隨著人工智能時代的到來，數(shù)據(jù)存儲成為一個重要且關(guān)鍵的研究領(lǐng)域。我國數(shù)據(jù)存儲技術(shù)到底如何提升，成為產(chǎn)學(xué)研各界關(guān)注的重點(diǎn)。

　　日前，中國工程院外籍院士、上海理工大學(xué)光子芯片研究院院長、張江實(shí)驗室光計算所所長顧敏和文靜教授團(tuán)隊，與中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員阮昊團(tuán)隊，在存儲領(lǐng)域突破光學(xué)衍射極限，研發(fā)出超大容量納米級三維光盤存儲器。

　　該技術(shù)能讓巴掌大小的光盤，擁有1.6PB的存儲量（PB是一種計算機(jī)存儲容量的單位，等于10的15次方比特，相當(dāng)于一百萬個GB——記者注）?！翱梢哉f，我們團(tuán)隊登上了這一領(lǐng)域的‘珠穆朗瑪峰’?！鳖櫭粽f。

　　這一重要研究成果近日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature），引發(fā)廣泛關(guān)注。鮮為人知的是，這項研究背后有著一支在該領(lǐng)域堅守10多年的青年團(tuán)隊。

　　一張光盤等于一個小型數(shù)據(jù)中心

　　這項研究，此前被眾多媒體形容為“超級光盤”項目。即用一張巴掌大的光盤，來實(shí)現(xiàn)一個小型數(shù)據(jù)中心的存儲量。

　　“聽起來很科幻，1.6PB這一數(shù)據(jù)，實(shí)際上是團(tuán)隊通過計算單位面積上可以實(shí)現(xiàn)的存儲密度而計算出來的一個等效存儲數(shù)據(jù)量。”文靜告訴中青報·中青網(wǎng)記者，通過實(shí)驗及科學(xué)論證得出的這一可行性結(jié)論，震撼人心。

　　據(jù)她介紹，團(tuán)隊研究的是“雙光束超分辨光存儲技術(shù)”，這項技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在一張光盤上存儲相當(dāng)于1.6PB容量的數(shù)據(jù)，并且可以被錄入和讀取。

　　“不過，目前的讀寫設(shè)備還處于實(shí)驗室階段，體積稍微龐大?！蔽撵o說，未來，真正實(shí)現(xiàn)大容量存儲還需要可以高度商用化的低成本、小型化讀寫設(shè)備。

　　她告訴記者，目前，該團(tuán)隊在小型化超分辨讀寫設(shè)備上已有一些階段性成果；未來還要研究如何提升讀寫速度并進(jìn)一步降低單點(diǎn)能耗等問題。

　　顧敏團(tuán)隊針對“超級光盤”的研究開始于2013年。那時，顧敏就有意在光盤領(lǐng)域研究大容量存儲的突破之道，并首次利用雙光束超分辨原理，在激光直寫領(lǐng)域突破光學(xué)衍射極限，創(chuàng)造9納米特征尺寸的世界紀(jì)錄。

　　所謂“雙光束”，是指通過兩束激光的照射，使得存儲材料上的數(shù)據(jù)能發(fā)出納米尺度的強(qiáng)光，光越強(qiáng)，信號也就越強(qiáng)。“讀取光盤里的數(shù)據(jù)，需要探測信號，信號強(qiáng)了，才更加容易讀取?！蔽撵o說。

　　她打了一個比方：如果把一點(diǎn)一點(diǎn)的光，比作天上的“星星”，研究團(tuán)隊要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，就是讓單位面積上存放更多的“星星”，并且讓這些“星星”都能通過光束的照射被清晰地“讀取”出來。

　　“星星”越密集，存儲量就越大，但同時寫入和讀取的難度也就越大。以此次一張光盤含有1.6PB等效數(shù)據(jù)量的研究為例，這樣一張光盤的層數(shù)多達(dá)100層、厚度僅100微米，“星星”密密麻麻地疊在100層材料里，如何把它們寫入并有效讀取出來？難度極大。

　　僅單層光盤，材料就找了5年多

　　在全球數(shù)據(jù)存儲市場，固態(tài)硬盤及全閃存儲被認(rèn)為是未來存儲領(lǐng)域的大方向，尤其是固態(tài)硬盤存儲領(lǐng)域，長期被日美公司壟斷。我國如果能在大容量光存儲領(lǐng)域取得突破，將有機(jī)會在數(shù)據(jù)存儲方面實(shí)現(xiàn)“彎道超車”。

　　論文通訊作者之一、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員阮昊介紹，傳統(tǒng)發(fā)光染料材料在聚集狀態(tài)下極易發(fā)生熒光猝滅，造成信息丟失。這種材料在納米尺度下還存在被背景噪聲淹沒的難題，導(dǎo)致超分辨的信息難以讀出。

　　但這一次，研究團(tuán)隊選擇的是一種全透明的材料。

　　“大家覺得光盤都是那種反射面的，但我們這次選用的材料是全透明的?！蔽撵o說，這種材料可以從單層拓展到多層，光束照射下去，可以探查到介質(zhì)最深的地方，因此，附著在介質(zhì)上被疊起來的“星星”可以一點(diǎn)一點(diǎn)地辨別清楚。

　　“這種材料，目前只有顧敏老師和由他領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊采用了。”文靜說，為了找到理想的材料，團(tuán)隊采用高通量的方法，篩選數(shù)百種材料，逐個驗證哪種最合適。

　　研究團(tuán)隊用了超過5年的時間找材料，排除很多錯誤選項，直到2021年年初，一種理想的材料才被篩選出來。

　　“我們選用的是聚集誘導(dǎo)發(fā)光染料材料，它的化學(xué)式，像有6片葉子的‘發(fā)光風(fēng)車’，‘風(fēng)車’轉(zhuǎn)得越快，消耗的動能越多，對外發(fā)的光就越少。要讓‘風(fēng)車’發(fā)光更強(qiáng)，就要讓它轉(zhuǎn)慢一些。我們把‘風(fēng)車’放在有機(jī)樹脂薄膜里，并讓激光去照射?！蔽撵o說，這種材料獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使得它可以超越衍射極限，分辨出兩個相鄰點(diǎn)的距離，實(shí)現(xiàn)精確讀寫。

　　“在顧院士的指導(dǎo)下，該材料已從最初的單層讀寫拓展到100層讀寫?！蔽撵o告訴記者，起初團(tuán)隊把實(shí)驗記錄做到了30層，即找到一種可以疊加30層并能實(shí)現(xiàn)讀寫的材料。團(tuán)隊成員、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所博士后趙苗把數(shù)據(jù)整理好后，欣喜地向顧敏匯報，卻被顧院士很嚴(yán)肅地“懟”了回來。

　　文靜說，顧院士對本領(lǐng)域的研究有敏銳的判斷，他知道實(shí)驗參數(shù)做到什么程度才能被稱為“頂尖”。當(dāng)材料做到70納米一層、共30層時，顧敏便明確“是否可以優(yōu)化到100層，并實(shí)現(xiàn)記錄點(diǎn)尺寸在50納米左右”。

　　為此，團(tuán)隊成員后期又花了大量時間優(yōu)化實(shí)驗條件。層數(shù)越多，難度越大。

　　論文一審像第二次“高考”

　　當(dāng)研究團(tuán)隊把這一光盤存儲技術(shù)的光盤層數(shù)確定在100層、容量定在1.6PB、信息點(diǎn)尺寸定在54納米后，就要開始漫長的論文投遞過程了。

　　因為文章的內(nèi)容足夠“硬”，團(tuán)隊在投稿后3周就收到3位審稿人的積極回復(fù)。那是2023年6月底，距離這篇論文最后發(fā)表還有將近1年的時間。在這近1年的時間里，研究團(tuán)隊的工作重心轉(zhuǎn)移到了回答審稿人的提問和修改論文上。

　　審稿人拋來了幾十個問題，需要進(jìn)一步提供數(shù)據(jù)支持。在顧院士和團(tuán)隊成員仔細(xì)逐個討論完每個問題后，初步實(shí)驗方案終于定了下來。文靜和趙苗開始“倒班”做實(shí)驗，回答審稿人的疑問。凌晨，趙苗做完實(shí)驗；早上，文靜拿到數(shù)據(jù)就開始分析，再根據(jù)結(jié)果更新實(shí)驗方案和參數(shù)。

　　其中，最難回答的一個問題是——如何用實(shí)驗手段去驗證“激光激發(fā)的聚焦誘導(dǎo)發(fā)光染料的熒光增強(qiáng)效應(yīng)”，并解釋其發(fā)生機(jī)理。其本質(zhì)，就是要求研究團(tuán)隊來證明，為什么用激光誘導(dǎo)就能實(shí)現(xiàn)“讓星星更亮”這一現(xiàn)象。

　　“我們之前一直在關(guān)注層數(shù)、存儲容量及其對應(yīng)的激光光束調(diào)控等問題。這其實(shí)是我們通過很多實(shí)驗觀察到的一種現(xiàn)象。但審稿人要求我們驗證這個現(xiàn)象存在的機(jī)理?！蔽撵o說。她與趙苗配合，花了2個月時間，用不同的手段和方法，來驗證這種現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理，“就像是做考卷一樣，答得不到位，就有可能導(dǎo)致文章發(fā)表不了”。

　　為了補(bǔ)充實(shí)驗數(shù)據(jù)，文靜好幾個月都是凌晨才回到家。那時，正值父母從老家過來看她，結(jié)果兩人很少見到女兒。為了不讓文靜有負(fù)擔(dān)且不打擾她的工作，他們提前離開了上海。

　　文靜跟家里人開玩笑說：“論文一審我要竭盡全力，這是我的第二次‘高考’，孩子就交給你們啦?！焙髞恚撐牡搅硕忞A段，她又跟家里人交代孩子的事情，家人開玩笑問她：“現(xiàn)在你是‘中考’了嗎？”

　　2016年，文靜就跟著顧敏院士進(jìn)入這個研究領(lǐng)域。她當(dāng)時就認(rèn)準(zhǔn)了“大容量光存儲”方向，“我很喜歡這個課題。它很難，要花很多精力，甚至還需要運(yùn)氣。有可能花了很多年的時間也寫不出一篇論文，但我始終很有信心，我知道，一旦做成了，就是大成果。我們希望在顧院士的帶領(lǐng)下，做成前沿研究熱點(diǎn)并成為朝陽產(chǎn)業(yè)”。

　　她告訴記者，自己特別感謝上海理工大學(xué)光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院的莊松林院士和張大偉院長，不讓青年科學(xué)家有科研經(jīng)費(fèi)績效指標(biāo)的壓力，“可以靜下心做研究，幫助我們快速上路”。

　　阮昊介紹，當(dāng)前固態(tài)硬盤發(fā)展接近極限，要做得更小，面臨很大挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體存儲成本很高、壽命較短、數(shù)據(jù)容易丟失；光存儲能有效解決這些問題，因而是未來大數(shù)據(jù)、人工智能發(fā)展的一塊基石。

　　研究團(tuán)隊透露，該技術(shù)目前已申請專利，下一步的目標(biāo)是走向產(chǎn)業(yè)界。但要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在寫入和讀取速度以及能源效率等多方面仍有待進(jìn)一步提升，在大規(guī)模生產(chǎn)方面也需要繼續(xù)摸索。

　　中青報·中青網(wǎng)記者 王燁捷 來源：中國青年報