「超級光盤」誕生記

    隨著人工智能時代的到來，數據存儲成為一個重要且關鍵的研究領域。我國數據存儲技術到底如何提升，成為產學研各界關注的重點。

    日前，中國工程院外籍院士、上海理工大學光子芯片研究院院長、張江實驗室光計算所所長顧敏和文靜教授團隊，與中國科學院上海光學精密機械研究所研究員阮昊團隊，在存儲領域突破光學衍射極限，研發出超大容量納米級三維光盤存儲器。

    該技術能讓巴掌大小的光盤，擁有1.6PB的存儲量（PB是一種計算機存儲容量的單位，等於10的15次方比特，相當於一百萬個GB——記者注）。「可以說，我們團隊登上了這一領域的‘珠穆朗瑪峰’。」顧敏說。

    這一重要研究成果近日發表於國際學術期刊《自然》（Nature），引發廣泛關注。鮮為人知的是，這項研究背後有著一支在該領域堅守10多年的青年團隊。

    一張光盤等於一個小型數據中心

    這項研究，此前被眾多媒體形容為「超級光盤」項目。即用一張巴掌大的光盤，來實現一個小型數據中心的存儲量。

    「聽起來很科幻，1.6PB這一數據，實際上是團隊通過計算單位面積上可以實現的存儲密度而計算出來的一個等效存儲數據量。」文靜告訴中青報·中青網記者，通過實驗及科學論證得出的這一可行性結論，震撼人心。

    據她介紹，團隊研究的是「雙光束超分辨光存儲技術」，這項技術，可以實現在一張光盤上存儲相當於1.6PB容量的數據，並且可以被錄入和讀取。

    「不過，目前的讀寫設備還處於實驗室階段，體積稍微龐大。」文靜說，未來，真正實現大容量存儲還需要可以高度商用化的低成本、小型化讀寫設備。

    她告訴記者，目前，該團隊在小型化超分辨讀寫設備上已有一些階段性成果；未來還要研究如何提升讀寫速度並進一步降低單點能耗等問題。

    顧敏團隊針對「超級光盤」的研究開始於2013年。那時，顧敏就有意在光盤領域研究大容量存儲的突破之道，並首次利用雙光束超分辨原理，在激光直寫領域突破光學衍射極限，創造9納米特徵尺寸的世界紀錄。

    所謂「雙光束」，是指通過兩束激光的照射，使得存儲材料上的數據能發出納米尺度的強光，光越強，信號也就越強。「讀取光盤里的數據，需要探測信號，信號強了，才更加容易讀取。」文靜說。

    她打了一個比方：如果把一點一點的光，比作天上的「星星」，研究團隊要實現的目標，就是讓單位面積上存放更多的「星星」，並且讓這些「星星」都能通過光束的照射被清晰地「讀取」出來。

    「星星」越密集，存儲量就越大，但同時寫入和讀取的難度也就越大。以此次一張光盤含有1.6PB等效數據量的研究為例，這樣一張光盤的層數多達100層、厚度僅100微米，「星星」密密麻麻地疊在100層材料里，如何把它們寫入並有效讀取出來？難度極大。

    僅單層光盤，材料就找了5年多

    在全球數據存儲市場，固態硬盤及全閃存儲被認為是未來存儲領域的大方向，尤其是固態硬盤存儲領域，長期被日美公司壟斷。我國如果能在大容量光存儲領域取得突破，將有機會在數據存儲方面實現「彎道超車」。

    論文通訊作者之一、中國科學院上海光學精密機械研究所研究員阮昊介紹，傳統發光染料材料在聚集狀態下極易發生螢光猝滅，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的難題，導致超分辨的信息難以讀出。

    但這一次，研究團隊選擇的是一種全透明的材料。

    「大家覺得光盤都是那種反射面的，但我們這次選用的材料是全透明的。」文靜說，這種材料可以從單層拓展到多層，光束照射下去，可以探查到介質最深的地方，因此，附著在介質上被疊起來的「星星」可以一點一點地辨別清楚。

    「這種材料，目前只有顧敏老師和由他領導的研究團隊採用了。」文靜說，為了找到理想的材料，團隊採用高通量的方法，篩選數百種材料，逐個驗證哪種最合適。

    研究團隊用了超過5年的時間找材料，排除很多錯誤選項，直到2021年年初，一種理想的材料才被篩選出來。

    「我們選用的是聚集誘導發光染料材料，它的化學式，像有6片葉子的‘發光風車’，‘風車’轉得越快，消耗的動能越多，對外發的光就越少。要讓‘風車’發光更強，就要讓它轉慢一些。我們把‘風車’放在有機樹脂薄膜里，並讓激光去照射。」文靜說，這種材料獨特的化學結構，使得它可以超越衍射極限，分辨出兩個相鄰點的距離，實現精確讀寫。

    「在顧院士的指導下，該材料已從最初的單層讀寫拓展到100層讀寫。」文靜告訴記者，起初團隊把實驗記錄做到了30層，即找到一種可以疊加30層並能實現讀寫的材料。團隊成員、中國科學院上海光學精密機械研究所博士後趙苗把數據整理好後，欣喜地向顧敏彙報，卻被顧院士很嚴肅地「懟」了回來。

    文靜說，顧院士對本領域的研究有敏銳的判斷，他知道實驗參數做到什麼程度才能被稱為「頂尖」。當材料做到70納米一層、共30層時，顧敏便明確「是否可以優化到100層，並實現記錄點尺寸在50納米左右」。

    為此，團隊成員後期又花了大量時間優化實驗條件。層數越多，難度越大。

    論文一審像第二次「高考」

    當研究團隊把這一光盤存儲技術的光盤層數確定在100層、容量定在1.6PB、信息點尺寸定在54納米後，就要開始漫長的論文投遞過程了。

    因為文章的內容足夠「硬」，團隊在投稿後3周就收到3位審稿人的積極回覆。那是2023年6月底，距離這篇論文最後發表還有將近1年的時間。在這近1年的時間里，研究團隊的工作重心轉移到了回答審稿人的提問和修改論文上。

    審稿人拋來了幾十個問題，需要進一步提供數據支持。在顧院士和團隊成員仔細逐個討論完每個問題後，初步實驗方案終於定了下來。文靜和趙苗開始「倒班」做實驗，回答審稿人的疑問。淩晨，趙苗做完實驗；早上，文靜拿到數據就開始分析，再根據結果更新實驗方案和參數。

    其中，最難回答的一個問題是——如何用實驗手段去驗證「激光激發的聚焦誘導發光染料的螢光增強效應」，並解釋其發生機理。其本質，就是要求研究團隊來證明，為什麼用激光誘導就能實現「讓星星更亮」這一現象。

    「我們之前一直在關注層數、存儲容量及其對應的激光光束調控等問題。這其實是我們通過很多實驗觀察到的一種現象。但審稿人要求我們驗證這個現象存在的機理。」文靜說。她與趙苗配合，花了2個月時間，用不同的手段和方法，來驗證這種現象發生的機理，「就像是做考卷一樣，答得不到位，就有可能導致文章發表不了」。

    為了補充實驗數據，文靜好幾個月都是淩晨才回到家。那時，正值父母從老家過來看她，結果兩人很少見到女兒。為了不讓文靜有負擔且不打擾她的工作，他們提前離開了上海。

    文靜跟家裡人開玩笑說：「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。」後來，論文到了二審階段，她又跟家裡人交代孩子的事情，家人開玩笑問她：「現在你是‘中考’了嗎？」

    2016年，文靜就跟著顧敏院士進入這個研究領域。她當時就認準了「大容量光存儲」方向，「我很喜歡這個課題。它很難，要花很多精力，甚至還需要運氣。有可能花了很多年的時間也寫不出一篇論文，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下，做成前沿研究熱點併成為朝陽產業」。

    她告訴記者，自己特別感謝上海理工大學光電信息與計算機工程學院的莊鬆林院士和張大偉院長，不讓青年科學家有科研經費績效指標的壓力，「可以靜下心做研究，幫助我們快速上路」。

    阮昊介紹，當前固態硬盤髮展接近極限，要做得更小，面臨很大挑戰。半導體存儲成本很高、壽命較短、數據容易丟失；光存儲能有效解決這些問題，因而是未來大數據、人工智能發展的一塊基石。

    研究團隊透露，該技術目前已申請專利，下一步的目標是走向產業界。但要實現產業化，在寫入和讀取速度以及能源效率等多方面仍有待進一步提升，在大規模生產方面也需要繼續摸索。

中青報·中青網記者 王燁捷 來源：中國青年報

2024年04月01日 08 版