智東西
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智東西2月19日?qǐng)?bào)道，微軟研究院今日在國(guó)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(wàn)本印刷書(shū)籍。

微軟研究團(tuán)隊(duì)將這種基于飛秒激光玻璃直寫(xiě)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(chēng)其是“首個(gè)滿(mǎn)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(shuō)，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(wàn)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(qián)瓏評(píng)價(jià)說(shuō)，盡管玻璃存儲(chǔ)方法需要專(zhuān)門(mén)的硬件來(lái)寫(xiě)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(guò)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?guó)南安普頓大學(xué)光電子學(xué)研究員、曾與微軟合作開(kāi)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(zhǎng)，磁帶和硬盤(pán)不適合長(zhǎng)期存儲(chǔ)

微軟研究院的論文顯示，人類(lèi)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(lài)于幾年內(nèi)就會(huì)降解的介質(zhì)。磁帶和硬盤(pán)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(zhǎng)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(guò)程耗時(shí)、耗資且耗能巨大。

因此，尋找一種用于長(zhǎng)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(pán)上打開(kāi)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(xiě)入，就無(wú)法更改。一切都搞定了。”Richard Black說(shuō)道，這種設(shè)備的存儲(chǔ)無(wú)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(zhǎng)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(kāi)發(fā)了激光寫(xiě)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(kāi)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(kāi)發(fā)了一種基于飛秒激光玻璃直寫(xiě)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(xiě)入、讀取和解碼過(guò)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(xiě)道。

飛秒激光寫(xiě)入技術(shù)能夠確保數(shù)據(jù)完整性（存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可無(wú)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(lái)源有限。

微軟則探索了一種能夠?qū)崿F(xiàn)更快數(shù)據(jù)寫(xiě)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(xiě)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(guò)顯微鏡讀取。

這種與廚房炊具和烤箱門(mén)所用材料相同的玻璃，很常見(jiàn)、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(wàn)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?zhuān)看握丈涠紩?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(lái)寫(xiě)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(guò)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(jiàn)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(xiě)入方案實(shí)現(xiàn)了每束激光25.6Mbit/s的寫(xiě)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(xiě)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(xiě)入方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)超過(guò)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(xiě)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(xiě)入每個(gè)體素所需的脈沖數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高寫(xiě)入吞吐量、高能效和高密度。

全自動(dòng)化的寫(xiě)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(guò)使用FEC完全恢復(fù)用戶(hù)數(shù)據(jù)證明了Silica是一種可行的存儲(chǔ)系統(tǒng)，并通過(guò)加速老化實(shí)驗(yàn)表明，數(shù)據(jù)在室溫下可保存超過(guò)10000年。

▲特寫(xiě)鏡頭展示了寫(xiě)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(xiě)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(kāi)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(xiě)入。在偽單脈沖寫(xiě)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(wú)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(xiě)入技術(shù)，通過(guò)光束掃描實(shí)現(xiàn)介質(zhì)上的快速寫(xiě)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(chēng)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(lèi)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(xiě)入能力

通過(guò)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(xiě)入多個(gè)相鄰的數(shù)據(jù)體素，從而顯著提高寫(xiě)入速度。

其論文闡述了一種利用光發(fā)射（體素形成過(guò)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(xiě)入操作。

4、優(yōu)化和壽命測(cè)試

微軟研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(zhǎng)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(yǔ)：光存儲(chǔ)方法有望延長(zhǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)期限

光存儲(chǔ)方法，特別是激光寫(xiě)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(zhǎng)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(xiě)入玻璃的光歸檔存儲(chǔ)技術(shù)，能夠滿(mǎn)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(lái)，隨著讀寫(xiě)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(lái)源：Nature，微軟博客