全球首个Pb级超大容量光盘存储器！它能否取代USB？

【导语】中科院在超大容量超分辨三维光存储领域取得重大突破，该成果被两院院士评选为2024年中国十大科技进展新闻。文静研究员接受了采访，详细解析了光存储的工作原理、纳米光存储的优势与挑战，以及光存储与硬盘存储的未来展望。这一突破性技术有望为数据存储领域带来革命性变革。

中科院在超大容量超分辨三维光存储研究中取得突破性进展，被两院院士评选为2024年中国十大科技进展新闻。采访到了文静研究员，以下为采访实录：

1.光存储是如何实现的？

光盘呢，如果我们用显微镜去观察光盘的表面，你会发现有很多坑。

然后光盘写入的过程，是用激光和盘面的材料相互作用，然后烧灼出这些坑，然后这是一个写入的过程。

那么光盘的容量是由这些坑的大小来决定，坑越小的话它的容量就越大越高。

普通的光存储比如说DVD蓝光的话，它写入的时候是通过一束激光，和我们盘面的材料相互作用，然后去打坑，就是光照过来就是一个坑，然后相当于信息点写入了。

最后读出来的时候，也是用激光照射到这个盘面上，然后根据照射到这个坑反射过来的光的强度，来判断到底是有信息进去还是没有信息进去，就是根据这个原理再读出来。

这是一个普通光盘的写入和读出的原理。

2.那么纳米光存储相较普通的光存储，有何不同之处？

纳米光子存储的话，主要体现在我们信息点的大小。

我们这个盘面上如果信息点的大小越小的话，相当于整个盘面它就能容得下更多的点，这样就代表了我们存储的容量。所以我们纳米光子存储单点的，就是每一个信息点的写入尺寸可以到54纳米，这个是突破了我们一个物理学上的，光学的衍射极限的限制。所以大容量是指，就是说我们把这个点的大小缩得越小的话，那么整个盘面它的容量就越大。

我们跟普通的光盘还不太一样，普通的光盘是有一些坑，然后它是实现不了多层的，顶多它目前的商用的蓝光，新一代的蓝光，它最多能实现单面的3到5层，这是最新的一个公司里面的技术。

我们这个光盘它是(shì)一(yī)种(zhǒng)透(tòu)明(míng)的(de)材(cái)质(zhì)，意(yì)味(wèi)着(zhe)光(guāng)可(kě)以(yǐ)渗(shèn)透(tòu)到(dào)盘(pán)面(miàn)的(de)材(cái)料(liào)里(lǐ)面(miàn)很(hěn)深(shēn)的(de)地(de)方(fāng)，所(suǒ)以(yǐ)我(wǒ)们(men)可(kě)以(yǐ)做(zuò)到(dào)多(duō)层(céng)，就(jiù)是(shì)多(duō)到(dào)我(wǒ)们(men)实(shí)际(jì)上(shàng)验(yàn)证(zhèng)的(de)是(shì)100层(céng)。

3.进(jìn)行(xíng)多(duō)层(céng)读(dú)写(xiě)的(de)话(huà)，不(bù)会(huì)产(chǎn)生(shēng)混(hùn)淆(xiáo)吗(ma)？

不(bù)会(huì)，我(wǒ)们(men)会(huì)有(yǒu)一(yī)些(xiē)光(guāng)机(jī)电(diàn)的(de)控(kòng)制(zhì)，就(jiù)是(shì)说(shuō)光(guāng)和(hé)材(cái)料(liào)它(tā)是(shì)有(yǒu)位(wèi)移(yí)的(de)，就(jiù)是(shì)用(yòng)光(guāng)机(jī)电(diàn)系(xì)统(tǒng)去(qù)控(kòng)制(zhì)它(tā)，所(suǒ)以(yǐ)可(kě)以(yǐ)做(zuò)到(dào)多(duō)层(céng)。

包(bāo)括(kuò)普(pǔ)通(tōng)的(de)光(guāng)盘(pán)里(lǐ)面(miàn)DVD蓝(lán)光(guāng)，它(tā)里(lǐ)面(miàn)是(shì)有(yǒu)伺(cì)服系统，也就是说它有光机电系统去控制，激光头和材料之间的间距，距离来控制它到底，这个信息点写在了盘面的，到底是哪个地方，是这样的。

所以它不会层跟层之间有一个分不清的地方。

另外就是我们论文里也验证了不同的层，然后我们会，相当于我刚才提到的这个盘它是透明的，然后我们跟普通的蓝光DVD不一样的地方，是蓝光DVD它基本上是根据反射的信号，我们因为是透明的，所以我们相当于里面是用到一种荧光材料，也就是一种颜色的光先入到这个材料上面，然后我们这个材料再发出另外一种颜色的光，用这样的原理可以实现三维的光存储。

4.纳米光存储在读写的时候，是一层层的写，读的时候也是一层层的读吗？

您说的很对，写就是一层一层地写进去，然后如何实现一层一层地写，然后里面是有很精密的，需要用到很精密的光机电系统，然后去控制我们里面的激光和材料它的相对位置，因(yīn)为(wèi)光(guāng)它(tā)会(huì)被聚焦到一个很小的点，然后我们里面还用到了双光束，相当于两束光，然后都被聚焦到一个，它会先聚焦，然后这个点，然后看这个点，我们最后会用光机电系统去控制，聚焦的(de)点(diǎn)和(hé)材(cái)料(liào)之(zhī)间(jiān)的(de)一(yī)个(gè)空(kōng)间(jiān)位(wèi)置(zhì)，来(lái)实(shí)现(xiàn)不(bù)同(tóng)层(céng)的(de)写(xiě)入(rù)，是(shì)这(zhè)样(yàng)的(de)。

5.目(mù)前(qián)纳(nà)米(mǐ)光(guāng)存(cún)储(chǔ)的(de)光(guāng)盘(pán)，各(gè)种(zhǒng)性(xìng)能(néng)发(fā)展(zhǎn)的(de)如(rú)何(hé)？

目(mù)前(qián)的话就是我们实验上验证的，就是单点54纳米，然后我们两点之间的间距，70纳米的一个实验结果。

另外里面我们实现100层的写入和读出，所以这样算下来就单张光盘的等效容量，为1.6PB的一个容量。

那么什么是PB呢？它是约等于10的15次方个比特。

那么这是一个什么概念，相当于是简单一点来说的话，比如说我们可以用这样一张光盘，可以把中国国家图书馆里面4000多万册的图书，全部都存在一张光盘里面，而用老的光盘技术它是实现不了的。

我们的1.6PB容量是根据我们光盘的面积来算，这个面积就是跟普通的DVD的面积一样的情况下，我们的容量是1.6PB，这个容量相当于8000张普通蓝光光盘容量，也相当于100个普通的硬盘的容量。

6.纳米光存储的发展，目前还面临着哪些困难和难题？

现在的限制是我们前期的成果，已经解决了容量密度就是存储密度的问题，也就是解决了容量的问题，但是相当于是我们要把这么多容量的数据，把它存到光盘上面，它还有一个时间，存在一个时间的问题，就是我需要花多长时间，把这么大容量的数据存进去，然后再花多长的时间再把它读出来，所以这就是一个读取，写入速度和读取速度。

后期我(wǒ)们(men)会(huì)就写入速度和读取速度的问题，做进一步的研究，然后去突破一个这样的难题，才可以让我们的纳米光子存储技术，然后发挥到它更大的潜力。

7.为什么早期的光盘，现在基本没什么人使用了？

我说一下大众的心理，可能很多人就在想，我很方便的在淘宝买一个1TB的硬盘对吧，我为什么还要去用光盘，确实，对我来说我也觉得不需要光盘，因为现在的光盘一张大概是30到50GB，那么相当于是我买一个1TB硬盘的话，相当于30张光盘的容量，所以想起来，如果我再用光盘去存，然后很麻烦，我还要一张一张光盘给放到光驱里面，然后里面30张光盘的容量才能相当于1TB的硬盘，所以这样用起来很麻烦，是这样。

所以换我也不可能再去用光盘了，就不乐意去用。

那么现在不一样了，我们这个技术是突破了容量，相当于是我们反超了硬盘容量的问题，我们后期如果是可以落地(de)的(de)话(huà)相(xiāng)当(dāng)于(yú)是(shì)，我(wǒ)们(men)用(yòng)一(yī)张(zhāng)光(guāng)盘(pán)就(jiù)相(xiāng)当(dāng)于(yú)是(shì)用(yòng)了(le)100个(gè)硬(yìng)盘(pán)了(le)，这(zhè)就(jiù)不(bù)一(yī)样(yàng)了(le)，特(tè)别(bié)是(shì)对(duì)数(shù)据(jù)中(zhōng)心(xīn)来(lái)说，这个意义就更不一样了。

8.光存储还有哪些其他优点值得我们去大力发展？

光盘，当然它有它独特的优点，相当于(yú)磁(cí)盘硬盘闪存来说它的能耗要低很多，然后另外它的寿命要长，可以用到几十年到一百年的时间，一般的电存储的话，它的寿命可能达不到这么久的时间，一般是像在数据中心的话，一般是5年就需要把数据再重新，腾到另外的电存储的器件上了，5年会做一次(cì)备(bèi)份(fèn)，所(suǒ)以(yǐ)这(zhè)样(yàng)算(suàn)下(xià)来(lái)的(de)话(huà)，这(zhè)是(shì)一(yī)个(gè)资(zī)源(yuán)的(de)巨(jù)大(dà)的(de)浪(làng)费(fèi)，还(hái)有(yǒu)一(yī)个(gè)能(néng)耗(hào)的(de)巨(jù)大(dà)浪(làng)费(fèi)，我(wǒ)们(men)独(dú)特(tè)的(de)优(yōu)点(diǎn)就(jiù)是(shì)它(tā)的(de)能耗低，然后寿命长，比较适合于冷数据的存储，如果后期的话把读取速度的问题突破，如果能做到优于硬盘的话，我们相当于不仅可以用于冷数据存储，也可以用于热数据存储。

热数据的话相当于是大众用的比较多，比如说硬盘，然后相当于是我接到电脑里面，我去备份一下我的照片，比如说我一年里面我可能频繁的调用照片，或者每隔几天我会看一次，那么这个是热数据，按照我访问这个数据的频率，来界定它到底是热数据还是冷存数据，比如说像档案馆里面或者是我做一些备份，然后我先放进去，然后可能几个月去看一次，这个叫冷数据存储，而现在实际上冷数据存储，这一块的需求量还是挺大的，因为实际上随着这个数据量越来越多，其实我们也知道很多数据，我们看过一(yī)次(cì)之(zhī)后(hòu)可(kě)能(néng)就(jiù)不(bù)再(zài)看(kàn)了(le)，是(shì)这(zhè)样(yàng)。

**9.**光(guāng)存(cún)储(chǔ)和(hé)硬(yìng)盘(pán)存(cún)储(chǔ)，在(zài)未(wèi)来(lái)它(tā)们(men)有(yǒu)没(méi)有(yǒu)可(kě)能(néng)被(bèi)对(duì)方(fāng)完(wán)全替(tì)代(dài)？

我觉得还是各有优缺点，一个是电存储，它有它的优势是，它跟电脑计算机，因为它是用电的方式去做计算，所以电存储它可以跟电脑结合的更密切一点。

我们光存储是以光的方式进行信息存储，它需要先把电转化为光，然后光再和材料相互作用，它里面有一个光电的转换，所以这里面多了这一步，但是我们光存储也有光存储独特的优点，就是刚才提到的，它的能耗低，它的寿命长，它的成本低，它的成本也会低很多，因为一张光盘大家知道其实还是挺便宜的，对吧。

我们现在研发的这种材料，它也挺便宜的，也有成本低的一个优点，如果是留存大容量的历史数据的话，肯定还是光存储它的各方面性能比较好，就是能耗低，然后耗电量低代表它的成本也低，然后它本身造价也低，本身造价的成本也低，然后另外它的存储的寿命长，意味着不需要频繁的进行数据的转换，因为电存储它去转换又涉及到成本了，这里面有几个成本的概念。

几百倍，我们之前是有表，几百倍一千倍说不好说，这个多少倍也根据数据存储数据量来说，数据量越大，我们的成本就节省得更多，所以得看情况。

本文为·创作培育计划扶持作品

受访人：文静

审核：姬扬 浙江大学物理学院 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司