一、ZB級冷數(shù)據(jù)存儲提出的挑戰(zhàn)

　　近年來，隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型等信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，在促進經(jīng)濟和社會快速發(fā)展的同時，也產(chǎn)生了爆炸式增長的數(shù)據(jù)量。根據(jù)數(shù)據(jù)在其生命周期中的位置及其價值維度，可將其劃分為“熱數(shù)據(jù)"、“溫數(shù)據(jù)"和“冷數(shù)據(jù)"。冷數(shù)據(jù)是指離線類不經(jīng)常訪問的、但需要長期保存的數(shù)據(jù)，如人類文學藝術(shù)作品、科技成果、政府檔案、用于災(zāi)難恢復(fù)的備份數(shù)據(jù)或因相關(guān)法規(guī)要求必須保留一段時間的企業(yè)、政府等的數(shù)據(jù)等。目前主流的冷數(shù)據(jù)存儲為硬盤、光盤、磁帶等，但面對海量數(shù)據(jù)的長期存儲，現(xiàn)有的存儲技術(shù)正在面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。

　　1)存不下：據(jù)國際數(shù)據(jù)公司(IDC)2018年發(fā)布的報告，如圖1所示，到2025年全球數(shù)據(jù)總量將達到175 ZB(1 ZB=109 TB)。如果將175 ZB數(shù)據(jù)存儲到藍光光盤上，那這些藍光光盤堆起來的高度相當于地球與月球之間距離的23倍。如果用市面上主流的8 T硬盤來存儲這些數(shù)據(jù)，將需要230多億塊硬盤。

　　2)用不起：數(shù)據(jù)指數(shù)式增長，要保存下來，面臨巨大的資源成本，同時數(shù)據(jù)中心需要每3~5年進行一次數(shù)據(jù)遷移來防止數(shù)據(jù)丟失，遷移導(dǎo)致的物耗能耗數(shù)據(jù)丟失導(dǎo)致成本巨大。

　　圖1 全球數(shù)據(jù)圈的年規(guī)模

　　二、冷數(shù)據(jù)的“記憶法"——飛秒激光光存儲技術(shù)

　　2003年，日本京都大學學者通過背散射電子圖像，在熔融石英內(nèi)觀測到與激光偏振方向垂直排列的納米光柵結(jié)構(gòu)。納米光柵可抽象成一種折射率不同、厚度不同的平板結(jié)構(gòu)在空間內(nèi)的交替排列，如圖2所示，呈現(xiàn)出典型的形序雙折射效應(yīng)(form birefringence)。

　　圖2 飛秒激光光存儲加工示意及雙折射原理圖

　　由于納米光柵的取向與誘導(dǎo)的飛秒激光偏振方向垂直，通過改變激光偏振方向直接調(diào)控納米光柵平面的方向。納米光柵的長度與激光的脈沖數(shù)與激光能量相關(guān)，可通過改變這兩個激光參量來改變相位延遲量，結(jié)合空間三維分布提供了一種玻璃內(nèi)部五維高密度光存儲的技術(shù)(第4維，慢軸取向;第5維，相位延遲量)，其理論存儲容量可高達百TB甚至PB(1000 TB)。特別地，納米光柵是由飛秒激光通過庫侖微納爆炸等效應(yīng)在石英玻璃內(nèi)部產(chǎn)生，天然具有耐高溫高壓、抗輻射、耐酸堿、對潮濕等嚴酷環(huán)境不敏感等優(yōu)勢，不會像傳統(tǒng)存儲設(shè)備容易受到火災(zāi)、洪水、地震、停電或電磁干擾等影響，甚至能在600 ℃左右保存200多天，在常溫常壓下保存——超高存儲、超長壽命等特點無疑使飛秒激光光存儲技術(shù)在冷數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域具有誘人前景。

　　圖3 飛秒激光光存儲編解碼過程

　　雖然雙折射透射信號相較于散射信號要更為強烈，但目前還沒有較成熟的商用快速雙折射顯微鏡系統(tǒng)。一般的系統(tǒng)裝置如圖3(a)所示，通過液晶相位延遲片的4~5次轉(zhuǎn)動，計算得到相位延遲量和慢軸方位角，此裝置通過面讀提高了讀出效率，但在配套伺服系統(tǒng)等方面還沒有發(fā)展起來，多次液晶延遲也損失了讀出速度，還需要對讀出數(shù)據(jù)層內(nèi)和層間的信號串擾進行除噪處理、識別。圖3(b)~(c)展示了以“吉林大學"為例的編碼方式及讀出效果及一次拍照面讀后的數(shù)據(jù)結(jié)果。

　　三、飛秒激光光存儲當前挑戰(zhàn)

　　飛秒激光光存儲理論上擁有的存儲密度，但由于發(fā)展時間較短，在實際存儲密度、寫入速度、讀取速度及準確度方面還存在瓶頸。

　　(1)實際存儲容量較低：一張存儲盤能存儲的信息，與存儲單元的點間隔、層間隔、和單點多比特個數(shù)相關(guān)。如表1所示，壓縮比特體積元橫向、縱向尺寸，提高單點存儲比特是關(guān)鍵。

　　表1 直徑為120 mm、厚度為2 mm的樣品中點間距、層間距、單點比特數(shù)與存儲容量的關(guān)系

　　(2)實際寫入速度較低：存儲速度與形成每個記錄點所需的脈沖數(shù)負相關(guān)，如表2所示，減小單點脈沖數(shù)、提高單點存儲比特是關(guān)鍵。

　　表2 激光器重復(fù)頻率為10 MHz時最高寫入速度與脈沖數(shù)、單點比特數(shù)、并行寫入通道數(shù)的關(guān)系

　　（3)實際讀取速度和準確率較低：在提高存儲密度時，太小的點間距和層間距會造成數(shù)據(jù)讀出時的串擾。此外，納米光柵的產(chǎn)生還伴隨著其他效應(yīng)的產(chǎn)生，不可避免會引入Type I型、Type III型結(jié)構(gòu)，都會影響讀取準確率。

　　圖4 飛秒激光光存儲技術(shù)制備的時間膠囊樣品

　　四、展望

　　飛秒激光光存儲要想實現(xiàn)理論上的百TB甚至PB容量快速存儲，其根本是加深對飛秒激光與材料相互作用機制的認識，如何實現(xiàn)超衍射加工，將比特體積元橫向尺寸降低到100 nm甚至更小、縱向尺寸降到1 μm以下，如何發(fā)展更多維度復(fù)用技術(shù)等;如何調(diào)控激光脈沖作用效率，提高數(shù)據(jù)寫入速度;如何提高雙折射信號處理能力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、準確讀出等。目前，該技術(shù)正在向商業(yè)化推進，微軟已經(jīng)與一些圖書館機構(gòu)展開合作(《超人》復(fù)寫等)，我們也相信在不遠的將來，這項技術(shù)能夠在人類歷史、文學藝術(shù)、政企檔案、安保防護等需要長期存儲的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

　　參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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