圖說：上海光機所研究員阮昊展示Pb量級光碟 新民晚報記者 陶磊 攝
提起光碟這個名詞，你是不是要反應片刻？
當光碟機逐漸消失，光碟也和日常生活工作漸行漸遠。可對大儲存量的資料中心來說，光碟卻是不容忽視的重要儲存手段。
中國科學院上海光學精密機械研究所與上海理工大學等科研單位合作，利用全球首創的雙光束調控聚集誘導發光超分辨光儲存技術，造出了一張“全透明”的光碟，單盤等效容量達Pb量級（1Pb=1000Tb），相當於100個商用硬碟。
相關成果於北京時間今天凌晨在國際頂級學術期刊《自然》（Nature）上發表。
好用 也“難用”
曾幾何時，在不同的平臺上，光碟都所向披靡，引領了一場場變革。光碟原理也不難懂，盤上有一圈一圈非常細的紋路，背面壓上能反光的材質，用平整和小凹坑代表0和1，就能夠儲存大量資料了。
人類正處於資料爆炸的時代，全球資料量呈指數級激增。由此也帶來了資料的儲存難題——大容量資料的儲存也需要大能耗。統計顯示，以2022年為例，我國資料中心總耗電量約2700億千瓦時，超過2座三峽水電站的年發電量。尤其令人頭疼的是，每隔3到10年還需要定期進行資料遷移，這樣就存在資料被篡改或丟失的風險，且儲存壽命短。
光儲存技術，綠色節能、安全可靠、還“長壽”，很適合長期低成本儲存海量資料。然而，受到光學衍射極限的限制，傳統商用光碟容量基本不超過500GB。“光碟上儲存的是一個個資訊點，兩點太近就容易互相干擾，無法進一步提高儲存容量。”中國科學院上海光機所空天鐳射技術與系統部博士後、論文第一作者趙苗解釋。
大資料時代，突破衍射極限、縮小資訊點尺寸、提高單盤儲存量長久以來都是光儲存領域的不懈追求。
破極限 找材料
光學衍射極限，在2005年和2021年，兩度登上《科學》雜誌釋出的全球最前沿的125個科學問題，足見難如登天。
諾貝爾獎得主斯特凡·W·赫爾在20世紀90年代提出了受激輻射損耗顯微技術，隨後在顯微成像領域證明了光學衍射極限能夠被打破。2013年，顧敏院士團隊利用雙光束的原理實現了9奈米鐳射直寫技術，在鐳射直寫領域實現超分辨。然而，一直缺乏可行的材料能做到雙光束儲存：能超分辨寫、超分辨讀、三維儲存及長期儲存。
圖說：奈米光子儲存示意圖 採訪物件供圖（下同）
研究團隊“兩條腿走路”，一邊突破衍射極限限制，一邊尋求合適的材料。“揭榜掛帥”下，多支科研團隊紛紛投入，共同探尋突破。
“我們在國際上首創光束調控聚集誘導發光超分辨光儲存技術，可調控聚集誘導發光效應和區域，將資訊記錄點縮小到奈米級別，同時實現超分辨讀出，在光儲存領域突破衍射極限。”上海光機所空天鐳射技術與系統部研究員、論文共同通訊作者之一的阮昊研究員介紹。
在材料選擇上，“大浪淘沙”後，AIE染料摻雜有機樹脂進入了團隊的視野。新材料的表現令人欣喜，在鐳射的調控下能夠使熒光增強五六十倍，而且“寫過留痕”——鐳射寫入的地方發生紅移，產生非常高的信噪比。
團隊介紹，該光碟實現了點尺寸為54奈米，道間距為70奈米的超分辨資料儲存，並完成了100層的多層記錄，單盤等效容量約1.6 Pb。經老化加速測試，光碟介質壽命大於40年。研究人員在光碟各層分別寫入上海光機所和上海理工大學的標識，從第1層和第100層都可以讀出，展示了材料極高的三維效能。
圖說：100層記錄和二進位制編碼譯碼復原結果
“光碟的原始誤位元速率為0.33%，經過糾錯技術後，單盤的誤位元速率基本接近零。”阮昊補充道，“在鍍保護層等操作後，光碟壽命有望達到百年。”
產業化 向前走
據悉，這項突破是國際上首次實現Pb量級的超大容量光儲存，對於我國在資訊儲存領域突破關鍵核心技術、實現數字經濟的可持續發展具有重大意義。
國際同行評價說，該研究成果可能會帶來資料中心檔案資料儲存的突破，解決大容量和節能的儲存技術難題。另一位論文審稿人指出：“這是一種具有突破性創新的Pb級光儲存技術……顯示出巨大的實用和商業潛力。”
“隨著人工智慧迅速發展，資料增加的速度超乎想象。大資料面臨儲存容量、能耗和壽命的挑戰，全球科學家的工作也圍繞這些熱點展開。”論文另一位共同通訊作者，上海理工大學光子晶片研究院院長、張江實驗室光計算所所長顧敏院士預計，這項技術將在未來改進讀寫速度等問題，實現工程化應用，將為大資料中心提供海量冷資料儲存方案。“如果進一步實現與企業的合作，這項技術的應用速度還將提前。”
當然，超大容量光儲存的整合化和產業化程序之路還很崎嶇，光碟的讀寫速度、新型光碟機的工程化等都需要一一解決。“相較於常見的固態硬碟，光碟的儲存條件更加寬鬆，穩定性也更強。”阮昊稱，未來團隊將拓展其在光顯微成像、光顯示、光資訊處理等領域的交叉應用，產出更多更優秀的創新成果。
上海理工大學光子晶片研究院院長、張江實驗室光計算所所長顧敏院士，上海理工大學文靜教授，中國科學院上海光學精密機械研究所阮昊研究員為通訊作者。上海光機所博士後趙苗和上海理工大學文靜教授為並列第一作者。研究工作得到了上海市科委重大專案、國家重點研發計劃等專案的支援。
新民晚報記者 郜陽 易蓉
