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光存儲能成為大數據時代的領航者嗎?

2020.07.03

(文章來源:澎湃新聞)


2020的新冠疫情防控,大數據毫無疑問提供了很大幫助。專家們分析了春節前后人口流向和規模,識別了疫情傳播渠道和防控重心??墒?,這種規模性的數據都是被怎么“藏”起來的呢?

小到銀行流水、社保單據,大到我們每個人的身份信息、檔案材料,這些需要長久保存、大體量的數據究竟通過什么方式被存儲和讀取的呢?磁帶和磁盤的常規存儲方式真的能勝任大數據時代數據的爆發性增長嗎?新的數據存儲方式又是怎么實現數據存儲的呢?

敬請期待數據儲存的追光之旅……


光存儲原理

所謂的光存儲,并不是簡單地把光給存儲起來,而是激光器發出一束激光,當激光遇到存儲材料時會發生物理或者化學反應,也就是說材料的性質發生了一定的變化,性質發生變化的位置點我們視為二進制數中的“1”;而激光沒有經過的地方,材料的特性保持不變,這些位置點我們視為二進制數中的“0”。當完成記錄后,光盤上就留下一串串的二進制數0011010101,這樣我們就成功的把數據刻錄在光盤上。當我們需要將記錄的數據信息讀出時,一束激光在經過記錄點“1”和非記錄點“0”時,兩者之間的折射率、熒光信號等材料性質不同,正是這種差異可以將記錄點和非記錄點區分開,從而成功獲取我們存儲的信息。


光碟——早期的光儲存

1982年,飛利浦公司研發出了光存儲的鼻祖CD(致密光碟),經過20多年的飛速發展,光盤的存儲容量也越來越大,1995年DVD問世,1999年藍光光盤也應運而生。

早期的光儲存原理為阿貝衍射極限公式:

代表光斑直徑; 代表所用激光波長; 代表物鏡的數值孔徑。光存儲的發展過程就是一個不斷減小激發光波長、不斷增大物鏡數值孔徑的過程,進而數據存儲容量不斷提升。


光盤存儲發展歷程[1]


現代光儲存技術

然而,上帝似乎太過寵溺光存儲這個“兒子”,不太愿意放手讓他自由飛翔快速成長,光存儲在藍光光盤問世后的十年間都鮮有突破。其主要原因有兩個方面:一是大多數材料在激發波長為400 nm以下的紫外波段有很強烈的線性吸收而很難響應;二是物鏡的數值孔徑也不能無線增大,大數值孔徑為1.49的物鏡已經接近蓋玻片的折射率,如果繼續增大,會因為折射率不匹配相差進而影響分辨率,進而會影響光盤的存儲密度和存儲容量。但是,不在沉默中爆發,就在沉默中滅亡,為了讓光存儲重振往日雄風,近些年來,許多科學家十年如一日,深耕光存儲研究,取得了該領域內的里程碑式的進展。


1、五個蘿卜一個坑——金納米棒中的五維光存儲

通常情況下,光存儲是“一個蘿卜一個坑”的一維存儲,也就是說一個位置點上只能存儲一個值,優點是簡單明了,但缺點是容量非常有限。2009年,來自澳大利亞的科學家另辟蹊徑,在金納米棒中成功實現了五個維度的光存儲,即在一個位置利用三種不同波長的激發光以及其對應的兩種不同偏振態的光分別進行數據的存儲,成功實現了“五個蘿卜一個坑”,大大提升了存儲數據的能力。

  

五維度光存儲[2]


2、“橡皮”擦出來的細“筆印”——超分辨光存儲

如果有一只已經被削的非常細的鉛筆,但是還想畫出更細的線條,怎么辦?如果將鉛筆削得更細則筆更容易折斷,很難滿足作畫的目的。面對這樣的問題,很多畫家聰明地選擇先畫出線條,然后用橡皮擦把線條擦得更細。一項重大的科學應用——超分辨光存儲借鑒了這樣的思維模式,很大程度上縮小了數據點的尺寸。

我們知道,用透鏡把激光光斑聚到一個點的時候,光斑尺寸有一個極小值,這個光斑叫做“艾里斑”,艾里斑很大程度上決定了我們刻寫的記錄點大小。但是,“挑剔”的科學家還是嫌棄刻寫的記錄點太大,無法滿足高密度大容量存儲的需求。2011年,一群來自德國的科學家在生物材料綠色熒光蛋白中利用受激發射損耗超分辨原理,即采用兩束激光,一束為實心的激發光,一束為空心的抑制光,激發光作用于樣品后會產生自發熒光,相當于鉛筆先畫了一條線。而后中空的抑制光與樣品相互作用使得該區域以受激輻射的方式回到基態,相當于橡皮擦把線條擦細。這樣,大大減小了有效激發的區域,即很大程度上可以減少記錄的數據點特征尺寸,從而極大地提升了存儲數據能力。

  

超分辨原理示意圖[3]

  

超分辨光存儲[4]


3、一片永流傳——玻璃光存儲

你知道嗎?日常生活中非常常見的玻璃,也是可以用來存儲數據的。和書本、照片、光盤等相比,玻璃存儲號稱可以存儲“上億年”,并且在幾百度的高溫下也不會融化,這也就意味著存儲在玻璃內部的數據可以永 久性保存。這其中用到的技術手段主要是用激光在玻璃內部刻畫出物理結構“納米光柵”來存儲數據。來自南安普頓大學的研究團隊已利用玻璃存儲把《圣經》、牛頓的《光學》,以及美國的《獨立宣言》寫進玻璃介質中,以期實現永 久存儲。

也許,多年后愛情的信物不再是鉆石,而是更加具有 永 久代表性的存儲玻璃。愛情恒久遠,一片永流傳!


寫在文末

金納米棒的五維存儲從增加維度方面出發提升存儲容量,超分辨存儲從減小數據點的特征尺寸方面出發提升存儲容量,玻璃存儲從設計新的微納結構出發提升存儲容量。這些技術都是對傳統光存儲的重要突破,將存儲容量提升到一個新的維度。

大數據時代已經到來,我們都需要直面挑戰。如果不能將海量的數據存儲起來,將會是一場災難;光存儲是極具發展潛力的一種存儲技術,未來,陸陸續續還會有多種多樣的技術手段來不斷提升光存儲的容量。

光存儲,一種綠色節能高 效的數據存儲方式,將在大數據時代承擔領航者的角色,為人類文明記憶保存提供堅實保障!


參考文獻:

[1] GU M, LI X. The road to multi-dimensional bit-by-bit optical data storage [J]. Optics & Photonics News, 2010, 21(6): 28-33.

[2] ZIJLSTRA P, CHON J W M, GU M. Five-dimensional optical recording mediated by surface plasmons in gold nanorods [J]. Nature, 2009, 459(7245): 410-3.

[3] 姜美玲, 張明偲, 李向平, et al. 超分辨光存儲研究進展 [J]. 光電工程, 46(03): 82-93.

[4] GROTJOHANN T, TESTA I, LEUTENEGGER M, et al. Diffraction-unlimited all-optical imaging and writing with a photochromic GFP [J]. Nature, 2011, 478(7368): 204-8.

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