随着人工智能(néng)时代的到来，数据存储成為(wèi)一个重要且关键的研究领域。我國(guó)数据存储技术到底如何提升，成為(wèi)产學(xué)研各界关注的重点。

日前，中國(guó)工程院外籍院士、上海理(lǐ)工大學(xué)光子芯片研究院院長(cháng)、张江实验室光计算所所長(cháng)顾敏和文(wén)静教授团队，与中國(guó)科(kē)學(xué)院上海光學(xué)精密机械研究所研究员阮昊团队，在存储领域突破光學(xué)衍射极限，研发出超大容量纳米级三维光盘存储器。

该技术能(néng)让巴掌大小(xiǎo)的光盘，拥有(yǒu)1.6PB的存储量（PB是一种计算机存储容量的单位，等于10的15次方比特，相当于一百万个GB——记者注）。“可(kě)以说，我们团队登上了这一领域的‘珠穆朗玛峰’。”顾敏说。

这一重要研究成果近日发表于國(guó)际學(xué)术期刊《自然》（Nature），引发广泛关注。鲜為(wèi)人知的是，这项研究背后有(yǒu)着一支在该领域坚守10多(duō)年的青年团队。

一张光盘等于一个小(xiǎo)型数据中心

这项研究，此前被众多(duō)媒體(tǐ)形容為(wèi)“超级光盘”项目。即用(yòng)一张巴掌大的光盘，来实现一个小(xiǎo)型数据中心的存储量。

“听起来很(hěn)科(kē)幻，1.6PB这一数据，实际上是团队通过计算单位面积上可(kě)以实现的存储密度而计算出来的一个等效存储数据量。”文(wén)静告诉中记者，通过实验及科(kē)學(xué)论证得出的这一可(kě)行性结论，震撼人心。

据她介绍，团队研究的是“双光束超分(fēn)辨光存储技术”，这项技术，可(kě)以实现在一张光盘上存储相当于1.6PB容量的数据，并且可(kě)以被录入和读取。

“不过，目前的读写设备还处于实验室阶段，體(tǐ)积稍微庞大。”文(wén)静说，未来，真正实现大容量存储还需要可(kě)以高度商(shāng)用(yòng)化的低成本、小(xiǎo)型化读写设备。

她告诉记者，目前，该团队在小(xiǎo)型化超分(fēn)辨读写设备上已有(yǒu)一些阶段性成果；未来还要研究如何提升读写速度并进一步降低单点能(néng)耗等问题。

顾敏团队针对“超级光盘”的研究开始于2013年。那时，顾敏就有(yǒu)意在光盘领域研究大容量存储的突破之道，并首次利用(yòng)双光束超分(fēn)辨原理(lǐ)，在激光直写领域突破光學(xué)衍射极限，创造9纳米特征尺寸的世界纪录。

所谓“双光束”，是指通过两束激光的照射，使得存储材料上的数据能(néng)发出纳米尺度的强光，光越强，信号也就越强。“读取光盘里的数据，需要探测信号，信号强了，才更加容易读取。”文(wén)静说。

她打了一个比方：如果把一点一点的光，比作天上的“星星”，研究团队要实现的目标，就是让单位面积上存放更多(duō)的“星星”，并且让这些“星星”都能(néng)通过光束的照射被清晰地“读取”出来。

“星星”越密集，存储量就越大，但同时写入和读取的难度也就越大。以此次一张光盘含有(yǒu)1.6PB等效数据量的研究為(wèi)例，这样一张光盘的层数多(duō)达100层、厚度仅100微米，“星星”密密麻麻地叠在100层材料里，如何把它们写入并有(yǒu)效读取出来？难度极大。

仅单层光盘，材料就找了5年多(duō)

在全球数据存储市场，固态硬盘及全闪存储被认為(wèi)是未来存储领域的大方向，尤其是固态硬盘存储领域，長(cháng)期被日美公司垄断。我國(guó)如果能(néng)在大容量光存储领域取得突破，将有(yǒu)机会在数据存储方面实现“弯道超車(chē)”。

论文(wén)通讯作者之一、中國(guó)科(kē)學(xué)院上海光學(xué)精密机械研究所研究员阮昊介绍，传统发光染料材料在聚集状态下极易发生荧光猝灭，造成信息丢失。这种材料在纳米尺度下还存在被背景噪声淹没的难题，导致超分(fēn)辨的信息难以读出。

但这一次，研究团队选择的是一种全透明的材料。

“大家觉得光盘都是那种反射面的，但我们这次选用(yòng)的材料是全透明的。”文(wén)静说，这种材料可(kě)以从单层拓展到多(duō)层，光束照射下去，可(kě)以探查到介质最深的地方，因此，附着在介质上被叠起来的“星星”可(kě)以一点一点地辨别清楚。

“这种材料，目前只有(yǒu)顾敏老师和由他(tā)领导的研究团队采用(yòng)了。”文(wén)静说，為(wèi)了找到理(lǐ)想的材料，团队采用(yòng)高通量的方法，筛选数百种材料，逐个验证哪种最合适。

研究团队用(yòng)了超过5年的时间找材料，排除很(hěn)多(duō)错误选项，直到2021年年初，一种理(lǐ)想的材料才被筛选出来。

“我们选用(yòng)的是聚集诱导发光染料材料，它的化學(xué)式，像有(yǒu)6片叶子的‘发光风車(chē)’，‘风車(chē)’转得越快，消耗的动能(néng)越多(duō)，对外发的光就越少。要让‘风車(chē)’发光更强，就要让它转慢一些。我们把‘风車(chē)’放在有(yǒu)机树脂薄膜里，并让激光去照射。”文(wén)静说，这种材料独特的化學(xué)结构，使得它可(kě)以超越衍射极限，分(fēn)辨出两个相邻点的距离，实现精确读写。

“在顾院士的指导下，该材料已从最初的单层读写拓展到100层读写。”文(wén)静告诉记者，起初团队把实验记录做到了30层，即找到一种可(kě)以叠加30层并能(néng)实现读写的材料。团队成员、中國(guó)科(kē)學(xué)院上海光學(xué)精密机械研究所博士后赵苗把数据整理(lǐ)好后，欣喜地向顾敏汇报，却被顾院士很(hěn)严肃地“怼”了回来。

文(wén)静说，顾院士对本领域的研究有(yǒu)敏锐的判断，他(tā)知道实验参数做到什么程度才能(néng)被称為(wèi)“顶尖”。当材料做到70纳米一层、共30层时，顾敏便明确“是否可(kě)以优化到100层，并实现记录点尺寸在50纳米左右”。

為(wèi)此，团队成员后期又(yòu)花(huā)了大量时间优化实验条件。层数越多(duō)，难度越大。

论文(wén)一审像第二次“高考”

当研究团队把这一光盘存储技术的光盘层数确定在100层、容量定在1.6PB、信息点尺寸定在54纳米后，就要开始漫長(cháng)的论文(wén)投递过程了。

因為(wèi)文(wén)章的内容足够“硬”，团队在投稿后3周就收到3位审稿人的积极回复。那是2023年6月底，距离这篇论文(wén)最后发表还有(yǒu)将近1年的时间。在这近1年的时间里，研究团队的工作重心转移到了回答(dá)审稿人的提问和修改论文(wén)上。

审稿人抛来了几十个问题，需要进一步提供数据支持。在顾院士和团队成员仔细逐个讨论完每个问题后，初步实验方案终于定了下来。文(wén)静和赵苗开始“倒班”做实验，回答(dá)审稿人的疑问。凌晨，赵苗做完实验；早上，文(wén)静拿(ná)到数据就开始分(fēn)析，再根据结果更新(xīn)实验方案和参数。

其中，最难回答(dá)的一个问题是——如何用(yòng)实验手段去验证“激光激发的聚焦诱导发光染料的荧光增强效应”，并解释其发生机理(lǐ)。其本质，就是要求研究团队来证明，為(wèi)什么用(yòng)激光诱导就能(néng)实现“让星星更亮”这一现象。

“我们之前一直在关注层数、存储容量及其对应的激光光束调控等问题。这其实是我们通过很(hěn)多(duō)实验观察到的一种现象。但审稿人要求我们验证这个现象存在的机理(lǐ)。”文(wén)静说。她与赵苗配合，花(huā)了2个月时间，用(yòng)不同的手段和方法，来验证这种现象发生的机理(lǐ)，“就像是做考卷一样，答(dá)得不到位，就有(yǒu)可(kě)能(néng)导致文(wén)章发表不了”。

為(wèi)了补充实验数据，文(wén)静好几个月都是凌晨才回到家。那时，正值父母从老家过来看她，结果两人很(hěn)少见到女儿。為(wèi)了不让文(wén)静有(yǒu)负担且不打扰她的工作，他(tā)们提前离开了上海。

文(wén)静跟家里人开玩笑说：“论文(wén)一审我要竭尽全力，这是我的第二次‘高考’，孩子就交给你们啦。”后来，论文(wén)到了二审阶段，她又(yòu)跟家里人交代孩子的事情，家人开玩笑问她：“现在你是‘中考’了吗？”

2016年，文(wén)静就跟着顾敏院士进入这个研究领域。她当时就认准了“大容量光存储”方向，“我很(hěn)喜欢这个课题。它很(hěn)难，要花(huā)很(hěn)多(duō)精力，甚至还需要运气。有(yǒu)可(kě)能(néng)花(huā)了很(hěn)多(duō)年的时间也写不出一篇论文(wén)，但我始终很(hěn)有(yǒu)信心，我知道，一旦做成了，就是大成果。我们希望在顾院士的带领下，做成前沿研究热点并成為(wèi)朝阳产业”。

她告诉记者，自己特别感謝(xiè)上海理(lǐ)工大學(xué)光電(diàn)信息与计算机工程學(xué)院的庄松林院士和张大伟院長(cháng)，不让青年科(kē)學(xué)家有(yǒu)科(kē)研经费绩效指标的压力，“可(kě)以静下心做研究，帮助我们快速上路”。

阮昊介绍，当前固态硬盘发展接近极限，要做得更小(xiǎo)，面临很(hěn)大挑战。半导體(tǐ)存储成本很(hěn)高、寿命较短、数据容易丢失；光存储能(néng)有(yǒu)效解决这些问题，因而是未来大数据、人工智能(néng)发展的一块基石。

研究团队透露，该技术目前已申请专利，下一步的目标是走向产业界。但要实现产业化，在写入和读取速度以及能(néng)源效率等多(duō)方面仍有(yǒu)待进一步提升，在大规模生产方面也需要继续摸索。（记者王烨捷）