編輯｜冷貓

人類有一種執(zhí)念，就是將我們引以為傲的文明數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)的保留下去。從旅行者一號(hào)的金唱片開始，這一切都被附上了一層浪漫色彩。

這張金唱片以聲音和圖像的形式描繪地球生命。在發(fā)射時(shí)，制作人薩根博士表示：「只有在星際空間中存在先進(jìn)的太空文明時(shí)，太空船才會(huì)被發(fā)現(xiàn)，唱片才會(huì)播放，但將這個(gè)瓶子發(fā)射到宇宙海洋中，表明了這個(gè)星球上的生命非常有希望。」

在旅行者探測(cè)器離開地球的那一刻起，就意味著這張記載人類文明信息的唱片將在宇宙中無(wú)盡地漂流，遇到另一個(gè)行星系統(tǒng)還有 40000 年的時(shí)間。而這張唱片的設(shè)計(jì)保存時(shí)長(zhǎng)有十億年。

眾所周知，磁盤硬盤為主的數(shù)字存儲(chǔ)介質(zhì)雖然能夠保存海量的數(shù)據(jù)，但是壽命和穩(wěn)定性卻不盡如人意。而用傳統(tǒng)的模擬信號(hào)，幾乎等同于將信息雕刻在物理介質(zhì)上，搭載的信息又極其受限。就像這張金唱片，只能搭載少量的音頻和圖像信息。

有沒(méi)有一種辦法，能夠用物理介質(zhì)搭載模擬信息的辦法，來(lái)保存更多的數(shù)字信息呢？

微軟主導(dǎo)的研究項(xiàng)目 Project Silica 給出了一個(gè)非常出色的答案。他們將目光投向了一個(gè)全新的存儲(chǔ)介質(zhì)：玻璃。

將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在玻璃上聽起來(lái)很未來(lái)，很浪漫。但其實(shí)這個(gè)概念可以追溯到 19 世紀(jì)，將攝影負(fù)片保存在玻璃板上的技術(shù)。不過(guò)，在光學(xué)技術(shù)極其發(fā)達(dá)的今天，一塊玻璃板已經(jīng)能夠存儲(chǔ)令人驚訝的數(shù)據(jù)量。

根據(jù)微軟研究團(tuán)隊(duì)的信息，Project Silica 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在一塊120 毫米見方、2 毫米厚的玻璃中存儲(chǔ)了301 層的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)密度為1.59 Gbit?mm?3容量達(dá)到了驚人的 4.8 TB

寫入模式實(shí)現(xiàn)了每束光 25.6 Mbit?s?1 的寫入吞吐量，受激光重復(fù)頻率限制，能量效率為每比特 10.1 nJ。 此外，研究團(tuán)隊(duì)將存儲(chǔ)能力擴(kuò)展到硼硅酸鹽玻璃，提供了一種成本更低的中介材料，并降低了寫入和讀取的復(fù)雜性。

對(duì)硼硅酸鹽中寫入的體素進(jìn)行的加速老化測(cè)試表明，數(shù)據(jù)壽命超過(guò) 10,000 年

Project Silica 是第一種滿足生產(chǎn)存儲(chǔ)系統(tǒng)所有要求的基于玻璃的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。該研究已經(jīng)在 Nature 發(fā)布。

• 論文標(biāo)題：Laser writing in glass for dense, fast and efficient archival data storage
• 論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-025-10042-w

玻璃是三維的

為什么玻璃能夠作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)？

首先，現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)十分精細(xì)的能量控制，同時(shí)玻璃具有熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠抵抗?jié)駳馇秩?、溫度波?dòng)和電磁干擾。并且，其熔融特性能夠?qū)崿F(xiàn)局部光學(xué)性質(zhì)的改變。

和傳統(tǒng)物理介質(zhì)最大的不同在于，玻璃是三維的

相比于我們最熟悉的物理介質(zhì)存儲(chǔ)的最原始形態(tài)，也就是石碑，只能在一個(gè)表面雕刻信息，玻璃能夠?qū)崿F(xiàn)多層的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，將三維空間中的體積全都利用起來(lái)。

由像素向體素的飛躍，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域是質(zhì)的變化。

系統(tǒng)架構(gòu)示意圖： a, 數(shù)據(jù)由用戶接收。這些數(shù)據(jù)被準(zhǔn)備為比特流，例如，使用壓縮、加密和 FEC。b, 比特被編碼為符號(hào)。一個(gè)符號(hào)對(duì)應(yīng)于調(diào)制器配置。c,d, 玻璃樣品被加載到寫入子系統(tǒng)中，隨著激光束相對(duì)于玻璃移動(dòng)，調(diào)制器設(shè)置隨時(shí)間變化。符號(hào)逐層寫入，從下往上，填充玻璃的整個(gè)厚度。e, 數(shù)據(jù)可以安全地存儲(chǔ)在玻璃中超過(guò) 10,000 年。f, 為了讀取，我們使用帶有相機(jī)的自動(dòng)化顯微鏡來(lái)捕獲每個(gè)體素二維層的圖像。g, 圖像被傳遞到解碼器以恢復(fù)用戶數(shù)據(jù)。

過(guò)去，玻璃存儲(chǔ)依賴的是雙折射體素（birefringent voxel）通過(guò)超短激光改變?nèi)廴谑?nèi)部的偏振結(jié)構(gòu)，把信息編碼進(jìn)材料。問(wèn)題在于，形成一個(gè)體素往往需要多次脈沖疊加，工藝復(fù)雜，效率受限。

微軟團(tuán)隊(duì)首先在飛秒激光寫入系統(tǒng)上動(dòng)刀：研究者把形成體素所需的脈沖數(shù)壓縮到兩次，并證明第一次脈沖的偏振方向并不會(huì)決定最終體素的偏振結(jié)果。這個(gè)看似細(xì)節(jié)的發(fā)現(xiàn)，其實(shí)釋放了巨大的工程空間。

在此基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步提出「?jìng)螁蚊}沖寫入」—— 將一個(gè)已經(jīng)設(shè)定好偏振的激光脈沖分裂成兩束，使其同時(shí)充當(dāng)一個(gè)體素的關(guān)鍵脈沖和另一個(gè)體素的輔助脈沖。配合光束掃描系統(tǒng)，寫入過(guò)程從精細(xì)雕刻式的點(diǎn)狀加工，演化為可以高速連續(xù)推進(jìn)的工業(yè)級(jí)流程。玻璃存儲(chǔ)第一次在寫入效率上顯露出規(guī)?；瘽摿?。

這一方法運(yùn)用于高純石英玻璃，對(duì)材料的要求更高，成本更高。

一種用于將數(shù)據(jù)高速寫入玻璃的科研級(jí)寫入設(shè)備，創(chuàng)下了記錄。

但更具突破性的，是他們提出了一種全新的存儲(chǔ)形態(tài)：相位體素（phase voxel）

與依賴偏振變化的雙折射體素不同，相位體素通過(guò)改變玻璃內(nèi)部的相位結(jié)構(gòu)來(lái)編碼信息，而且只需單個(gè)激光脈沖即可形成。這不僅進(jìn)一步簡(jiǎn)化了寫入流程，還拓寬了材料邊界。研究團(tuán)隊(duì)證明，相位體素不僅能在熔融石英中生成，也能在更常見的硼硅酸鹽玻璃中實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)，他們?cè)O(shè)計(jì)了新的光學(xué)讀取方案，用以解析嵌入材料內(nèi)部的相位信息。需要指出的是，相位體素在三維空間中會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的符號(hào)間干擾，這是高密度三維存儲(chǔ)不可避免的副作用。為此，研究者引入機(jī)器學(xué)習(xí)分類模型，對(duì)讀出信號(hào)進(jìn)行判別和糾錯(cuò)，把原本的物理串?dāng)_問(wèn)題轉(zhuǎn)化為可被算法消化的信號(hào)處理問(wèn)題。材料科學(xué)與人工智能在這里真正發(fā)生了耦合。

一種用于從玻璃中讀取數(shù)據(jù)的科研級(jí)讀取設(shè)備。

當(dāng)寫入機(jī)制與存儲(chǔ)形態(tài)得到革新之后，論文將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向規(guī)模化能力。玻璃內(nèi)部在激光作用下會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的預(yù)熱與后熱過(guò)程，這種熱場(chǎng)相互影響長(zhǎng)期限制了體素的鄰近寫入。

研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上發(fā)明多光束傳輸系統(tǒng)，使多個(gè)數(shù)據(jù)體素能夠在空間上相鄰、時(shí)間上同步地寫入，從而顯著提升整體吞吐速度。更有意思的是，他們利用體素形成時(shí)產(chǎn)生的光發(fā)射現(xiàn)象，作為寫入過(guò)程的實(shí)時(shí)反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)校準(zhǔn)與動(dòng)態(tài)控制。這意味著系統(tǒng)不再只是「盲寫」，而是具備自我監(jiān)測(cè)與自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，向真正的自動(dòng)化寫入系統(tǒng)邁進(jìn)。

利用雙折射體素，在石英玻璃中，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了 1.59 Gbit?mm?3 的數(shù)據(jù)密度（每片盤的可用容量為 4.84 TB，體素間距為 0.500 μm × 0.485 μm，層間距為 6 μm，301 層，8 個(gè)方位級(jí)別，0.85 品質(zhì)因數(shù)），寫入吞吐量為 25.6 Mbit?s?1，寫入效率為每比特 10.1 nJ。

利用相位體素，在硼硅酸鹽玻璃中，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了 0.678 Gbit?mm?3 的數(shù)據(jù)密度（可用容量每盤 2.02 TB，體素間距 0.5 μm × 0.7 μm，層間距 7 μm，258 層，4 個(gè)能量級(jí)別，0.92 品質(zhì)因子），寫入吞吐量為 18.4 Mbit?s?1 ，寫入效率為每比特 8.85 nJ。此外，多束系統(tǒng)通過(guò)四束并行寫入實(shí)現(xiàn)了 65.9 Mbit?s?1 的吞吐量，且不會(huì)引起熱損傷。

寫入設(shè)備特寫，展示激光脈沖的高速多束數(shù)據(jù)編碼。

最后，我們把視角拉回?cái)?shù)字存儲(chǔ)系統(tǒng)本身。

研究者提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的符號(hào)編碼優(yōu)化方法，用以系統(tǒng)性地權(quán)衡錯(cuò)誤率、錯(cuò)誤保護(hù)強(qiáng)度與恢復(fù)能力之間的關(guān)系。更關(guān)鍵的是，他們開發(fā)了一種新的非破壞性光學(xué)檢測(cè)手段，用于識(shí)別玻璃內(nèi)部體素的老化狀態(tài)，并結(jié)合加速老化實(shí)驗(yàn)，給出了支持?jǐn)?shù)據(jù)保存 10,000 年的實(shí)證依據(jù)。

封存在玻璃中的文明

「僅五千年前，我們才開始使用文字。如果你思考一下將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)一萬(wàn)年的意義，那簡(jiǎn)直是一個(gè)極其漫長(zhǎng)的時(shí)間?！刮④浗艹龉こ處?Ant Rowstron 如此評(píng)價(jià)團(tuán)隊(duì)的工作。

在保存人類文明這樣浪漫的事上，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始了他們的嘗試。微軟 Project Silica 團(tuán)隊(duì)與一家創(chuàng)業(yè)公司合作，將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于他們?cè)谂餐雇郀柊腿簫u的全球音樂(lè)寶庫(kù)。

他們使用基于二氧化硅的玻璃板，創(chuàng)建一個(gè)耐用的檔案庫(kù)，不僅能夠抵抗電磁脈沖和極端溫度，而且相當(dāng)環(huán)保。這個(gè)寶庫(kù)將補(bǔ)充像全球種子寶庫(kù)和北極世界檔案館這樣的存儲(chǔ)設(shè)施，為音樂(lè)遺產(chǎn)提供一個(gè)全面的庇護(hù)所 —— 從古典歌劇到現(xiàn)代熱門歌曲和原住民作品。

Project Silica 的目標(biāo)，是把數(shù)據(jù)寫入一塊玻璃，然后像檔案一樣放在架子上，直到真正需要時(shí)再取出讀取。一旦寫入完成，玻璃內(nèi)部的數(shù)據(jù)將無(wú)法被篡改

玻璃存儲(chǔ)技術(shù)最突出的特點(diǎn)之一，是極高的空間效率。如今的數(shù)據(jù)中心往往是龐大的基礎(chǔ)設(shè)施集群，而玻璃存儲(chǔ)所需的物理空間卻只是其中的一小部分。Richard Black 表示：「我們?cè)?Project Silica 開發(fā)的技術(shù)，可以在極其緊湊的形態(tài)中存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)。這是一種全新的效率與可持續(xù)性范式?！瓜啾刃枰掷m(xù)供電、冷卻和維護(hù)的大型存儲(chǔ)陣列，玻璃板更像是高密度、低運(yùn)維成本的長(zhǎng)期檔案介質(zhì)。

目前，玻璃存儲(chǔ)技術(shù)已經(jīng)能夠在一塊玻璃板上存儲(chǔ)數(shù) TB 數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá) 10,000 年的保存時(shí)間。這在超長(zhǎng)期存儲(chǔ)介質(zhì)中是難以想象的。

或許，用一個(gè)玻璃數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)封裝人類文明的全部精華，已經(jīng)不是遙不可及的夢(mèng)想。