亿千瓦时，超过2座三峡水电站的年发电量，预计2025年将高达3842.2亿千瓦时。随着数据总量的增加，存储电耗成为制约当前大数据可持续性发展的主要瓶颈。如何高效、经济地存储这些冷数据成为各国科技战略的重要组成部分。因此，寻找一种具有高容量、低能耗、长寿命的存储技术，成为当前科技界的重要任务。

光存储是冷数据存储的理想模式

在大数据时代，海量数据的存储需求促使人们不断探索更为高效的存储解决方案。在众多存储技术中，光存储因其独特的优势脱颖而出。传统的磁存储和电存储技术虽然在读写速度上具有优势，但在存储寿命、能耗和数据安全性方面存在明显不足。而光存储技术则因其潜在高密度、低能耗、抗电磁干扰和长寿命的特点，成为冷数据存储的理想选择。光存储不仅能满足大数据的存储需求，还能显著降低数据中心的能耗，从而推动绿色科技的发展。

中国发展冷数据光存储技术具有得天独厚的优势。中国是全球光存储的重要产业基地，全球消费市场上60%的DVD影碟机和光驱均产自中国。清华大学和中国科学院上海光机所先后成立国家光盘中心，致力于光存储技术的基础研究和产业转化。在“十二五”期间，中国发展了具有自主知识产权的红光高清存储技术（NVD），实现单盘存储容量15GB。在科技部“十三五”和“十四五”“信息光子学”等重点专项支持下，上海理工大学与中国科学院上海光机所开展了双光束大容量存储技术的基础研究，暨南大学开展了多维复用光存储技术研究，华中科技大学和吉林大学开展了玻璃基长寿命光存储技术研发，为中国布局冷数据光存储奠定了技术基础和人才储备。

PB级冷数据光存储的瓶颈问题与解决方案

将光存储技术应用于大容量冷数据存储领域，长期以来面临着多重技术壁垒。首要挑战在于如何显著提升光存储单盘容量至PB级（1PB等于10^6GB），以满足冷数据总量的爆发性增长。为此，我们深入探索光存储技术的核心原理，并通过创新性的器件阵列化设计，首次构想了针对冷数据的PB级光存储阵列方案。同时，精准地提炼出冷数据光存储面临的五大核心瓶颈问题：光学衍射的物理极限严重制约了光存储的密度与容量上限；如何利用稀土材料与双光束超分辨技术，有效降低单比特数据的读写能耗；确保光存储数据的安全性，防止数据泄露或篡改；提升光存储的读写速率，以满足高效数据处理的需求；制造超分辨光存储的读写样机，实现技术从理论到实践的跨越。经过领域内科研人员长达十年的不懈努力与协同攻关，上述瓶颈问题已逐一获得突破，为光存储技术在大容量冷数据存储领域的广泛应用奠定了坚实基础。

突破衍射极限限制解决容量瓶颈：PB级光存储单盘容量相当于至少一万张蓝光光盘。1873年，德国物理学家恩斯特·阿贝发现了光学衍射的物理极限，即最小聚焦光斑尺寸受到光波长的限制，这一发现为理解光学成像的极限提供了重要基础。虽然光学衍射极限在理论上限制了光存储密度的上限，但具体的存储容量还受到多种因素的影响。与2014年诺贝尔物理学奖中涉及的双光束超分辨成像技术类似，我们发展了一系列突破光学衍射极限的双光束超分辨光存储技术。其中，以2024年发表在《自然》杂志上的双光束聚集诱导发光超分辨光存储技术为代表，突破了长达150多年衍射极限的物理瓶颈制约，实现了PB级三维纳米光子存储，其单盘容量相当于至少一万张蓝光光盘，有效地解决了光学衍射物理极限对光存储密度和容量的限制问题。

发挥稀土资源优势降低读写能耗：镧系稀土材料的长荧光寿命能够实现节能99%以上。稀土材料不仅是中国的优势资源，具有重要的战略意义，而且具有长荧光寿命的特性。双光束超分辨的基本原理依赖于第二束光对第一束光记录效应的边缘抑制，超分辨记录点尺寸随着抑制光强的增加而显著减小。尽管记录点尺寸可以远小于衍射极限，但高抑制光强曾一度严重降低了光存储的读写能效。我们巧妙地利用镧系稀土材料长荧光寿命的特性，显著提升了低光强下的抑制效率，从而在保持超分辨记录特性的同时，将光存储的能耗降低了3个数量级，实现数据中心节能高达99%以上。这一技术结合不仅有效地解决了单比特的读写能耗问题，还为光存储技术的未来发展开辟了新的道路。

实现信息光存储超安全：矢量涡旋光场的多维独立调控保障信息存储的安全性。光学在频率、偏振、相位以及光强分布等多维自由度上展现出丰富的编码潜力。利用这些多维参量对信息进行编码，不仅能显著提升信息存储容量，还能有效增强数据存储的物理安全性。然而，在光场多维参量空间中同时复用多通道信息，对多维光场的精确调控技术以及材料对这些调控的多维响应能力提出了严峻挑战。针对这一问题，我们首次揭示了纳米尺度下材料的独特光学特性——合成螺旋二色性现象，并通过对矢量涡旋光场的多维独立调控，成功克服了这些挑战，实现了在空（3D）、频、偏、相（角动量）等参量空间的首例六维光信息复用存储，为信息存储提供了前所未有的超安全级别。

解决读写速率受限问题：光场并行操控技术极大提升光存储的读写速率。光的本质是电磁波，不同光波在空间中传播时，通常不会相互干扰。这一特性使得多条光束能够同时存在于同一空间中，并各自独立地被调制，从而实现并行的读写操作，以提升光存储读写速率。通过采用一种并行读写技术，能够同时处理四条光束，每条光束独立地执行数据存储操作，从而在原理层面突破了读写速率的限制。随着高性能光电设备的不断涌现，光场并行操控技术正经历显著的进步。利用其对光场的高速、精准调制能力，进一步结合人工智能和光计算，有望使光场并行读写速率从GB/s提升到TB/s，推动光存储技术迈向新的高度。

成功研制读写样机：超分辨光存储读写样机助力PB级冷数据光存储实用化。超分辨光学数据存储采用突破衍射极限的方法，取得了存储密度的大幅度提升。为了将该技术推向实用化，成功研制了不同类型的超分辨光存储读写样机。飞秒—连续光双光束超分辨光存储读写样机通过不断改进，从早期的占用一个1.5米×2.4米光学平台发展到占地面积不超过0.5平方米，并且适配一般震动条件的可移动装置。另一方面，双连续激光超分辨三维光存储读写样机则采用全新的步进吸收光子上转换原理，将原来的飞秒激光替换为连续激光，既保证了三维数据写入能力，又同时支持超分辨读写，大大提高了装置的稳定性和环境适应能力。在存储介质方面，创新性地采用新型材料，该材料不仅显著提升了存储介质的读写性能，还成功克服了传统材料在溶解度、耐光照性能以及寿命等方面的缺陷。此外，还结合DVD工艺，制造出了空白光盘。凭借在超分辨光存储读写样机领域的深厚工程开发能力和技术积累，我们团队已成为国内外最领先的样机研制团队。

PB级冷数据光存储工程化仍需不断攻关

尽管PB级冷数据光存储的基本原理在实验室中得到了有力的验证，然而，将这一前沿技术从理论构想转化为实际应用，仍需面对并解决一系列复杂的工程技术难题与应用实施挑战。这包括高速动态读写工程样机开发、读写系统稳定性提升、系统复杂度简化、并行读写系统开发，以及材料均匀性、长期稳定性、工艺开发和制造成本控制等问题。目前，单光束超分辨存储技术的开发工作正在积极推进中，以进一步简化系统工程化难度。然而，要实现PB级光存储的工程化应用，亟需建立国家级平台，联合科研和产业界集中优势力量攻关，共同推动技术突破和成果转化。

作为一名全职回国工作的科学家，我深感责任重大，希望通过我们的努力，推动中国光存储技术的发展，也为全球数据存储提供更加高效、环保的解决方案。通过持续的技术创新和产业化推进，将PB级光存储这一前沿技术产品实现量产应用，为国家的信息化建设和数字经济的发展作出贡献。

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