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智東西2月19日?qǐng)?bào)道，微軟研究院今日在國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于新型玻璃存儲(chǔ)數(shù)據(jù)方法的突破性成果，能將信息保存至少10000年。
它證明，一塊12厘米寬、2毫米厚的方形玻璃，可以存儲(chǔ)4.8TB的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于大約200萬本印刷書籍。
微軟研究團(tuán)隊(duì)將這種基于飛秒激光玻璃直寫技術(shù)的綜合性歸檔數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)命名為Silica，稱其是“首個(gè)滿足生產(chǎn)級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)所有要求的玻璃基數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)”。
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-025-10042-w
領(lǐng)導(dǎo)微軟劍橋研究院“硅計(jì)劃”（Project Silica）的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Richard Black說，測(cè)試表明，這些數(shù)據(jù)在290攝氏度的溫度下可以保存1萬年，在室溫下則可能保存數(shù)十倍甚至數(shù)百倍。
麻省理工學(xué)院的生物工程師Mark Bathe認(rèn)為，這種“令人印象深刻”的玻璃基替代方案“原則上可以作為關(guān)鍵數(shù)據(jù)備份的近乎永久性歸檔存儲(chǔ)”。
北京大學(xué)計(jì)算合成生物學(xué)家錢瓏評(píng)價(jià)說，盡管玻璃存儲(chǔ)方法需要專門的硬件來寫入和讀取數(shù)據(jù)，但該論文表明，玻璃存儲(chǔ)已經(jīng)超越了材料實(shí)驗(yàn)的范疇，成為一種“可部署的歸檔系統(tǒng)”。
“通過展示一個(gè)完整的系統(tǒng)……他們展示了這項(xiàng)技術(shù)如何真正革新數(shù)據(jù)中心行業(yè)?！庇习财疹D大學(xué)光電子學(xué)研究員、曾與微軟合作開發(fā)玻璃存儲(chǔ)技術(shù)的Peter Kazansky談道。
一、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求呈爆炸式增長，磁帶和硬盤不適合長期存儲(chǔ)
微軟研究院的論文顯示，人類正以指數(shù)級(jí)速度產(chǎn)生數(shù)據(jù)，大約每3年翻一番。這些數(shù)據(jù)中有很多具有顯著的個(gè)人、商業(yè)或法律價(jià)值。
大多數(shù)數(shù)字檔案系統(tǒng)依賴于幾年內(nèi)就會(huì)降解的介質(zhì)。磁帶和硬盤都使用電磁鐵對(duì)金屬薄膜上的微小區(qū)域進(jìn)行磁化，微小的磁體很容易失去磁性，它們大約十年后就會(huì)老化，并不適合長期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
這導(dǎo)致數(shù)據(jù)必須定期遷移到新的介質(zhì)，而這一過程耗時(shí)、耗資且耗能巨大。
因此，尋找一種用于長期保存數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的替代技術(shù)至關(guān)重要。
玻璃是一種永久性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)材料，具有防水、耐熱和防塵的特性。在玻璃上讀取數(shù)據(jù)，比在硬盤上打開文件要復(fù)雜得多，但信息的安全性卻高得多。
“玻璃的優(yōu)點(diǎn)在于，一旦寫入，就無法更改。一切都搞定了?！盧ichard Black說道，這種設(shè)備的存儲(chǔ)無需溫度控制或維護(hù)。
利用飛秒技術(shù)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在玻璃內(nèi)部激光脈沖，是目前為數(shù)不多的有望實(shí)現(xiàn)持久、不可篡改且長壽命存儲(chǔ)的技術(shù)之一。
這是因?yàn)檫@種介質(zhì)本身具有熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，并能抵御潮氣侵入、溫度波動(dòng)和電磁干擾。
Peter Kazansky和他的同事們開發(fā)了激光寫入技術(shù)背后的物理原理，并保持著使用熔融石英制造的最耐用玻璃基數(shù)字存儲(chǔ)介質(zhì)的吉尼斯世界紀(jì)錄。其方法最大限度地提高了耐用性和數(shù)據(jù)密度。
微軟于2017年開始在此基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)。
二、在廚房炊具用的玻璃上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，2毫米厚玻璃能存4.8TB
在最新研究中，微軟研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于飛秒激光玻璃直寫技術(shù)的綜合性歸檔數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)Silica。
“據(jù)我們所知， Silica是首個(gè)已發(fā)表的采用玻璃的存儲(chǔ)技術(shù)，它在所有關(guān)鍵存儲(chǔ)指標(biāo)上均表現(xiàn)出色，并且是首個(gè)在寫入、讀取和解碼過程中均展現(xiàn)出可靠運(yùn)行能力的存儲(chǔ)技術(shù)?！蔽④浹芯繄F(tuán)隊(duì)在論文中寫道。
飛秒激光寫入技術(shù)能夠確保數(shù)據(jù)完整性（存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可無誤地檢索），并且采用該技術(shù)的存儲(chǔ)系統(tǒng)可保證極高的數(shù)據(jù)耐久性（數(shù)據(jù)不會(huì)因故障而丟失）。
在微軟的新研究之前，該技術(shù)僅適用于純?nèi)廴谑⒉Ａ?/strong>，而這種玻璃的制造難度相對(duì)較高，且來源有限。
微軟則探索了一種能夠?qū)崿F(xiàn)更快數(shù)據(jù)寫入和更可靠解碼的方法。與Project Silica之前的版本相比，該方法使用了更便宜、讀寫復(fù)雜度更低的硼硅酸鹽玻璃。
研究團(tuán)隊(duì)利用高能激光在一塊三維硼硅酸鹽玻璃上壓印出形變。每個(gè)形變都編碼著數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以通過顯微鏡讀取。
這種與廚房炊具和烤箱門所用材料相同的玻璃，很常見、易獲取，因此解決了商業(yè)化的關(guān)鍵障礙：存儲(chǔ)介質(zhì)的成本和可用性。
為了編碼信息，研究團(tuán)隊(duì)使用激光以極強(qiáng)的脈沖形式發(fā)射能量極高的光束，每次脈沖持續(xù)時(shí)間僅為幾千萬億分之一秒，精準(zhǔn)地照射玻璃表面的特定點(diǎn)，并控制能量大小。
據(jù)Richard Black解釋，每次照射都會(huì)產(chǎn)生“等離子體誘導(dǎo)的納米爆炸”，使玻璃發(fā)生形變，從而改變光在玻璃中的傳播方式。
研究人員利用這些微小的形變來寫入數(shù)據(jù)，然后使用顯微鏡讀取數(shù)據(jù)，顯微鏡能夠捕捉到光在穿過每個(gè)點(diǎn)時(shí)行為的變化。
新技術(shù)改進(jìn)顯著，能夠在一塊12厘米見方、僅2毫米厚的玻璃中存儲(chǔ)301層數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了1.59Gbit/mm3的數(shù)據(jù)密度，存儲(chǔ)容量達(dá)4.8TB。
所展示的寫入方案實(shí)現(xiàn)了每束激光25.6Mbit/s的寫入吞吐量（受限于激光重復(fù)頻率），能量效率為每比特10.1nJ。
以前玻璃讀取器需要3或4個(gè)攝像頭，而現(xiàn)在只需要1個(gè)攝像頭，從而降低成本并縮小尺寸。
此外，寫入設(shè)備所需的部件更少，使其更易于制造和校準(zhǔn)，并能更快地編碼數(shù)據(jù)。
▲用于從玻璃中讀取數(shù)據(jù)的研究級(jí)讀取器
三、兩種新型玻璃數(shù)據(jù)寫入方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)超過10000年
微軟研究團(tuán)隊(duì)展示了兩種基于雙折射體素和相位體素的新型玻璃數(shù)據(jù)寫入方案。這兩種方案均能最大限度地利用激光，最大限度地減少寫入每個(gè)體素所需的脈沖數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高寫入吞吐量、高能效和高密度。
全自動(dòng)化的寫入硬件、讀取硬件和解碼流程使其能夠在數(shù)十億個(gè)體素的規(guī)模下驗(yàn)證關(guān)鍵結(jié)果的穩(wěn)健性。
該團(tuán)隊(duì)通過使用FEC完全恢復(fù)用戶數(shù)據(jù)證明了Silica是一種可行的存儲(chǔ)系統(tǒng)，并通過加速老化實(shí)驗(yàn)表明，數(shù)據(jù)在室溫下可保存超過10000年。
▲特寫鏡頭展示了寫入器在激光脈沖上進(jìn)行高速多光束數(shù)據(jù)編碼
1、雙折射體素寫入進(jìn)展
對(duì)于之前在熔融石英玻璃中使用雙折射（即偏振）體素的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，微軟團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種技術(shù)，將形成體素所需的脈沖數(shù)從多個(gè)減少到僅2個(gè)，關(guān)鍵在于證明了第一個(gè)脈沖偏振對(duì)最終形成的體素的偏振并不重要。
該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了偽單脈沖寫入。在偽單脈沖寫入中，單個(gè)脈沖在設(shè)定其偏振后可以被分成兩路，同時(shí)形成一個(gè)體素的第一個(gè)脈沖（該體素的偏振無關(guān)緊要）和另一個(gè)體素的第二個(gè)脈沖（該體素的設(shè)定偏振很重要）。
微軟團(tuán)隊(duì)演示了如何利用這種偽單脈沖寫入技術(shù)，通過光束掃描實(shí)現(xiàn)介質(zhì)上的快速寫入。
2、相位體素，一種新型存儲(chǔ)方法
微軟團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種新型的玻璃數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，稱為相位體素。
在這種存儲(chǔ)方式中，改變的是玻璃的相位變化，而非偏振，并且僅需單個(gè)脈沖即可生成一個(gè)相位體素。
其研究證明，這種相位體素也可以在硼硅酸鹽玻璃中形成，并設(shè)計(jì)了一種從這種材料中編碼的相位體素中讀取相位信息的技術(shù)。
這項(xiàng)研究還證明，利用機(jī)器學(xué)習(xí)分類模型可以有效緩解相位體素中顯著更高的三維符號(hào)間干擾。
3、并行寫入能力
通過將玻璃內(nèi)部預(yù)熱和后熱的數(shù)學(xué)模型與多光束傳輸系統(tǒng)的發(fā)明相結(jié)合，微軟團(tuán)隊(duì)證明了可在玻璃內(nèi)部同時(shí)寫入多個(gè)相鄰的數(shù)據(jù)體素，從而顯著提高寫入速度。
其論文闡述了一種利用光發(fā)射（體素形成過程中的副產(chǎn)品）進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)控制的方法，以全面支持自動(dòng)寫入操作。
4、優(yōu)化和壽命測(cè)試
微軟研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種利用機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化符號(hào)編碼的新方法，以及一種更好地理解在評(píng)估新型數(shù)字存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)錯(cuò)誤率、錯(cuò)誤保護(hù)和錯(cuò)誤恢復(fù)之間權(quán)衡關(guān)系的方法。
此外，該團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)建了一種新的非破壞性光學(xué)方法。為了識(shí)別玻璃內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體素的老化情況，他們采用了這種方法以及標(biāo)準(zhǔn)的加速老化技術(shù)，以支持保存長達(dá)10000年的數(shù)據(jù)。
其研究擴(kuò)展了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的格雷碼，使其適用于非2的冪次方數(shù)量的符號(hào)。
結(jié)語：光存儲(chǔ)方法有望延長數(shù)據(jù)存儲(chǔ)期限
光存儲(chǔ)方法，特別是激光寫入玻璃等堅(jiān)固介質(zhì)的技術(shù)，已成為極具前景的替代方案，有望延長數(shù)據(jù)保存期限。
微軟研究院的新研究介紹了一種基于飛秒激光直接寫入玻璃的光歸檔存儲(chǔ)技術(shù)，能夠滿足歸檔存儲(chǔ)的實(shí)際需求。其結(jié)果表明，Silica有望成為數(shù)字時(shí)代的歸檔存儲(chǔ)解決方案。
未來，隨著讀寫解碼硬件、機(jī)器學(xué)習(xí)模型以及關(guān)鍵組件的商品化進(jìn)程不斷推進(jìn)，Silica可從中受益。底層技術(shù)尤其是飛秒激光器的進(jìn)步，將推動(dòng)該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
來源：Nature，微軟博客
