文/姚倩、戴曄，上海大學(xué)物理系超快光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室

您的存儲空間告急…

人類文明發(fā)展至今離不開信息的記錄。從繪畫、雕刻、印刷到如今的數(shù)字化信息存儲，存儲容量呈指數(shù)增長。根據(jù)軟件公司Domo的報(bào)告，2018 年，人們每分鐘在Google進(jìn)行383萬次搜索，在YouTube觀看433萬段視頻，發(fā)送159362760封電子郵件、473000條Twitter和49000張Instagram上的照片。國際數(shù)據(jù)公司（IDC）稱，到2025年，全球?qū)a(chǎn)生175ZB（1ZB=1012GB）的數(shù)據(jù)總量[1]。數(shù)據(jù)的爆炸式增長仿佛在警告人們：您的存儲空間即將不足…

圖1 全球數(shù)據(jù)總量呈指數(shù)增長[2]

“云”存儲數(shù)據(jù)中心

當(dāng)“云”存儲進(jìn)入到人們的生活，大部分?jǐn)?shù)據(jù)似乎都有了落腳之地。許多人認(rèn)為“云”存儲是一種存儲所有數(shù)據(jù)的方法，從數(shù)千張照片到數(shù)百萬封電子郵件，都不會占用手機(jī)或計(jì)算機(jī)上的任何空間，但這些信息其實(shí)都被存儲在數(shù)據(jù)中心的硬件里從而可讓客戶們從多個(gè)設(shè)備訪問。

簡單來講數(shù)據(jù)中心就是一個(gè)有龐大數(shù)量的服務(wù)器（計(jì)算機(jī)）放在一起運(yùn)行應(yīng)用來處理商業(yè)和組織運(yùn)作數(shù)據(jù)的地方。要保證數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行，需要不間斷的供電，同時(shí)在服務(wù)器運(yùn)行的時(shí)候會散發(fā)出大量的熱量，這時(shí)就需要進(jìn)行散熱，散熱所帶來的能源消耗是巨大的，同樣電費(fèi)開銷也不可估量。

2013年，F(xiàn)acebook公司建立了歐洲的最大數(shù)據(jù)中心——瑞典呂勒奧數(shù)據(jù)中心距離北極圈僅有70公里，該數(shù)據(jù)中心利用巨大的風(fēng)扇將外部冷空氣吸入用于散熱。

2017年，阿里巴巴將其數(shù)據(jù)中心建立在年平均氣溫17℃之低的千島湖地區(qū)，因地制宜采用湖水制冷。

2018年，騰訊公司將其數(shù)據(jù)中心建立在安全隱蔽、溫度適宜的貴州省貴安新區(qū)的山洞內(nèi)，總占地面積約為七百多畝，隧洞面積超過30000 ㎡，將用于存儲騰訊最核心的大數(shù)據(jù)，華為、蘋果公司也紛紛把大數(shù)據(jù)中心建立在貴州；微軟公司也在2018年將其數(shù)據(jù)中心沉入奧克尼群島海底，建立了全球首個(gè)海底數(shù)據(jù)中心。

各大公司為了降低能耗如此大費(fèi)周章，如若發(fā)現(xiàn)一種不耗能且能實(shí)現(xiàn)永久存儲的高密度存儲介質(zhì)，那么這些問題就迎刃而解了。

圖2 千島湖數(shù)據(jù)中心（左）[3]與微軟海底數(shù)據(jù)中心（右）[4]

納米光柵——大數(shù)據(jù)時(shí)代的光存儲方案

大數(shù)據(jù)其實(shí)具有“溫度”，也有冷熱之分：熱數(shù)據(jù)是指需要被計(jì)算節(jié)點(diǎn)頻繁訪問的在線類數(shù)據(jù)；冷數(shù)據(jù)是對于離線類不經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)。熱數(shù)據(jù)就近計(jì)算，冷數(shù)據(jù)集中存儲，因此有必要考慮按照不同數(shù)據(jù)的屬性進(jìn)行分類存儲。

冷數(shù)據(jù)的存儲目前依賴于硬盤驅(qū)動器、磁帶、光盤存儲、全息存儲等技術(shù)。如何研制出一種容量大、壽命長、成本低且節(jié)能環(huán)保的存儲技術(shù)是解決冷數(shù)據(jù)存儲問題的關(guān)鍵。

自2003年京都大學(xué)的Shimotsuma等人[5]使用背散射電子顯微鏡在石英玻璃中首次觀測到納米光柵結(jié)構(gòu)以來，關(guān)于它的研究再沒有中斷。納米光柵是一種光誘導(dǎo)的永久性偏振依賴結(jié)構(gòu)，光柵結(jié)構(gòu)的取向垂直于激光偏振方向，具有雙折射特性，并且這種結(jié)構(gòu)能夠用光進(jìn)行擦除和重寫。此外納米光柵的基體是堅(jiān)硬的石英玻璃（SiO2），其耐熱性好、成本低，可以承受煮沸、烘烤、微波、消磁和其它具有物體破壞性的環(huán)境威脅，因而納米光柵成為了未來超高密度光存儲結(jié)構(gòu)的重要候選者。

數(shù)據(jù)的寫入與讀取

當(dāng)用飛秒激光聚焦在熔融石英玻璃內(nèi)部，一個(gè)永久改性的三維納米結(jié)構(gòu)——體素（voxel）就會在內(nèi)部產(chǎn)生?！绑w素”即構(gòu)成三維圖像的像素，每一個(gè)都有各自獨(dú)特的方向、深度和大小，是唯一的編碼器。如圖3所示[6]，從頂部看(a)結(jié)構(gòu)呈橢圓形，直徑可小于激光波長，圖中光柵結(jié)構(gòu)的單個(gè)“條紋”寬約20 nm，深度約為幾微米。(b)是用1030 nm激光寫入的四種體素的三維結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)重建圖，利用共聚焦成像技術(shù)，每隔0.2 μm對石英玻璃的X、Y、Z三個(gè)維度進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣收集。(c)為8層體素的側(cè)視圖，通過將激光聚焦在XY平面上的不同位置，可以并排寫入體素以形成二維層，激光同樣可聚焦到石英玻璃內(nèi)部不同深度寫入多層納米結(jié)構(gòu)，一塊2 mm厚的石英玻璃可以包含100多個(gè)數(shù)據(jù)層。因?yàn)槭⒉ＡУ耐腹饴蔬h(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)光盤的不透明薄膜，在寫入和讀取時(shí)能讓激光入射到更深的材料內(nèi)部。

圖3 納米光柵結(jié)構(gòu)[6]

每個(gè)體素的形成區(qū)域相比于其它未輻照區(qū)域都展示了雙折射特性，因此當(dāng)偏振光穿過體素時(shí)，O光和E光會產(chǎn)生一定的光程差形成“延遲”（Retardance）。因此，可利用延遲量和偏振角這兩個(gè)變量來對每個(gè)體素進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，加上三維的空間自由度可實(shí)現(xiàn)五維光存儲。當(dāng)激光寫入數(shù)據(jù)時(shí)，通過調(diào)制激光束的偏振、能量和脈沖數(shù)影響體素的這兩個(gè)性質(zhì)，將特定數(shù)值編碼到每個(gè)體素中，當(dāng)然在讀取存儲數(shù)據(jù)時(shí)也相當(dāng)于測量體素的延遲和偏振角。

除了三維空間與延遲、偏振角這五個(gè)自由度以外，脈沖前沿傾斜（Pulse Front Tilt,PFT）也有望成為光學(xué)數(shù)據(jù)存儲技術(shù)中的一個(gè)新自由度。我們通過對超快激光脈沖的時(shí)空耦合特性進(jìn)行調(diào)控，沿著空間啁啾的方向在石英玻璃內(nèi)部進(jìn)行掃描時(shí)，在激光焦點(diǎn)附近會產(chǎn)生彎曲的納米光柵結(jié)構(gòu)，若在光路中加入一個(gè)道威棱鏡改變空間啁啾的方向，則納米光柵彎曲的方向會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供了一個(gè)調(diào)控體素延遲量的新方法[7]。

納米光柵的擦除與重寫

納米光柵的擦除和重寫特性不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的反復(fù)寫入，還能將寫入的錯(cuò)誤擦除并糾正。近期，我們課題組[8]通過不同偏振組合的飛秒激光雙脈沖序列（圓偏振光CP和線偏振光LP）輻照石英玻璃，對這類納米光柵擦除和重寫的物理機(jī)制展開了研究，分析了雙脈沖的延遲時(shí)間（Δτ）、能量比（R=E2nd/E1st）和激光偏振態(tài)對擦除與重寫過程的影響。如圖4所示，隨著雙脈沖延遲時(shí)間的增加，第二束激光將逐漸擦除第一束脈沖所誘導(dǎo)的納米光柵，而且雙脈沖序列的能量比越大，擦除效果越明顯，并且會重新沿著垂直于第二脈沖的方向形成新的納米光柵結(jié)構(gòu)。

但是總體來看，雙脈沖序列的高能量比對擦除重寫的影響比脈沖間延遲時(shí)間的影響更大，無論脈沖間延遲時(shí)間如何變化，只要后續(xù)脈沖能量高于前一脈沖能量，就能實(shí)現(xiàn)對納米光柵更有效的擦除和重寫。

圖4 不同能量比的雙脈沖序列對納米光柵的擦除與重寫[8]

無限壽命的存儲介質(zhì)

2011年，日本京都大學(xué)的Shimotsuma教授等[9]利用石英玻璃記錄了一副世界地圖。圖5是他們分別利用光學(xué)顯微鏡(a)和偏振顯微鏡(b-偏振角，c-延遲量)拍攝的微型“世界地圖”，該地圖的實(shí)際尺寸只有3.4 mm×1.8 mm。他們利用1/2波片來控制偏振方向，通過空間光調(diào)制器（SLM）來調(diào)控光程延遲量，并通過正交偏光顯微鏡讀出數(shù)據(jù)?；谝陨霞夹g(shù)，他們僅僅用了20 min就在石英玻璃內(nèi)部制作了這么一副世界地圖。

2012年，英國南安普頓大學(xué)光電研究中心的Beresna博士等人[10]也做了類似的研究，他們在石英玻璃內(nèi)部利用納米光柵的雙折射特性記錄了麥克斯韋和牛頓的人像，大小僅為1.5×2 mm。激光寫入時(shí)通過改變激光偏振及調(diào)控光程延遲量來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄，使用一套基于光學(xué)顯微鏡和液晶偏振補(bǔ)償器組合而成的雙折射信號測量系統(tǒng)來讀出數(shù)據(jù)。

圖5 石英玻璃中存儲的地圖[9]與人像[10]

在科幻小說《三體》中的未來世界里，即便一粒米大小的量子儲存器就可以放下一座大型圖書館的數(shù)據(jù)，但最多也只能保存2000年，最后人們發(fā)現(xiàn)把信息存儲1億年的唯一可行方法——「把字刻在石頭上」。在石英玻璃中存儲數(shù)據(jù)類似于在石頭上刻字，石頭能永恒，Why not Silica？

2014年，英國南安普頓大學(xué)光電研究中心的張靜宇博士等人[11]證實(shí)了在室溫下（303K）利用石英玻璃進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲具有幾乎無限的壽命（3.0×1020±1年），并將數(shù)據(jù)記錄速率提高了兩個(gè)數(shù)量級。石英玻璃內(nèi)部的納米光柵結(jié)構(gòu)可以承受1000 ℃以上的高溫，號稱在常溫下壽命接近無限，即便在190°C（462K）下也可使用138億年，要知道地球約46億年前才誕生。他們調(diào)控4個(gè)偏振方向和2個(gè)光程延遲量后在同一深度打多組點(diǎn)，每組1-100個(gè)不等，這些點(diǎn)被編碼成3bit/個(gè)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。圖中彩色點(diǎn)顯示不同強(qiáng)度水平誘導(dǎo)的納米光柵結(jié)構(gòu)。隨后對相距20 μm的三個(gè)雙折射層進(jìn)行信息解碼，結(jié)果在三層記錄的11664位信息中僅有42位錯(cuò)誤，可通過額外的校正程序消除。

圖6 五維光存儲的數(shù)據(jù)讀取與無限壽命的石英玻璃光存儲[11]

Project Silica

在信息丟失之前將數(shù)據(jù)安全轉(zhuǎn)移到新的存儲介質(zhì)上會增加長期的存儲成本，因?yàn)橛脖P可能會在三到五年后磨損，隨著科技發(fā)展原本的文件格式將會過期，隨之而來的升級成本也很高。成本低、熱穩(wěn)定性高的石英玻璃很可能成為光存儲的最佳選擇。

2019年，微軟公司與華納兄弟娛樂公司合作，利用超快激光光學(xué)系統(tǒng)和人工智能技術(shù)將1978年的超人電影存儲在一塊大小為7.5 cm×7.5 cm×2.0 mm的石英玻璃內(nèi)部并讀取出來[12]。激光通過在多個(gè)深度和角度創(chuàng)建3D納米光柵層在石英玻璃中編碼數(shù)據(jù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法解碼特定的圖像和圖案來讀取數(shù)據(jù)，這些圖像和圖案是在偏振光透過玻璃時(shí)產(chǎn)生的，數(shù)據(jù)只需寫入一次就可永久存儲。這種玻璃光盤又被稱為五維光盤，由納米結(jié)構(gòu)的三維空間與光程延遲、偏振角復(fù)用構(gòu)成，一張藍(lán)光光盤可以存儲 128GB 的數(shù)據(jù)，而同等尺寸的玻璃光盤的存儲容量是藍(lán)光光盤的3000倍。

存儲在石英玻璃中的數(shù)據(jù)將不再是需要定期訪問的信息——冷數(shù)據(jù)。值得注意的是，Project Silica是英國南安普頓大學(xué)與微軟公司的合作項(xiàng)目，南安普敦光電研究中心Peter Kazansky教授說：“我們正在開發(fā)主要用于對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔和冷存儲的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，例如大數(shù)據(jù)中心和云存儲。我們的目標(biāo)之一是替換目前用于此類應(yīng)用的磁存儲技術(shù)。我們的技術(shù)的優(yōu)勢在于其極高的耐用性，因?yàn)槲覀兪褂檬⒉Ａё鳛榇鎯橘|(zhì)，它可以在火災(zāi)或太陽耀斑等自然災(zāi)難中幸存下來；另一個(gè)優(yōu)勢是我們?yōu)閿?shù)據(jù)存儲提供了更多的自由度，這有助于增加存儲容量?！?/p>

為了展示五維玻璃光存儲的威力，英國南安普敦大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將《圣經(jīng)》、牛頓的《光學(xué)》以及美國《世界獨(dú)立宣言》存儲在玻璃介質(zhì)中。坐上火箭的特斯拉汽車也將記錄有《圣經(jīng)》的玻璃光盤帶上了火星。

圖7 存儲《超人》電影[13]與圣經(jīng)的石英玻璃[12]

結(jié) 語

與當(dāng)前廣泛使用的磁存儲相比，基于納米光柵的五維玻璃光存儲優(yōu)勢突出，前景廣闊，但離該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用還有很長的路要走。為此，加快數(shù)據(jù)編碼速度、增加數(shù)據(jù)密度以及簡化寫入、讀取操作是研究人員們亟待解決的問題。保存海量數(shù)據(jù)是人類現(xiàn)階段渴望實(shí)現(xiàn)的想法，若是到了世界末日的那一天，將人類文明存儲在石英玻璃中散布到世界各地乃至全宇宙，一塊微不足道的石英玻璃將能代表人類文明的光輝歷史，它仿佛在述說：“我們?nèi)祟愒?jīng)來過，并創(chuàng)造了些許美好！”

作者簡介

姚倩，上海大學(xué)物理系碩士研究生。

戴曄，上海大學(xué)物理系教授，博士生導(dǎo)師。