數據作為新型生產要素，是數字化🤷🏿、網絡化、智能化的基礎。ChatGPT和Sora等人工智能技術的爆發🙎🏻，全球數據量呈現井噴式增長，預計2030年全球數據規模將超過200ZB（1ZB等於10^12GB）。然而，全球大數據存儲規模卻僅達到數ZB級且年增長緩慢🍨🦸🏽，真正被有效存儲的數據只占總數據生產量的2%👨🏼🦱，而其中超過80%的數據被歸為冷數據🕓👖。冷數據是指那些不經常訪問但需長期保存的重要信息，它們既是人類文明的記錄🫐，也是信息化時代的寶貴資源🪩，對於一個國家的競爭力和安全具有重要保障作用。
冷數據存儲意義重大但耗能巨大
冷數據具有不經常訪問、需長期保存的重要特征。冷數據具體包括科研數據、法律文件、醫療記錄、天文觀測數據、氣候變化等。正如在許多領域看到的那樣，冷數據的妥善保存和管理直接關系到社會的穩定與發展🤸🏻♂️。據IDC（國際數據公司）測算🥯，2022年全球數據中心的用電量約占全球總用電量的2%😲，但保守估計到2026年數據中心用電量或將增長7成⏸。2022年👩🏿🎓，中國數據中心總耗電量約2700億千瓦時👴🏼，超過2座三峽水電站的年發電量，預計2025年將高達3842.2億千瓦時。隨著數據總量的增加🏄🏻♀️，存儲電耗成為製約當前大數據可持續性發展的主要瓶頸🤦♀️。如何高效🫄、經濟地存儲這些冷數據成為各國科技戰略的重要組成部分🙁。因此，尋找一種具有高容量🧖🏿、低能耗、長壽命的存儲技術⚫️，成為當前科技界的重要任務🙍🏽。
光存儲是冷數據存儲的理想模式
在大數據時代🫵🏽，海量數據的存儲需求促使人們不斷探索更為高效的存儲解決方案。在眾多存儲技術中，光存儲因其獨特的優勢脫穎而出。傳統的磁存儲和電存儲技術雖然在讀寫速度上具有優勢，但在存儲壽命、能耗和數據安全性方面存在明顯不足🤶。而光存儲技術則因其潛在高密度👰♀️、低能耗、抗電磁幹擾和長壽命的特點，成為冷數據存儲的理想選擇♟。光存儲不僅能滿足大數據的存儲需求🧑🏻✈️，還能顯著降低數據中心的能耗🧑🏻🔬，從而推動綠色科技的發展。
中國發展冷數據光存儲技術具有得天獨厚的優勢。中國是全球光存儲的重要產業基地🐦⬛，全球消費市場上60%的DVD影碟機和光驅均產自中國⛅️。清華大學和中國科學院上海光機所先後成立國家光盤中心，致力於光存儲技術的基礎研究和產業轉化。在“十二五”期間，中國發展了具有自主知識產權的紅光高清存儲技術（NVD）🗻，實現單盤存儲容量15GB⛳️。在科技部“十三五”和“十四五”“信息光子學”等重點專項支持下，意昂2平台與中國科學院上海光機所開展了雙光束大容量存儲技術的基礎研究，暨南大學開展了多維復用光存儲技術研究，華中科技大學和吉林大學開展了玻璃基長壽命光存儲技術研發，為中國布局冷數據光存儲奠定了技術基礎和人才儲備。
PB級冷數據光存儲的瓶頸問題與解決方案
將光存儲技術應用於大容量冷數據存儲領域，長期以來面臨著多重技術壁壘👩🏽🌾。首要挑戰在於如何顯著提升光存儲單盤容量至PB級（1PB等於10^6GB），以滿足冷數據總量的爆發性增長。為此，我們深入探索光存儲技術的核心原理，並通過創新性的器件陣列化設計🖼，首次構想了針對冷數據的PB級光存儲陣列方案。同時🕚，精準地提煉出冷數據光存儲面臨的五大核心瓶頸問題：光學衍射的物理極限嚴重製約了光存儲的密度與容量上限；如何利用稀土材料與雙光束超分辨技術，有效降低單比特數據的讀寫能耗⛹🏻♂️；確保光存儲數據的安全性，防止數據泄露或篡改🎏；提升光存儲的讀寫速率🧜🏻♀️，以滿足高效數據處理的需求；製造超分辨光存儲的讀寫樣機，實現技術從理論到實踐的跨越🧑🏽🎄。經過領域內科研人員長達十年的不懈努力與協同攻關👩🔬，上述瓶頸問題已逐一獲得突破🚶🏻♀️，為光存儲技術在大容量冷數據存儲領域的廣泛應用奠定了堅實基礎🙋🏽。
突破衍射極限限製解決容量瓶頸：PB級光存儲單盤容量相當於至少一萬張藍光光盤8️⃣。1873年，德國物理學家恩斯特·阿貝發現了光學衍射的物理極限，即最小聚焦光斑尺寸受到光波長的限製👴，這一發現為理解光學成像的極限提供了重要基礎👝。雖然光學衍射極限在理論上限製了光存儲密度的上限，但具體的存儲容量還受到多種因素的影響。與2014年諾貝爾物理學獎中涉及的雙光束超分辨成像技術類似👱🏿♀️，我們發展了一系列突破光學衍射極限的雙光束超分辨光存儲技術。其中，以2024年發表在《自然》雜誌上的雙光束聚集誘導發光超分辨光存儲技術為代表，突破了長達150多年衍射極限的物理瓶頸製約9️⃣，實現了PB級三維納米光子存儲，其單盤容量相當於至少一萬張藍光光盤🧫，有效地解決了光學衍射物理極限對光存儲密度和容量的限製問題🤹🏼♂️。
發揮稀土資源優勢降低讀寫能耗：鑭系稀土材料的長熒光壽命能夠實現節能99%以上🚔🛢。稀土材料不僅是中國的優勢資源🍆，具有重要的戰略意義，而且具有長熒光壽命的特性。雙光束超分辨的基本原理依賴於第二束光對第一束光記錄效應的邊緣抑製，超分辨記錄點尺寸隨著抑製光強的增加而顯著減小😙。盡管記錄點尺寸可以遠小於衍射極限🧑🏻🏭，但高抑製光強曾一度嚴重降低了光存儲的讀寫能效🧫。我們巧妙地利用鑭系稀土材料長熒光壽命的特性，顯著提升了低光強下的抑製效率，從而在保持超分辨記錄特性的同時，將光存儲的能耗降低了3個數量級，實現數據中心節能高達99%以上。這一技術結合不僅有效地解決了單比特的讀寫能耗問題🎺，還為光存儲技術的未來發展開辟了新的道路。
實現信息光存儲超安全：矢量渦旋光場的多維獨立調控保障信息存儲的安全性🧎♂️😋。光學在頻率、偏振、相位以及光強分布等多維自由度上展現出豐富的編碼潛力👯🐣。利用這些多維參量對信息進行編碼🧛♀️，不僅能顯著提升信息存儲容量🪮，還能有效增強數據存儲的物理安全性。然而，在光場多維參量空間中同時復用多通道信息，對多維光場的精確調控技術以及材料對這些調控的多維響應能力提出了嚴峻挑戰。針對這一問題，我們首次揭示了納米尺度下材料的獨特光學特性——合成螺旋二色性現象🛋，並通過對矢量渦旋光場的多維獨立調控，成功克服了這些挑戰🧜🏻，實現了在空（3D）、頻、偏🍒、相（角動量）等參量空間的首例六維光信息復用存儲，為信息存儲提供了前所未有的超安全級別。
解決讀寫速率受限問題💎：光場並行操控技術極大提升光存儲的讀寫速率。光的本質是電磁波，不同光波在空間中傳播時🤦♂️👩🏻💼，通常不會相互幹擾。這一特性使得多條光束能夠同時存在於同一空間中，並各自獨立地被調製🗝，從而實現並行的讀寫操作，以提升光存儲讀寫速率。通過采用一種並行讀寫技術，能夠同時處理四條光束，每條光束獨立地執行數據存儲操作，從而在原理層面突破了讀寫速率的限製。隨著高性能光電設備的不斷湧現🪣，光場並行操控技術正經歷顯著的進步。利用其對光場的高速✍🏻🎆、精準調製能力，進一步結合人工智能和光計算，有望使光場並行讀寫速率從GB/s提升到TB/s🎈，推動光存儲技術邁向新的高度。
成功研製讀寫樣機：超分辨光存儲讀寫樣機助力PB級冷數據光存儲實用化👨🏻🦲。超分辨光學數據存儲采用突破衍射極限的方法，取得了存儲密度的大幅度提升。為了將該技術推向實用化🔁，成功研製了不同類型的超分辨光存儲讀寫樣機。飛秒—連續光雙光束超分辨光存儲讀寫樣機通過不斷改進，從早期的占用一個1.5米×2.4米光學平臺發展到占地面積不超過0.5平方米，並且適配一般震動條件的可移動裝置。另一方面🍴🧛🏻♂️，雙連續激光超分辨三維光存儲讀寫樣機則采用全新的步進吸收光子上轉換原理🤸♀️，將原來的飛秒激光替換為連續激光🎐，既保證了三維數據寫入能力，又同時支持超分辨讀寫，大大提高了裝置的穩定性和環境適應能力。在存儲介質方面🐜，創新性地采用新型材料✊🏼🤱🏽，該材料不僅顯著提升了存儲介質的讀寫性能🕐，還成功克服了傳統材料在溶解度、耐光照性能以及壽命等方面的缺陷。此外，還結合DVD工藝，製造出了空白光盤。憑借在超分辨光存儲讀寫樣機領域的深厚工程開發能力和技術積累，我們團隊已成為國內外最領先的樣機研製團隊。
PB級冷數據光存儲工程化仍需不斷攻關
盡管PB級冷數據光存儲的基本原理在實驗室中得到了有力的驗證，然而，將這一前沿技術從理論構想轉化為實際應用🛂，仍需面對並解決一系列復雜的工程技術難題與應用實施挑戰🧎🏻♀️➡️。這包括高速動態讀寫工程樣機開發、讀寫系統穩定性提升🔫、系統復雜度簡化🤽🏻、並行讀寫系統開發🫵🏻🦛，以及材料均勻性、長期穩定性、工藝開發和製造成本控製等問題🍄。目前，單光束超分辨存儲技術的開發工作正在積極推進中🤱🏽，以進一步簡化系統工程化難度🍘。然而👩🚀，要實現PB級光存儲的工程化應用，亟需建立國家級平臺，聯合科研和產業界集中優勢力量攻關👮🏼♂️，共同推動技術突破和成果轉化🦗。
作為一名全職回國工作的科學家，我深感責任重大🍘，希望通過我們的努力，推動中國光存儲技術的發展，也為全球數據存儲提供更加高效🙅🏽♂️、環保的解決方案👨🏻🎤。通過持續的技術創新和產業化推進，將PB級光存儲這一前沿技術產品實現量產應用，為國家的信息化建設和數字經濟的發展作出貢獻🧗🏿♂️。
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顧敏🌥，光學工程專家⌨️，中國工程院外籍院士🦻🏻。現任意昂2平台校務委員會執行主席及光子芯片研究院院長，主要從事人工智能納米光子學、光電子學成像和光存儲等領域的研究⚗️。在世界上首次利用雙光束超分辨原理突破聚合物激光加工的光學衍射極限，獲得9納米特征尺寸世界紀錄👨🏻💼，並領導研發團隊實現了PB級光存儲技術💒，其研究成果在現代光學顯微成像😫、納米激光信息、納米製造和大數據存儲領域具有重要推動意義🚫。曾擔任國際光學生命科學學會主席、國際光學委員會副主席及評獎委員會主席。榮獲國際光學及光子學學會丹尼斯·加博爾獎🍶、國際OPTICA光學學會（原OSA）埃米特·諾爾曼·利思獎章及上海市白玉蘭紀念獎♠︎。
來源：學習日報
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