一、ZB級冷數據存儲提出的挑戰

　　近年來，隨著大數據、云計算、物聯網、人工智能和傳統產業轉型等信息技術的迅猛發展，在促進經濟和社會快速發展的同時，也產生了爆炸式增長的數據量。根據數據在其生命周期中的位置及其價值維度，可將其劃分為“熱數據"、“溫數據"和“冷數據"。冷數據是指離線類不經常訪問的、但需要長期保存的數據，如人類文學藝術作品、科技成果、政府檔案、用于災難恢復的備份數據或因相關法規要求必須保留一段時間的企業、政府等的數據等。目前主流的冷數據存儲為硬盤、光盤、磁帶等，但面對海量數據的長期存儲，現有的存儲技術正在面臨嚴峻的挑戰。

　　1)存不下：據國際數據公司(IDC)2018年發布的報告，如圖1所示，到2025年全球數據總量將達到175 ZB(1 ZB=109 TB)。如果將175 ZB數據存儲到藍光光盤上，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硬盤來存儲這些數據，將需要230多億塊硬盤。

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

　　圖1 全球數據圈的年規模

　　二、冷數據的“記憶法"——飛秒激光光存儲技術

　　2003年，日本京都大學學者通過背散射電子圖像，在熔融石英內觀測到與激光偏振方向垂直排列的納米光柵結構。納米光柵可抽象成一種折射率不同、厚度不同的平板結構在空間內的交替排列，如圖2所示，呈現出典型的形序雙折射效應(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的飛秒激光偏振方向垂直，通過改變激光偏振方向直接調控納米光柵平面的方向。納米光柵的長度與激光的脈沖數與激光能量相關，可通過改變這兩個激光參量來改變相位延遲量，結合空間三維分布提供了一種玻璃內部五維高密度光存儲的技術(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在石英玻璃內部產生，天然具有耐高溫高壓、抗輻射、耐酸堿、對潮濕等嚴酷環境不敏感等優勢，不會像傳統存儲設備容易受到火災、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在冷數據存儲領域具有誘人前景。

　　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。一般的系統裝置如圖3(a)所示，通過液晶相位延遲片的4~5次轉動，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，但在配套伺服系統等方面還沒有發展起來，多次液晶延遲也損失了讀出速度，還需要對讀出數據層內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據結果。

　　三、飛秒激光光存儲當前挑戰

　　飛秒激光光存儲理論上擁有的存儲密度，但由于發展時間較短，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、和單點多比特個數相關。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、單點比特數與存儲容量的關系

　　(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負相關，如表2所示，減小單點脈沖數、提高單點存儲比特是關鍵。

　　表2 激光器重復頻率為10 MHz時最高寫入速度與脈沖數、單點比特數、并行寫入通道數的關系

　　（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據讀出時的串擾。此外，納米光柵的產生還伴隨著其他效應的產生，不可避免會引入Type I型、Type III型結構，都會影響讀取準確率。

　　圖4 飛秒激光光存儲技術制備的時間膠囊樣品

　　四、展望

　　飛秒激光光存儲要想實現理論上的百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，如何發展更多維度復用技術等;如何調控激光脈沖作用效率，提高數據寫入速度;如何提高雙折射信號處理能力，實現數據的快速、準確讀出等。目前，該技術正在向商業化推進，微軟已經與一些圖書館機構展開合作(《超人》復寫等)，我們也相信在不遠的將來，這項技術能夠在人類歷史、文學藝術、政企檔案、安保防護等需要長期存儲的領域得到廣泛應用。

　　參考文獻： 中國光學期刊網

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