11月29日，在2023中國(guó)數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)峰會(huì)上，張靜宇博士發(fā)表題為“玻璃大容量永久光存儲(chǔ)”的演講中。他預(yù)測(cè)，該技術(shù)有望成為下一代解決數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存儲(chǔ)的方案。

冷存儲(chǔ)技術(shù)的現(xiàn)狀與未來(lái)

張靜宇博士在報(bào)告中分析了現(xiàn)有主流冷存儲(chǔ)技術(shù)與下一代冷存儲(chǔ)技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比。他指出，數(shù)據(jù)中心的成本，通過(guò)計(jì)算簡(jiǎn)單的歸為四個(gè)方面：系統(tǒng)成本、電力、運(yùn)維、數(shù)據(jù)遷移，主要有單驅(qū)動(dòng)器、容量、穩(wěn)定性、綠色環(huán)保特性等參數(shù)，以及一些針對(duì)特殊用途的參數(shù)。

主流冷存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)比

在容量方面，市場(chǎng)2026年機(jī)械硬盤(pán)的存儲(chǔ)容量將達(dá)到50TB、密度容量3000Gb/in²，磁帶容量可達(dá)到36TB、密度容量200Gb/in²，藍(lán)光AD盤(pán)達(dá)到1TB每盤(pán)、500Gb/in²。

在壽命方面，機(jī)械硬盤(pán)在數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)壽命是5年甚至更短，磁帶理論壽命可以達(dá)到10年，AD光盤(pán)壽命可達(dá)100年。值得注意的是數(shù)據(jù)遷移成本比較高，約占數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成本的25%。

綠色環(huán)保方面，以十年為使用周期，機(jī)械硬盤(pán)的電力成本是磁帶的7倍，以20年為使用周期，磁帶系統(tǒng)的電力成本是光盤(pán)的5倍，而以75年為例，藍(lán)光光盤(pán)、磁帶、機(jī)械硬盤(pán)三者的電力成本之比是1:5:35。

在技術(shù)積累方面，機(jī)械硬盤(pán)，自2007年Iomega收購(gòu)易拓后，國(guó)內(nèi)已無(wú)硬盤(pán)技術(shù)和生產(chǎn)，全部依賴(lài)進(jìn)口，磁帶也是全部通過(guò)進(jìn)口來(lái)解決，但光盤(pán)因?yàn)橛幸兹A錄和松下合作，掌握了部分技術(shù)，國(guó)內(nèi)發(fā)展光盤(pán)、光驅(qū)技術(shù)具備一定的積累，市場(chǎng)上也有多家光盤(pán)庫(kù)廠(chǎng)家。

綜合容量、壽命、技術(shù)積累、綠色環(huán)保等因素來(lái)看，機(jī)械盤(pán)容量最大，使用成本偏高，光盤(pán)壽命最長(zhǎng)、成本最低，但是容量最小。磁帶各方面處在居中的狀態(tài)。對(duì)比之下可以發(fā)現(xiàn)，光盤(pán)有很大的空間，如果容量提升得到突破，可能會(huì)成為未來(lái)冷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)中最好的解決方案。

主流冷存儲(chǔ)技術(shù)的瓶頸主要體現(xiàn)在容量和壽命方面。容量方面，受限于磁場(chǎng)大小和矯頑力，磁存儲(chǔ)已趨于極限，受限于光學(xué)衍射極限，光存儲(chǔ)已趨于極限；壽命方面，受限于傳統(tǒng)介質(zhì)的物化屬性，機(jī)械硬盤(pán)和磁帶的使用壽命難以突破10年。

下一代冷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

玻璃三維。為了提升容量，日立曾進(jìn)行了激光打點(diǎn)（類(lèi)似激光微雕）的石英三維光存儲(chǔ)的開(kāi)發(fā)，但由于結(jié)構(gòu)尺寸較大，以及結(jié)構(gòu)光散射大，導(dǎo)致底層無(wú)法讀取，層數(shù)受限，最終均導(dǎo)致容量受限，而寫(xiě)入閾值高，導(dǎo)致系統(tǒng)成本偏高。

不過(guò)，因?yàn)椴ＡЫ橘|(zhì)成本比較低，寫(xiě)入速度也符合工業(yè)要求。

超分辨光存儲(chǔ)。這是一項(xiàng)可以追溯到諾貝爾獎(jiǎng)得主Stefan Hell教授所做的技術(shù)。該技術(shù)通常需要多次的激光照射，用實(shí)心光去做寫(xiě)，空心光斑去做“擦除”，光波長(zhǎng)還不一樣，此外，還需要復(fù)雜的光刻膠和蛋白質(zhì)體系，而且讀寫(xiě)都需要超分辨，所以，不僅速度非常慢，而且介質(zhì)成本、寫(xiě)和讀系統(tǒng)的成本都很高。

DNA存儲(chǔ)。作為分子量級(jí)的存儲(chǔ)，它需要DNA合成技術(shù)寫(xiě)入，寫(xiě)入速度慢，導(dǎo)致寫(xiě)入系統(tǒng)成本高，讀取需要DNA測(cè)序，因此，讀取系統(tǒng)成本高。此外，它的壽命比較長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)也有一定的技術(shù)積累。

玻璃多維存儲(chǔ)技術(shù)。該技術(shù)最早源自于2003年的一篇文章?；诩{米光柵的多維度光存儲(chǔ)，結(jié)構(gòu)尺寸小，透過(guò)率高，層數(shù)與容量不受限，因此容量高，寫(xiě)入閾值低，壽命長(zhǎng)、系統(tǒng)整體成本低、非常穩(wěn)定。

來(lái)自于微軟的信息顯示，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是非常適合數(shù)據(jù)備份、使用壽命非常長(zhǎng)，不存在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的“腐爛”現(xiàn)象，無(wú)需冗余和備份——通常數(shù)據(jù)每分每秒都在損壞，因?yàn)榻橘|(zhì)的使用頻次、負(fù)荷、保存環(huán)境的不同，在考慮“數(shù)據(jù)腐爛”問(wèn)題時(shí)必須考慮最糟糕的情況來(lái)做冗余，這樣導(dǎo)致大量容量浪費(fèi)。玻璃存儲(chǔ)因?yàn)闆](méi)有“數(shù)據(jù)腐爛”，因此用戶(hù)實(shí)得容量高。

微軟利用這樣技術(shù)展示了在玻璃上存儲(chǔ)電影“超人”電影。但是，該技術(shù)仍存在寫(xiě)入速度較緩慢的難題，微軟迄今尚無(wú)理想的解決對(duì)策。

玻璃多維存儲(chǔ)技術(shù)展望

1999年，英國(guó)南安普頓大學(xué)首次觀(guān)察到了納米光柵的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，2003年，首次完成了納米光柵的表征，2011年，張靜宇博士在英國(guó)南安普頓大學(xué)開(kāi)始玻璃大容量永久存儲(chǔ)技術(shù)的研發(fā)，三年后，首次實(shí)現(xiàn)了真實(shí)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)及壽命測(cè)算。2018年，微軟CEO對(duì)外宣布介入研發(fā)，2023年，微軟內(nèi)部上線(xiàn)測(cè)試。借助張靜宇和南安普頓大學(xué)的技術(shù)方案搶先完成產(chǎn)品化。

在國(guó)內(nèi)，2000年，信息存儲(chǔ)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成立，實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)，2006年研制完成全國(guó)產(chǎn)制式的光存儲(chǔ)碟機(jī)NVD，2014年我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)真實(shí)的讀寫(xiě)和壽命測(cè)算。2016年，該技術(shù)被中國(guó)兩院院士評(píng)世界十大科技進(jìn)展之一，2017年，張靜宇博士回國(guó)后突破了多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，2022年，搭建完成了轉(zhuǎn)動(dòng)樣機(jī)。

國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)如何與微軟這樣資金去抗衡？張靜宇博士回國(guó)后突破的多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)有哪些？

據(jù)了解，其一是突破了多個(gè)參數(shù)維度。通過(guò)在玻璃體里三維任意的點(diǎn)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單位，通過(guò)結(jié)構(gòu)方向和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，推出了玻璃五維永久光存儲(chǔ)技術(shù)，單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可存儲(chǔ)多個(gè)bits的信息。玻璃五維永久光存儲(chǔ)技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：透過(guò)率高達(dá)99%，最多可達(dá)400層甚至1000層，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)存入多個(gè)bits，存儲(chǔ)容量最高可達(dá)360TB，

其二是解決寫(xiě)入速度慢的難題。華中科技大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)，借鑒基礎(chǔ)研究成果重點(diǎn)解決寫(xiě)入速度的問(wèn)題，采取有別于微軟、南安普頓的技術(shù)路線(xiàn)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)快速寫(xiě)入技術(shù)等原理創(chuàng)新，將寫(xiě)入時(shí)間下降到ps量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)讀寫(xiě)。

實(shí)際寫(xiě)入實(shí)驗(yàn)展示，在玻璃介質(zhì)上劃分成不同的扇區(qū)，每層每個(gè)存儲(chǔ)扇區(qū)約有100KB，上下共有400層，原始誤碼率低于1%的占98%，已經(jīng)滿(mǎn)足了工業(yè)化要求。

目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)寫(xiě)入點(diǎn)間距400納米，驗(yàn)證了4TB的存儲(chǔ)容量，讓存儲(chǔ)技術(shù)達(dá)到非常好的雷達(dá)圖顯示，比微軟更為先進(jìn)。

張靜宇博士表示，下一步，研發(fā)團(tuán)隊(duì)希望通過(guò)降低激光器的參數(shù)需求從而降低成本，同時(shí)也持續(xù)攻克超高精度的伺服和信號(hào)處理以及雙光頭力矩器的小型化，以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

他預(yù)期，到2025年，玻璃容量將提升到10TB，寫(xiě)入速度單介質(zhì)提升數(shù)十MB/s，脈沖能量消耗降低至現(xiàn)有能量的10%，使用壽命近乎無(wú)窮，并且耐高溫和耐高壓。

可以預(yù)見(jiàn)，這項(xiàng)技術(shù)的突破和商業(yè)化，將給市場(chǎng)帶來(lái)巨大的沖擊。期待張靜宇博士和華中科技大學(xué)更多的創(chuàng)新成果。

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