超级光盘中国造！一张就能装下小型数据中心

克雷西 2024-02-23 17:26:50 来源：量子位

克雷西 发自 凹非寺

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一张光盘就能装下一个小型数据中心，光盘容量极限迎来重大突破！

这就是由中国科学家耗时七年打造的史上容量最大的“超级光盘”：

“超级光盘”由上海光机所与上海理工大学等机构合作打造，容量达到了普通蓝光光盘的数万倍。

不仅容量可观，而且安全可靠、存储时间长，非常适合长期、低成本地存储海量数据。

如果实现量产，用这种光盘来做存储阵列，有望在一个房间的空间内建立出Eb级的高密度数据中心。

相关研究已经在Nature发表：

对此，有网友辣评说，为了你的硬盘资源能完好地传给你的曾曾曾孙，科学家们真的很努力……

那么，这张“超级光盘”到底有多强呢？

在纳米尺度上雕刻数据

存储能力上，它的最大等效容量达到了1.6Pb，也就是1600多Tb或将近168万Gb。

而在电商平台上能搜到的硬盘，最大容量不过20TB（160Tb），只有“超级光盘”的10%。

这个容量，大概可以储存3000小时的高码率（160Mbps）8K电影。

对此，中国工程院外籍院士顾敏也用时下流行的ChatGPT做了解释：

以深度学习模型GPT为例，其整个互联网文本大小约为56PB。

如果用当前广泛使用的1TB容量的移动硬盘进行存储，平铺开来需要占据一个操场的面积。

而新的三维纳米光子存储（“超级光盘”采用的技术），可将存储空间节省至一台电脑大小。

即使把容量划分到单位面积上，它的数据密度达到了每平方英寸（6.45平方厘米）26Tb，比最好的硬盘还多出23倍。

“超级光盘”的厚度只有1.2毫米，却堆叠了100层薄膜介质，还拥有54nm点尺寸、70nm道间距的超高分辨率。

而普通光盘的点尺寸接近微米（1000纳米）量级，“超级光盘”可谓是在纳米尺度上雕刻数据。

寿命上，研究人员在130和120摄氏度下对记录点的荧光衰减进行了加速老化测试。

在两种温度下，荧光信息的衰减时间分别为12和26小时。

据此，研究人员根据Arrhenius模型推算，“超级光盘”中的数据能保存超过41年，如果加上保护层，寿命还能进一步延长。

而且，“超级光盘”不仅实现了存储设备容量的飞跃，在光学领域同样是一项重要突破。

19世纪，物理学家恩斯特·阿贝在提出了“衍射极限”的概念，即光学系统在没有其他像差或技术限制的情况下，能够分辨两个接近的点的最小距离。

按照阿贝的理论，衍射极限d=1.22λ/2NA，其中λ为波长，NA是系统的数值孔径，而“超级光盘”的信息点间距小于按照这一公式计算出的理论值。

那么，研究人员是如何制造出这个“超级光盘”的呢？

堆叠100层薄膜材料

“超级光盘”的核心，是一种名为AIE-DDPR的薄膜材料，通过在光敏树脂中掺杂聚集诱导发光染料得到。

这种材料具有高透明度和均匀性，且可以通过飞秒激光束进行光学刺激，实现纳米尺度的聚合和去活化。

AIE染料在聚集状态下表现出增强的荧光发射，这与许多传统荧光染料在聚集时荧光减弱的特性相反，使得薄膜在被激光束激发时能够产生强烈的荧光信号，例于数据的读取和检测。

此外，AIE-DDPR存储密度高、环境友好、耐用的优点，并与现有的光盘制造工艺兼容。

首先，将光敏树脂（DTPA，二季戊四醇五丙烯酸酯）与光引发剂（ITX，即2-异丙基硫杂蒽酮）和AIE染料（HPS，即六苯基噻咯）混合在有机溶剂中。

然后，将这个混合物在热板上搅拌以确保充分混合，然后在烘箱中加热以去除溶剂，然后将上述混合物旋涂到透明基底上。

涂布后的薄膜需要在紫外光下固化，以形成均匀且透明的薄膜。固化过程会去除溶剂，使树脂交联形成固态薄膜。

薄膜形成后，就可以进行数据写入了，这里研究人员使用的是双束激光系统。

首先，使用515纳米波长的飞秒激光束在薄膜上进行聚焦，通过两光子吸收引发聚合反应，形成记录点。

然后，使用639纳米波长的连续波（CW）激光束进行去活化，以抑制周围区域的聚合，从而实现超分辨率的记录点。

这也正是“超级光盘”能够突破衍射极限的关键所在。

最终，研究人员在垂直方向上堆叠100层AIE-DDPR薄膜，每层之间保持一定的间距，就在有限的空间内实现更高的存储密度。

One More Thing

在提高数据存储密度这件事上，人类的探索从未停止。

在“超级光盘”出现之前，容量最大的光盘是英国科学家2013年用玻璃制作的“5D光盘”。

交叉学科方面，也有生物学家尝试着将DNA作为信息的存储载体，并成功将信息“存”进了大肠杆菌。

而进入AI爆发的新时代，人工智能或许也将为寻找更高密度的存储介质提供新的思路。

论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06980-y