隨著人工智能時(shí)代的到來(lái)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成為一個(gè)重要且關(guān)鍵的研究領(lǐng)域。我國(guó)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)到底如何提升，成為產(chǎn)學(xué)研各界關(guān)注的重點(diǎn)。

　　日前，中國(guó)工程院外籍院士、上海理工大學(xué)光子芯片研究院院長(zhǎng)、張江實(shí)驗(yàn)室光計(jì)算所所長(zhǎng)顧敏和文靜教授團(tuán)隊(duì)，與中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員阮昊團(tuán)隊(duì)，在存儲(chǔ)領(lǐng)域突破光學(xué)衍射極限，研發(fā)出超大容量納米級(jí)三維光盤(pán)存儲(chǔ)器。

　　該技術(shù)能讓巴掌大小的光盤(pán)，擁有1.6PB的存儲(chǔ)量（PB是一種計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量的單位，等于10的15次方比特，相當(dāng)于一百萬(wàn)個(gè)GB——記者注）。“可以說(shuō)，我們團(tuán)隊(duì)登上了這一領(lǐng)域的‘珠穆朗瑪峰’。”顧敏說(shuō)。

　　這一重要研究成果近日發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature），引發(fā)廣泛關(guān)注。鮮為人知的是，這項(xiàng)研究背后有著一支在該領(lǐng)域堅(jiān)守10多年的青年團(tuán)隊(duì)。

　　一張光盤(pán)等于一個(gè)小型數(shù)據(jù)中心

　　這項(xiàng)研究，此前被眾多媒體形容為“超級(jí)光盤(pán)”項(xiàng)目。即用一張巴掌大的光盤(pán)，來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)量。

　　“聽(tīng)起來(lái)很科幻，1.6PB這一數(shù)據(jù)，實(shí)際上是團(tuán)隊(duì)通過(guò)計(jì)算單位面積上可以實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)密度而計(jì)算出來(lái)的一個(gè)等效存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量。”文靜告訴中青報(bào)·中青網(wǎng)記者，通過(guò)實(shí)驗(yàn)及科學(xué)論證得出的這一可行性結(jié)論，震撼人心。

　　據(jù)她介紹，團(tuán)隊(duì)研究的是“雙光束超分辨光存儲(chǔ)技術(shù)”，這項(xiàng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在一張光盤(pán)上存儲(chǔ)相當(dāng)于1.6PB容量的數(shù)據(jù)，并且可以被錄入和讀取。

　　“不過(guò)，目前的讀寫(xiě)設(shè)備還處于實(shí)驗(yàn)室階段，體積稍微龐大。”文靜說(shuō)，未來(lái)，真正實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)還需要可以高度商用化的低成本、小型化讀寫(xiě)設(shè)備。

　　她告訴記者，目前，該團(tuán)隊(duì)在小型化超分辨讀寫(xiě)設(shè)備上已有一些階段性成果；未來(lái)還要研究如何提升讀寫(xiě)速度并進(jìn)一步降低單點(diǎn)能耗等問(wèn)題。

　　顧敏團(tuán)隊(duì)針對(duì)“超級(jí)光盤(pán)”的研究開(kāi)始于2013年。那時(shí)，顧敏就有意在光盤(pán)領(lǐng)域研究大容量存儲(chǔ)的突破之道，并首次利用雙光束超分辨原理，在激光直寫(xiě)領(lǐng)域突破光學(xué)衍射極限，創(chuàng)造9納米特征尺寸的世界紀(jì)錄。

　　所謂“雙光束”，是指通過(guò)兩束激光的照射，使得存儲(chǔ)材料上的數(shù)據(jù)能發(fā)出納米尺度的強(qiáng)光，光越強(qiáng)，信號(hào)也就越強(qiáng)。“讀取光盤(pán)里的數(shù)據(jù)，需要探測(cè)信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)了，才更加容易讀取。”文靜說(shuō)。

　　她打了一個(gè)比方：如果把一點(diǎn)一點(diǎn)的光，比作天上的“星星”，研究團(tuán)隊(duì)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，就是讓單位面積上存放更多的“星星”，并且讓這些“星星”都能通過(guò)光束的照射被清晰地“讀取”出來(lái)。

　　“星星”越密集，存儲(chǔ)量就越大，但同時(shí)寫(xiě)入和讀取的難度也就越大。以此次一張光盤(pán)含有1.6PB等效數(shù)據(jù)量的研究為例，這樣一張光盤(pán)的層數(shù)多達(dá)100層、厚度僅100微米，“星星”密密麻麻地疊在100層材料里，如何把它們寫(xiě)入并有效讀取出來(lái)？難度極大。

　　僅單層光盤(pán)，材料就找了5年多

　　在全球數(shù)據(jù)存儲(chǔ)市場(chǎng)，固態(tài)硬盤(pán)及全閃存儲(chǔ)被認(rèn)為是未來(lái)存儲(chǔ)領(lǐng)域的大方向，尤其是固態(tài)硬盤(pán)存儲(chǔ)領(lǐng)域，長(zhǎng)期被日美公司壟斷。我國(guó)如果能在大容量光存儲(chǔ)領(lǐng)域取得突破，將有機(jī)會(huì)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面實(shí)現(xiàn)“彎道超車(chē)”。

　　論文通訊作者之一、中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員阮昊介紹，傳統(tǒng)發(fā)光染料材料在聚集狀態(tài)下極易發(fā)生熒光猝滅，造成信息丟失。這種材料在納米尺度下還存在被背景噪聲淹沒(méi)的難題，導(dǎo)致超分辨的信息難以讀出。

　　但這一次，研究團(tuán)隊(duì)選擇的是一種全透明的材料。

　　“大家覺(jué)得光盤(pán)都是那種反射面的，但我們這次選用的材料是全透明的。”文靜說(shuō)，這種材料可以從單層拓展到多層，光束照射下去，可以探查到介質(zhì)最深的地方，因此，附著在介質(zhì)上被疊起來(lái)的“星星”可以一點(diǎn)一點(diǎn)地辨別清楚。

　　“這種材料，目前只有顧敏老師和由他領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)采用了。”文靜說(shuō)，為了找到理想的材料，團(tuán)隊(duì)采用高通量的方法，篩選數(shù)百種材料，逐個(gè)驗(yàn)證哪種最合適。

　　研究團(tuán)隊(duì)用了超過(guò)5年的時(shí)間找材料，排除很多錯(cuò)誤選項(xiàng)，直到2021年年初，一種理想的材料才被篩選出來(lái)。

　　“我們選用的是聚集誘導(dǎo)發(fā)光染料材料，它的化學(xué)式，像有6片葉子的‘發(fā)光風(fēng)車(chē)’，‘風(fēng)車(chē)’轉(zhuǎn)得越快，消耗的動(dòng)能越多，對(duì)外發(fā)的光就越少。要讓‘風(fēng)車(chē)’發(fā)光更強(qiáng)，就要讓它轉(zhuǎn)慢一些。我們把‘風(fēng)車(chē)’放在有機(jī)樹(shù)脂薄膜里，并讓激光去照射。”文靜說(shuō)，這種材料獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使得它可以超越衍射極限，分辨出兩個(gè)相鄰點(diǎn)的距離，實(shí)現(xiàn)精確讀寫(xiě)。

　　“在顧院士的指導(dǎo)下，該材料已從最初的單層讀寫(xiě)拓展到100層讀寫(xiě)。”文靜告訴記者，起初團(tuán)隊(duì)把實(shí)驗(yàn)記錄做到了30層，即找到一種可以疊加30層并能實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)的材料。團(tuán)隊(duì)成員、中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所博士后趙苗把數(shù)據(jù)整理好后，欣喜地向顧敏匯報(bào)，卻被顧院士很?chē)?yán)肅地“懟”了回來(lái)。

　　文靜說(shuō)，顧院士對(duì)本領(lǐng)域的研究有敏銳的判斷，他知道實(shí)驗(yàn)參數(shù)做到什么程度才能被稱為“頂尖”。當(dāng)材料做到70納米一層、共30層時(shí)，顧敏便明確“是否可以優(yōu)化到100層，并實(shí)現(xiàn)記錄點(diǎn)尺寸在50納米左右”。

　　為此，團(tuán)隊(duì)成員后期又花了大量時(shí)間優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件。層數(shù)越多，難度越大。

　　論文一審像第二次“高考”

　　當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)把這一光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)的光盤(pán)層數(shù)確定在100層、容量定在1.6PB、信息點(diǎn)尺寸定在54納米后，就要開(kāi)始漫長(zhǎng)的論文投遞過(guò)程了。

　　因?yàn)槲恼碌膬?nèi)容足夠“硬”，團(tuán)隊(duì)在投稿后3周就收到3位審稿人的積極回復(fù)。那是2023年6月底，距離這篇論文最后發(fā)表還有將近1年的時(shí)間。在這近1年的時(shí)間里，研究團(tuán)隊(duì)的工作重心轉(zhuǎn)移到了回答審稿人的提問(wèn)和修改論文上。

　　審稿人拋來(lái)了幾十個(gè)問(wèn)題，需要進(jìn)一步提供數(shù)據(jù)支持。在顧院士和團(tuán)隊(duì)成員仔細(xì)逐個(gè)討論完每個(gè)問(wèn)題后，初步實(shí)驗(yàn)方案終于定了下來(lái)。文靜和趙苗開(kāi)始“倒班”做實(shí)驗(yàn)，回答審稿人的疑問(wèn)。凌晨，趙苗做完實(shí)驗(yàn)；早上，文靜拿到數(shù)據(jù)就開(kāi)始分析，再根據(jù)結(jié)果更新實(shí)驗(yàn)方案和參數(shù)。

　　其中，最難回答的一個(gè)問(wèn)題是——如何用實(shí)驗(yàn)手段去驗(yàn)證“激光激發(fā)的聚焦誘導(dǎo)發(fā)光染料的熒光增強(qiáng)效應(yīng)”，并解釋其發(fā)生機(jī)理。其本質(zhì)，就是要求研究團(tuán)隊(duì)來(lái)證明，為什么用激光誘導(dǎo)就能實(shí)現(xiàn)“讓星星更亮”這一現(xiàn)象。

　　“我們之前一直在關(guān)注層數(shù)、存儲(chǔ)容量及其對(duì)應(yīng)的激光光束調(diào)控等問(wèn)題。這其實(shí)是我們通過(guò)很多實(shí)驗(yàn)觀察到的一種現(xiàn)象。但審稿人要求我們驗(yàn)證這個(gè)現(xiàn)象存在的機(jī)理。”文靜說(shuō)。她與趙苗配合，花了2個(gè)月時(shí)間，用不同的手段和方法，來(lái)驗(yàn)證這種現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理，“就像是做考卷一樣，答得不到位，就有可能導(dǎo)致文章發(fā)表不了”。

　　為了補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，文靜好幾個(gè)月都是凌晨才回到家。那時(shí)，正值父母從老家過(guò)來(lái)看她，結(jié)果兩人很少見(jiàn)到女兒。為了不讓文靜有負(fù)擔(dān)且不打擾她的工作，他們提前離開(kāi)了上海。

　　文靜跟家里人開(kāi)玩笑說(shuō)：“論文一審我要竭盡全力，這是我的第二次‘高考’，孩子就交給你們啦。”后來(lái)，論文到了二審階段，她又跟家里人交代孩子的事情，家人開(kāi)玩笑問(wèn)她：“現(xiàn)在你是‘中考’了嗎？”

　　2016年，文靜就跟著顧敏院士進(jìn)入這個(gè)研究領(lǐng)域。她當(dāng)時(shí)就認(rèn)準(zhǔn)了“大容量光存儲(chǔ)”方向，“我很喜歡這個(gè)課題。它很難，要花很多精力，甚至還需要運(yùn)氣。有可能花了很多年的時(shí)間也寫(xiě)不出一篇論文，但我始終很有信心，我知道，一旦做成了，就是大成果。我們希望在顧院士的帶領(lǐng)下，做成前沿研究熱點(diǎn)并成為朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)”。

　　她告訴記者，自己特別感謝上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院的莊松林院士和張大偉院長(zhǎng)，不讓青年科學(xué)家有科研經(jīng)費(fèi)績(jī)效指標(biāo)的壓力，“可以靜下心做研究，幫助我們快速上路”。

　　阮昊介紹，當(dāng)前固態(tài)硬盤(pán)發(fā)展接近極限，要做得更小，面臨很大挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體存儲(chǔ)成本很高、壽命較短、數(shù)據(jù)容易丟失；光存儲(chǔ)能有效解決這些問(wèn)題，因而是未來(lái)大數(shù)據(jù)、人工智能發(fā)展的一塊基石。

　　研究團(tuán)隊(duì)透露，該技術(shù)目前已申請(qǐng)專利，下一步的目標(biāo)是走向產(chǎn)業(yè)界。但要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在寫(xiě)入和讀取速度以及能源效率等多方面仍有待進(jìn)一步提升，在大規(guī)模生產(chǎn)方面也需要繼續(xù)摸索。

　　中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 王燁捷 來(lái)源：中國(guó)青年報(bào)