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【导语】中科院在超大容量超分辨三维光存储领域取得重大突破，该成果被两院院士评选为2024年中国十大科技进展新闻。文静研究员接受了采访，详细解析了光存储的工作原理、纳米光存储的优势与挑战，以及光存储与硬盘存储的未来展望。这一突破性技术有望为数据存储领域带来革命性变革。

中科院在超大容量超分辨三维光存储研究中取得突破性进展，被两院院士评选为2024年中国十大科技进展新闻。采访到了文静研究员，以下为采访实录：

1.光存储是如何实现的？

光盘呢，如果我们用显微镜去观察光盘的表面，你会发现有很多坑。

然后光盘写入的过程，是用激光和盘面的材料相互作用，然后烧灼出这些坑，然后这是一个写入的过程。

那么光盘的容量是由这些坑的大小来决定，坑越小的话它的容量就越大越高。

普通的光存储比如说DVD蓝光的话，它写入的时候是通过一束激光，和我们盘面的材料相互作用，然后去打坑，就是光照过来就是一个坑，然后相当于信息点写入了。

最后读出来的时候，也是用激光照射到这个盘面上，然后根据照射到这个坑反射过来的光的强度，来判断到底是有信息进去还是没有信息进去，就是根据这个原理再读出来。

这是一个普通光盘的写入和读出的原理。

2.那么纳米光存储相较普通的光存储，有何不同之处？

纳米光子存储的话，主要体现在我们信息点的大小。

我们这个盘面上如果信息点的大小越小的话，相当于整个盘面它就能容得下更多的点，这样就代表了我们存储的容量。所以我们纳米光子存储单点的，就是每一个信息点的写入尺寸可以到54纳米，这个是突破了我们一个物理学上的，光学的衍射极限的限制。所以大容量是指，就是说我们把这个点的大小缩得越小的话，那么整个盘面它的容量就越大。

我们跟普通的光盘还不太一样，普通的光盘是有一些坑，然后它是实现不了多层的，顶多它目前的商用的蓝光，新一代的蓝光，它最多能实现单面的3到5层，这是最新的一个公司里面的技术。

我们这个光盘它是一种透明的材质，意味着光可以渗透到盘面的材料里面很深的地方，所以我们可以做到多层，就是多到我们实际上验证的是100层。

3.进行多层读写的话，不会产生混淆吗？

不会，我们会有一些光机电的控制，就是说光和材料它是有位移的，就是用光机电系统去控制它，所以可以做到多层。

包括普通的光盘里面DVD蓝光，它里面是有伺服系统，也就是说它有光机电系统去控制，激光头和材料之间的间(jiān)距(jù)，距(jù)离(lí)来(lái)控(kòng)制(zhì)它(tā)到(dào)底(dǐ)，这(zhè)个(gè)信(xìn)息(xi)点(diǎn)写(xiě)在(zài)了(le)盘(pán)面(miàn)的(de)，到(dào)底(dǐ)是(shì)哪(nǎ)个(gè)地(de)方(fāng)，是(shì)这(zhè)样(yàng)的(de)。

所(suǒ)以(yǐ)它(tā)不(bù)会(huì)层(céng)跟(gēn)层(céng)之(zhī)间(jiān)有(yǒu)一(yī)个(gè)分(fēn)不(bù)清(qīng)的(de)地(de)方(fāng)。

另(lìng)外(wài)就(jiù)是(shì)我(wǒ)们(men)论(lùn)文里也验证了不同的层，然后我们会，相当于我刚才提到的这个盘它是透明的，然后我们跟普通的蓝光DVD不一样的地方，是蓝光DVD它基本上是根据反射的信号，我们因为是透明的，所以我们相当于里面是用到一种荧光材料，也就是一(yī)种(zhǒng)颜(yán)色(sè)的(de)光(guāng)先(xiān)入(rù)到(dào)这(zhè)个(gè)材(cái)料(liào)上(shàng)面(miàn)，然(rán)后(hòu)我(wǒ)们(men)这(zhè)个(gè)材(cái)料(liào)再(zài)发(fā)出(chū)另(lìng)外(wài)一种颜色的光，用这样的原理可以实现三维的光存储。

4.纳米光存储在读写的时候，是一层层的写，读的时候也是一层层的读吗？

您说的很对，写就是一层一层地写进去，然后如何实现一层一层地写，然后里面是有很精密的，需要用到很精密的光机电系统，然后去控制我们里面的激光和材料它的相对位置，因为光它会被聚焦到一个很小的点，然后我们里面还用到了双光束，相当于两束光，然后都被聚焦到一个，它会先聚焦，然后这个点，然后看这个点，我们最后会用光机电系统去控制，聚焦的点和材料之间的一个空间位置，来实现不同层的写入，是这样的。

5.目前纳米光存储的光盘，各种性能发展的如何？

目前的话就是我们实验上验证的，就是单点54纳米，然后我们两点之间的间距，70纳米的一个实验结果。

另外里面我们实现100层的写入和读出，所以这样算下来就单张光盘的等效容量，为1.6PB的一个容量。

那么什么是PB呢？它是约等于10的15次方个比特。

那么这是一个什么概念，相当于是简单一点来说的话，比如说我们可以用这样一张光盘，可以把中国国家图书馆里面4000多万册的图书，全部都存在一张光盘里面，而用老的光盘技术它是实现不了的。

我们的1.6PB容量是根据我们光盘的面积来算，这个面积就是跟普通的DVD的面积一样的情况下，我们的容量是1.6PB，这个容量相当于8000张普通蓝光光盘容量，也相当于100个普通的硬盘的容量。

6.纳米光存储的发展，目前还面临着哪些困难和难(nán)题(tí)？

现(xiàn)在(zài)的(de)限(xiàn)制(zhì)是(shì)我(wǒ)们(men)前(qián)期(qī)的(de)成(chéng)果(guǒ)，已(yǐ)经(jīng)解(jiě)决(jué)了(le)容(róng)量(liàng)密(mì)度(dù)就(jiù)是(shì)存(cún)储(chǔ)密(mì)度(dù)的(de)问(wèn)题(tí)，也(yě)就(jiù)是(shì)解(jiě)决(jué)了(le)容(róng)量(liàng)的(de)问(wèn)题(tí)，但(dàn)是(shì)相(xiāng)当(dāng)于(yú)是(shì)我(wǒ)们(men)要(yào)把(bǎ)这(zhè)么(me)多(duō)容(róng)量的数据，把它存到光盘上面，它还有一个时间，存在一个时间的问题，就是我需要花多长时间，把这么大容量的数据存进去，然后再花多长的时间再把它读出来，所以(yǐ)这(zhè)就(jiù)是(shì)一(yī)个(gè)读(dú)取(qǔ)，写(xiě)入(rù)速(sù)度(dù)和(hé)读(dú)取(qǔ)速(sù)度(dù)。

后(hòu)期(qī)我(wǒ)们(men)会(huì)就(jiù)写(xiě)入(rù)速(sù)度(dù)和(hé)读(dú)取(qǔ)速(sù)度(dù)的(de)问(wèn)题(tí)，做(zuò)进(jìn)一(yī)步(bù)的(de)研(yán)究(jiū)，然(rán)后(hòu)去(qù)突(tū)破(pò)一(yī)个(gè)这(zhè)样(yàng)的(de)难(nán)题(tí)，才(cái)可(kě)以(yǐ)让(ràng)我(wǒ)们的纳米光子存储技术，然后发挥到它更大的潜力。

7.为什么早期的光盘，现在基本没什么人使用了？

我说一下大众的心理，可能很多人就在想，我很方便的在淘宝买一个1TB的硬盘对吧，我为什么还要去用光盘，确实，对我来说我也觉得不需要光盘，因为现在的光盘一张大概是30到50GB，那么相当于是我买一个1TB硬盘的话，相当于30张光盘的容量，所以想起来，如果我再用光盘去存，然后很麻烦，我还要一张一张光盘给放到光驱里面，然后里面30张光盘的容量才能相当于1TB的硬盘，所以这样用起来很麻烦，是这样。

所以换我也不可能再去用光盘了，就不乐意去用。

那么现在不一样了，我们这个技术是突破了容量，相当于是我们反超了硬盘容量的问题，我们后期如果是可以落地的话相当于是，我们用一张光盘就相当于是用了100个硬盘了，这就不一样了，特别是对数据中心来说，这个意义就更不一样了。

8.光存储还有哪些其他优点值得我们去大力发展？

光盘，当然它有它独特的优点，相当于磁盘硬盘闪存来说它的能耗要低很多，然后另外它的寿命要长，可以用到几十年到一百年的时间，一般的电存储的话，它的寿命可能达不到这么久的时间，一般是像在数据中心的话，一般是5年就需要把数据再重新，腾到另外的电存储的器件上了，5年会做一次备份，所以这样算下来的话，这是一个资源的巨大的浪费，还有一个能耗的巨大浪费，我们独特的优点就是它的能耗低，然后寿命长，比较适合于冷数据的存储，如果后期的话把读取速度的问题突破，如果能做到优于硬盘的话，我们相当于(yú)不(bù)仅(jǐn)可(kě)以(yǐ)用(yòng)于(yú)冷(lěng)数(shù)据(jù)存(cún)储(chǔ)，也(yě)可(kě)以(yǐ)用(yòng)于(yú)热(rè)数(shù)据(jù)存(cún)储(chǔ)。

热(rè)数(shù)据(jù)的(de)话(huà)相(xiāng)当(dāng)于(yú)是(shì)大(dà)众(zhòng)用(yòng)的(de)比(bǐ)较(jiào)多(duō)，比(bǐ)如(rú)说(shuō)硬(yìng)盘(pán)，然(rán)后(hòu)相(xiāng)当(dāng)于(yú)是(shì)我(wǒ)接到电脑里面，我去备份一下我的照片，比如说我一年里面我可能频繁的调用照片，或者每隔几天我会看一次，那么这个是热数据，按照我访问这个数据的频率，来界定它到底是热数据还是冷存数据，比如说像档案馆里面或者是我做一些备份，然后我先放进去，然后可能几个月去看一次，这个叫冷数据存储，而现在实际上冷数据存储，这一块的需求量还是挺大的，因为实际上随着这个数据量越来越多，其实我们也知道很多数据，我们看过一次之后可能就不再看了，是这样。

**9.**光存储和硬盘存储，在未来它们有没有可能被对方完全替代？

我觉得还是各有优缺点，一个是电存储，它有它的优势是，它跟电脑计算机，因为它是用电的方式去做计算，所以电存储它可以跟电脑结合的更密切一点。

我们光存储是以光的方式进行信息存储，它需要先把电转化为光，然后光再和材料相互作用，它里面有一个光电的转换，所以这里面多了这一步，但是我们光存储也有光存储独特的优点，就是刚才提到的，它的能耗低，它的寿命长，它的成本低，它的成本也会低很多，因为一张光盘大家知道其实还是挺便宜的，对吧。

我们现在研发的这种材料，它也挺便宜的，也有成本低的一个优点，如果是留存大容量的历史数据的话，肯定还是光存储它的各方面性能比较好，就是能耗低，然后耗电量低代表它的成本也低，然后它本身造价也低，本身造价的成本也低，然后另外它的存储的寿命长，意味着不需要频繁的进行数据的转换，因为电存储它去转换又涉及到成本了，这里面有几个成本的概念。

几百倍，我们之前是有表，几百倍一千倍说不好说，这个多少倍也根据数据存储数(shù)据量来说，数据量越大，我们的成本就节省得更多，所以得看情况。

本文为·创作培育计划扶持作品

受访人：文静

审核：姬扬 浙江大学物理学院 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司