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當(dāng)前位置:浙江以象科技有限公司>>技術(shù)文章>>突破電存儲(chǔ)限制:人工智能浪潮-新型光存儲(chǔ)技術(shù)
隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng),、云計(jì)算以及人工智能的快速發(fā)展,我們仿佛置身于一片浩瀚的數(shù)據(jù)海洋中,,生活中新產(chǎn)生的信息,、圖片亦或是視頻,,都在不斷地對數(shù)據(jù)海洋進(jìn)行擴(kuò)充,,永無止境……然而,數(shù)據(jù)的不斷劇增也給人們的日常生活帶來了一系列的問題,,例如:數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量的不足,、硬件的存儲(chǔ)密度亟需提升等等。為了更好地存儲(chǔ)和管理海量的數(shù)據(jù),、提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度,,基于低功率激光束與介質(zhì)相互作用,使得介質(zhì)的某種性質(zhì)(如反射率,、反射光極化方向等)發(fā)生改變,,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)的新型光存儲(chǔ)技術(shù)吸引了人們的廣泛關(guān)注。
圖1 存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展示意圖:從傳統(tǒng)光盤存儲(chǔ)到固態(tài)硬盤存儲(chǔ),,再到新型光存儲(chǔ)
如圖1所示為存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展示意圖,。光存儲(chǔ)技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代,經(jīng)歷了CD,、DVD以及BD三代產(chǎn)品更新迭代,。隨后,,全固態(tài)硬盤(SSD)、硬盤(HHD)等存儲(chǔ)技術(shù)的快速發(fā)展,,其存儲(chǔ)密度,、容量不斷增大和成本不斷降低,逐漸取代了傳統(tǒng)光存儲(chǔ),,從此傳統(tǒng)光存儲(chǔ)市場開始走向衰弱,。隨著人工智能黃金時(shí)代到來,AI大模型訓(xùn)練的需求,,數(shù)據(jù)成為了一種剛需,。根據(jù)國際數(shù)據(jù)的預(yù)測合作(IDC)2018年,全球數(shù)據(jù)將增至到2025年為175 ZB,,到2035年為2142 ZB,。而主流的數(shù)據(jù)保存方法,例如傳統(tǒng)的硬盤和磁帶等存儲(chǔ)方法,,面臨著存儲(chǔ)壽命和能耗方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),,難以勝任龐大的現(xiàn)實(shí)需求。此時(shí),,全息光存儲(chǔ)技術(shù),、多維光存儲(chǔ)、超分辨率光存儲(chǔ)等新型技術(shù)憑借其強(qiáng)大的離線存儲(chǔ)能力,、巨大的數(shù)據(jù)容量和持久的存儲(chǔ)壽命,,在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域的重要性日益凸顯,同時(shí)相關(guān)的研究開發(fā)也成為了全球相關(guān)研究團(tuán)體及科技公司的關(guān)注焦點(diǎn) [1],。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的未來:新型光存儲(chǔ)技術(shù)
1994年德國科學(xué)家Stefan W. Hell教授提出受激輻射損耗顯微技術(shù)[1],,第一次證明了光學(xué)衍射極限能夠被打破,并在2014年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),。突破了傳統(tǒng)光盤存儲(chǔ)的物理限制,,實(shí)現(xiàn)更高存儲(chǔ)密度、更快讀寫速度,、更長保存壽命和更低能耗的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案,,進(jìn)而滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代對海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求,人們也針對全息光存儲(chǔ),、多維光存儲(chǔ),、超分辨率光存儲(chǔ)等新型光存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域開展了一系列的研發(fā)攻關(guān),并取得了較為豐碩的成果,。
(1) 全息光存儲(chǔ)技術(shù)
如圖2所示,,全息光存儲(chǔ)技術(shù)通過兩束激光的干涉現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ),可以將二維數(shù)據(jù)頁圖案存儲(chǔ)在三維體空間中,從而提升存儲(chǔ)密度和數(shù)據(jù)存取速度,,在這一過程中,,一束激光(信號光束)攜帶待存儲(chǔ)的信息,通過與另一束未攜帶信息的激光(參考光束)相遇,,產(chǎn)生干涉條紋,,這些條紋作為信息的光學(xué)編碼,被記錄在特殊的光敏材料上,,形成全息圖,。當(dāng)需要讀取信息時(shí),只需用參考光束照射全息圖,,即可重建出原始的信號光束,,從而恢復(fù)出存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)[1-3]。全息光存儲(chǔ)技術(shù)的現(xiàn)世,,立刻引發(fā)了科研人員以及產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注,,在眾多領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域,,在大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下,,對于存儲(chǔ)密度和存取速度的需求日益增長。例如,,美國InPhase公司于2001年推出基于角度復(fù)用的全息光驅(qū)Tapestry,。在2006年實(shí)現(xiàn)了光驅(qū)的容量為300 GB,讀寫速率為20 MB/s的全息光存儲(chǔ)技術(shù),。該公司研發(fā)的雙化學(xué)體系的Tapestry材料,,經(jīng)加速老化試驗(yàn)測試,預(yù)期在25 ℃環(huán)境中,,保質(zhì)期為10年,,存檔壽命為33年。2017年之后,,東京理科大學(xué)和廣東紫晶信息存儲(chǔ)技術(shù)股份有限公司聯(lián)合開發(fā)了基于球面波參考光,,單臂離軸全息光存儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用50 mm×50 mm的記錄介質(zhì),,其容量約為300 GB。
圖2 (a) 全息光存儲(chǔ)示意圖,,(b)全息光學(xué)存儲(chǔ)機(jī)
(2)多維光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
多維光存儲(chǔ)的復(fù)用維度,、存儲(chǔ)光盤及讀取原理如圖3所示。相較DVD藍(lán)光等二維(2D)光學(xué)存儲(chǔ)方式,,三維(3D)光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)充分利用各向同性材料的體積,,可以在材料內(nèi)部的任何位置存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí),,為了進(jìn)一步超越存儲(chǔ)容量的限制,,研究人員在傳統(tǒng)空間三維之外探索其他維度,,這些維度包括了光的振幅、頻率(波長),、相位,、偏振以及光波前的其它物理參量等,它們都可以攜帶和記錄信息,,涉及了基于雙折射,、等離子體共振和熒光等光學(xué)特性的方法。如圖3(a)所示,,目前,,已經(jīng)開發(fā)出的復(fù)用維度包括介質(zhì)的三維空間、偏振,、波長以及光強(qiáng),。其中包括基于金納米棒的波長、偏振,、三維空間復(fù)用的五維度光存儲(chǔ),,以及基于納米光柵結(jié)構(gòu)的偏振、光強(qiáng),、三維空間復(fù)用的五維度光存儲(chǔ),。但受限于材料對光各個(gè)參數(shù)的響應(yīng)不同,六維度光存儲(chǔ)技術(shù)一直未得以實(shí)現(xiàn),,另外光的軌道角動(dòng)量特性雖然已被用在量子存儲(chǔ)上,,但在數(shù)據(jù)長效存儲(chǔ)上并未得以實(shí)現(xiàn)[4]。
例如,,韓國和法國的科研團(tuán)隊(duì)合作發(fā)明了一種在玻璃里用激光“寫"數(shù)據(jù)的技術(shù),。這種技術(shù)可以在玻璃的不同層上存儲(chǔ)數(shù)據(jù),就像是在書架的每一層上都放書一樣,。浙江大學(xué)和之江實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合團(tuán)隊(duì)利用超快激光誘導(dǎo)非晶化相變的局部光學(xué)相位調(diào)制,,在材料表面制造出微小的結(jié)構(gòu),通過控制這些結(jié)構(gòu)的形狀和顏色,,就能存儲(chǔ)數(shù)據(jù),。通過圖像識(shí)別進(jìn)行高速數(shù)據(jù)提取,達(dá)到了大約1.2 Gb/s,,并且準(zhǔn)確度高達(dá)約99.7%,,無需依賴昂貴且復(fù)雜的光學(xué)分析系統(tǒng)和信號處理過程,有效緩解了多維光存儲(chǔ)技術(shù)數(shù)據(jù)讀取速度慢的問題[5],。在實(shí)際應(yīng)用中,,多維光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)可以應(yīng)用于海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、結(jié)構(gòu)色打印、多功能衍射光學(xué)元件,、矢量全息,、多維信息加密等場景,具有廣泛的應(yīng)用前景,。
圖3 (a) 多維光存儲(chǔ)的復(fù)用維度示意圖[1] ,,(b) 多維光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)光盤及讀取原理
(3)超分辨光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
光學(xué)衍射極限是光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵障礙,它決定了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的最小單元尺寸,。為了克服這一限制,,科學(xué)家們一直在探索新的技術(shù)路徑。其中,,超分辨光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的出現(xiàn),,為我們提供了一種全新的解決方案。這項(xiàng)技術(shù)通過創(chuàng)新的光學(xué)手段,,突破了傳統(tǒng)光學(xué)衍射的束縛,,使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)點(diǎn)的尺寸可以做得更小,從而大幅提升了存儲(chǔ)密度[6, 7],。
2015年,,李向平、曹耀宇等人運(yùn)用雙光束超分辨技術(shù)實(shí)現(xiàn)超大容量的光存儲(chǔ),,將800 nm飛秒超快光源作為記錄光束,,375 nm連續(xù)激光作為抑制光束,在玻璃基板上實(shí)現(xiàn)了最小33 nm的記錄點(diǎn),,實(shí)現(xiàn)大大提高了存儲(chǔ)面密度[7],。目前,前沿的超分辨光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)是上海光學(xué)精密機(jī)械研究所阮昊研究員團(tuán)隊(duì)和上海理工大學(xué)顧敏院士聯(lián)合的一種雙光束調(diào)控聚集誘導(dǎo)發(fā)光超分辨光存儲(chǔ)技術(shù)[8],,實(shí)驗(yàn)上第一次在信息寫入和讀出均突破了衍射極限的限制,,實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)尺寸為54 nm、道間距為70 nm的超分辨數(shù)據(jù)存儲(chǔ),,并完成了100層的多層記錄,,單盤等效容量達(dá)Pb量級,這相當(dāng)于把一個(gè)小型數(shù)據(jù)中心機(jī)柜縮小到一張光盤上,,這一成果不僅極大地提高了存儲(chǔ)效率,,而且對于應(yīng)對大數(shù)據(jù)時(shí)代日益增長的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求具有重要的戰(zhàn)略意義。
圖4 (a) 衍射的限制,,(b) 超分辨光信息存儲(chǔ)技術(shù)示意圖
總結(jié)
在人工智能驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化時(shí)代背景下,,光存儲(chǔ)技術(shù)的革新正扮演著至關(guān)重要的角色。超分辨光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù),,作為其中的楷模,正以其很好的存儲(chǔ)密度、速度和安全性,,為海量數(shù)據(jù)的長期保存提供了強(qiáng)有力的保障,。該技術(shù)通過突破光學(xué)衍射的傳統(tǒng)限制,實(shí)現(xiàn)了在更小單位體積內(nèi)存儲(chǔ)更多信息的可能,,極大地提升了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的效率和可靠性[9-10],。同時(shí),隨著全息光存儲(chǔ),、多維光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等技術(shù)的相繼問世,,我們見證了光存儲(chǔ)技術(shù)的一次重大飛躍,它們?nèi)缤瑪?shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域的“文藝復(fù)興",,不僅極大地豐富了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的策略,,也為信息的快速存取和高度安全提供了新的解決方案。這些技術(shù)的發(fā)展,,預(yù)示著未來個(gè)人和企業(yè)將能夠以更低的成本,、更便捷的方式管理和維護(hù)龐大的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。此外,,這些新興光存儲(chǔ)技術(shù)在推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的同時(shí),,也為人工智能的進(jìn)一步探索和創(chuàng)新提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。它們?nèi)缤刈o(hù)數(shù)字世界的“超級英雄",,以其“超能力"共同維護(hù)著信息的安全和秩序,。隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和應(yīng)用的不斷深入,超分辨光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)將在構(gòu)建未來社會(huì)的信息基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮更加核心的作用,,為人類在數(shù)字時(shí)代的自由探索和創(chuàng)新活動(dòng)提供堅(jiān)實(shí)的支撐,。
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