一张普通DVD只能存下约4.7 GB数据，单层蓝光光盘约为25 GB。如今，上海科研人员尝试让一张同样大小的光存储介质容纳约50 TB数据——相当于2000张单层蓝光光盘。
9月29日，上海理工大学智能科技学院顾敏、张启明教授团队的一项研究成果在线发表于《自然·光子学》。团队提出单光束多维光存储技术，使一个三维存储点能够区分1024种灰阶状态、承载10比特信息，并结合高速扫描写入和宽场并行读取。根据实验结果估算，DVD大小介质的理论容量约为400太比特，即50太字节。论文报告，在相应实验条件下，数据读出保真度超过99.99%。
光盘扩容，从“把点做小”开始
光盘上的数据，可以看成激光写下的一连串微小记号。读取时，激光根据这些记号的差别，还原出“0”和“1”。几十年来，从CD、DVD到蓝光光盘的扩容，就是用波长更短的激光和聚光能力更强的镜头，把记录点做得更小、轨道排得更密。
近年来，科研人员一方面探索突破光学衍射极限，进一步缩小记录点；另一方面将记录空间从平面拓展到材料内部，通过多层记录提高容量。2年前，顾敏院士团队曾通过两束激光协同，将记录点缩小到约54纳米，在材料中写入100层数据，理论容量达到1.6 Pb，约合200 TB。
但随着容量越来越大，新的难题随之出现——记录点越小、层数越多，对激光控制和设备精度的要求越高；如果只能逐点写、逐点读，再大的容量也可能面临数据存取耗时过长的问题。
让一个“格子”记得更多
如果把存储介质看成一张方格纸，传统二进制存储中，每个格子通常只有“0”和“1”两种状态，只能记录1比特信息。团队让一个三维记录点能够呈现1024种可区分状态，一个点便可以承载10比特信息。
“过去需要多个记录单元共同承载的信息，现在可以通过提高单个记录点的信息容量来完成。”张启明说。这意味着，提高光存储容量不必只靠把点做得越来越小，或不断增加存储层数，还可以设法让“一个点记住更多”，这为光盘扩容增加了一条新路径。
一幅8 bit灰度图像的每个像素有256种深浅变化，需要8比特信息来描述。如果每个二进制记录单元存储1比特信息，就需要8个这样的单元保存一个像素的灰度信息；新方案中，一个记录点的10比特容量已经超过了描述这个像素所需的信息量。
从“两束光配合”，变成“一束光完成”
此次研究成果的另一个亮点是，给复杂的读写系统做“减法”。
新方案在写入和读取时分别只需要单束光，减少了双光束精密配准和协同控制的需求。团队还结合高速扫描写入和宽场并行读取，在写入时让激光快速移动，在读取时则像相机拍照一样同时获取一片区域内多个记录点的信息。
顾敏表示，从实验室里的存储点走向整盘和设备，目前最主要的工程障碍仍是读写速度。“存储容量提高以后，还要能够在实际应用可以接受的时间内，把大量数据写进去、读出来。”围绕这一瓶颈，团队正在开展光学GPT（OGPT）相关研究，希望利用光学处理提高数据处理和读写效率，同时保持信息保真度和系统稳定性。
人工智能训练数据、科研资料、医学影像等信息，有些平时很少调用，却需要长期保存，被称为“冷数据”。光存储介质在保存数据时无需持续通电，是冷数据存储正在探索的技术方向之一。“面向未来海量数据存储，容量并不是唯一指标，真正走向应用还需要兼顾读写速度和系统复杂度。”顾敏表示，此次研究为高容量光存储迈向工程化和产业化提供了新的技术路径。新民晚报记者获悉，团队正推进产业化尝试，把材料、编码、读写系统和光学处理等研究进展落实到设备与应用中。
原标题：《单光束，多维！一个光点能记1024种状态，上海理工团队探索光存储新路径》
栏目编辑：郜阳
来源：作者：新民晚报 易蓉