11月29日，在2023中國數(shù)據(jù)與存儲峰會上，張靜宇博士發(fā)表題為“玻璃大容量永久光存儲”的演講中。他預(yù)測，該技術(shù)有望成為下一代解決數(shù)據(jù)長期存儲的方案。
冷存儲技術(shù)的現(xiàn)狀與未來
張靜宇博士在報告中分析了現(xiàn)有主流冷存儲技術(shù)與下一代冷存儲技術(shù)的優(yōu)劣勢對比。他指出，數(shù)據(jù)中心的成本，通過計算簡單的歸為四個方面：系統(tǒng)成本、電力、運(yùn)維、數(shù)據(jù)遷移，主要有單驅(qū)動器、容量、穩(wěn)定性、綠色環(huán)保特性等參數(shù)，以及一些針對特殊用途的參數(shù)。
主流冷存儲技術(shù)對比
在容量方面，市場2026年機(jī)械硬盤的存儲容量將達(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盤達(dá)到1TB每盤、500Gb/in2。
在壽命方面，機(jī)械硬盤在數(shù)據(jù)中心存儲壽命是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)存儲成本的25%。
綠色環(huán)保方面，以十年為使用周期，機(jī)械硬盤的電力成本是磁帶的7倍，以20年為使用周期，磁帶系統(tǒng)的電力成本是光盤的5倍，而以75年為例，藍(lán)光光盤、磁帶、機(jī)械硬盤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，自2007年Iomega收購易拓后，國內(nèi)已無硬盤技術(shù)和生產(chǎn)，全部依賴進(jìn)口，磁帶也是全部通過進(jìn)口來解決，但光盤因為有易華錄和松下合作，掌握了部分技術(shù)，國內(nèi)發(fā)展光盤、光驅(qū)技術(shù)具備一定的積累，市場上也有多家光盤庫廠家。
綜合容量、壽命、技術(shù)積累、綠色環(huán)保等因素來看，機(jī)械盤容量最大，使用成本偏高，光盤壽命最長、成本最低，但是容量最小。磁帶各方面處在居中的狀態(tài)。對比之下可以發(fā)現(xiàn)，光盤有很大的空間，如果容量提升得到突破，可能會成為未來冷數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)中最好的解決方案。
主流冷存儲技術(shù)的瓶頸主要體現(xiàn)在容量和壽命方面。容量方面，受限于磁場大小和矯頑力，磁存儲已趨于極限，受限于光學(xué)衍射極限，光存儲已趨于極限；壽命方面，受限于傳統(tǒng)介質(zhì)的物化屬性，機(jī)械硬盤和磁帶的使用壽命難以突破10年。
下一代冷數(shù)據(jù)存儲技術(shù)
玻璃三維。為了提升容量，日立曾進(jìn)行了激光打點(diǎn)（類似激光微雕）的石英三維光存儲的開發(fā)，但由于結(jié)構(gòu)尺寸較大，以及結(jié)構(gòu)光散射大，導(dǎo)致底層無法讀取，層數(shù)受限，最終均導(dǎo)致容量受限，而寫入閾值高，導(dǎo)致系統(tǒng)成本偏高。
不過，因為玻璃介質(zhì)成本比較低，寫入速度也符合工業(yè)要求。
超分辨光存儲。這是一項可以追溯到諾貝爾獎得主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，用實心光去做寫，空心光斑去做“擦除”，光波長還不一樣，此外，還需要復(fù)雜的光刻膠和蛋白質(zhì)體系，而且讀寫都需要超分辨，所以，不僅速度非常慢，而且介質(zhì)成本、寫和讀系統(tǒng)的成本都很高。
DNA存儲。作為分子量級的存儲，它需要DNA合成技術(shù)寫入，寫入速度慢，導(dǎo)致寫入系統(tǒng)成本高，讀取需要DNA測序，因此，讀取系統(tǒng)成本高。此外，它的壽命比較長，國內(nèi)也有一定的技術(shù)積累。
玻璃多維存儲技術(shù)。該技術(shù)最早源自于2003年的一篇文章。基于納米光柵的多維度光存儲，結(jié)構(gòu)尺寸小，透過率高，層數(shù)與容量不受限，因此容量高，寫入閾值低，壽命長、系統(tǒng)整體成本低、非常穩(wěn)定。
來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，不存在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲的“腐爛”現(xiàn)象，無需冗余和備份——通常數(shù)據(jù)每分每秒都在損壞，因為介質(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”問題時必須考慮最糟糕的情況來做冗余，這樣導(dǎo)致大量容量浪費(fèi)。玻璃存儲因為沒有“數(shù)據(jù)腐爛”，因此用戶實得容量高。
微軟利用這樣技術(shù)展示了在玻璃上存儲電影“超人”電影。但是，該技術(shù)仍存在寫入速度較緩慢的難題，微軟迄今尚無理想的解決對策。
玻璃多維存儲技術(shù)展望
1999年，英國南安普頓大學(xué)首次觀察到了納米光柵的實驗現(xiàn)象，2003年，首次完成了納米光柵的表征，2011年，張靜宇博士在英國南安普頓大學(xué)開始玻璃大容量永久存儲技術(shù)的研發(fā)，三年后，首次實現(xiàn)了真實數(shù)據(jù)的讀寫及壽命測算。2018年，微軟CEO對外宣布介入研發(fā)，2023年，微軟內(nèi)部上線測試。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。
在國內(nèi)，2000年，信息存儲系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實驗室成立，實現(xiàn)信息存儲，2006年研制完成全國產(chǎn)制式的光存儲碟機(jī)NVD，2014年我國首次實現(xiàn)真實的讀寫和壽命測算。2016年，該技術(shù)被中國兩院院士評世界十大科技進(jìn)展之一，2017年，張靜宇博士回國后突破了多項關(guān)鍵核心技術(shù)，2022年，搭建完成了轉(zhuǎn)動樣機(jī)。
國內(nèi)團(tuán)隊如何與微軟這樣資金去抗衡？張靜宇博士回國后突破的多項關(guān)鍵核心技術(shù)有哪些？
據(jù)了解，其一是突破了多個參數(shù)維度。通過在玻璃體里三維任意的點(diǎn)作為數(shù)據(jù)存儲單位，通過結(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技術(shù)，單個數(shù)據(jù)點(diǎn)可存儲多個bits的信息。玻璃五維永久光存儲技術(shù)具有以下優(yōu)勢：透過率高達(dá)99%，最多可達(dá)400層甚至1000層，每個數(shù)據(jù)點(diǎn)存入多個bits，存儲容量最高可達(dá)360TB，
其二是解決寫入速度慢的難題。華中科技大學(xué)科研團(tuán)隊，借鑒基礎(chǔ)研究成果重點(diǎn)解決寫入速度的問題，采取有別于微軟、南安普頓的技術(shù)路線，通過轉(zhuǎn)動快速寫入技術(shù)等原理創(chuàng)新，將寫入時間下降到ps量級，實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)讀寫。
實際寫入實驗展示，在玻璃介質(zhì)上劃分成不同的扇區(qū)，每層每個存儲扇區(qū)約有100KB，上下共有400層，原始誤碼率低于1%的占98%，已經(jīng)滿足了工業(yè)化要求。
目前已經(jīng)實現(xiàn)寫入點(diǎn)間距400納米，驗證了4TB的存儲容量，讓存儲技術(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)隊希望通過降低激光器的參數(shù)需求從而降低成本，同時也持續(xù)攻克超高精度的伺服和信號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%，使用壽命近乎無窮，并且耐高溫和耐高壓。
可以預(yù)見，這項技術(shù)的突破和商業(yè)化，將給市場帶來巨大的沖擊。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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