中国科学家历时7年开发“超级光盘” 全球首次实现PB量级光存储

中国科学家历时7年开发“超级光盘” 全球首次实现PB量级光存储 中国科研团队在超大容量超分辨三维光存储研究中取得突破性进展上海光机所研究员阮昊手持研究成果存储与人类文明息息相关，大脑就是一个大容量存储器。在AI时代，存储更是智慧的基础。传统商用光盘的最大容量在百GB量级，如今，中国科研团队在超大容量超分辨三维光存储研究中取得突破性进展，全球首次实现PB量级超大容量光存储，1PB相当于1000TB，也相当于100万GB，相当于把数据中心机柜缩小到一张光盘上。中国科学院上海光学精密机械研究所（以下简称“上海光机所”）与上海理工大学等科研单位合作，研究团队利用国际首创的双光束调控聚集诱导发光超分辨光存储技术，实验上首次在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制，实现了点尺寸为54nm、道间距为70nm的超分辨数据存储，并完成了100层的多层记录，单盘等效容量达PB量级。这对于我国在信息存储领域突破关键核心技术、实现数字经济可持续发展具有重大意义。相关研究成果于2月22日发表在《自然》（Nature）杂志。全世界最前沿的科学难题数据就像石油一样存在地下，什么时候要用数据，什么时候就把它开采出来。“数据的增长还在延续摩尔定律并且飞速发展，预计明年全球会产生175ZB数据，1Z就相当于100万PB。”论文通讯作者、上海光机所研究员阮昊以科研为例，不管是上海光机所的羲和激光装置，还是“中国天眼”，其产生的数据都是海量的。科研数据、财务数据是典型的冷数据，访问频率低。“80%的数据都是冷数据，需要低成本的存储。”阮昊介绍，目前存储的方式有磁存储、光存储和半导体存储。半导体存储适合热数据存储，用于冷数据存储的成本高昂。而光存储技术具有绿色节能、安全可靠、寿命长达50-100年的独特优势，适合长期低成本存储海量数据。然而受衍射极限的限制，信息点无法进一步缩小，导致传统商用光盘的最大容量仅在百GB量级。“在CD、DVD时代，光盘很热，这几十年沉淀了，就是衍射极限突破不了。”阮昊表示。2021年《科学》（Science）发布的全世界最前沿的125个科学问题中，突破衍射极限限制在物理领域高居首位。在信息量日益增长的大数据时代，突破衍射极限、缩小信息点尺寸、提高单盘存储容量成为光存储的不懈追求。1994年，德国科学家Stefan W. Hell教授提出受激辐射损耗显微技术，首次证明光学衍射极限能够被打破，2014年获得了诺贝尔化学奖。经过20多年发展，这一技术已在显微成像、激光纳米直写等领域实现了光学超分辨成果，信息的超分辨写入已经得到了解决。然而，传统染料在聚集状态下极易发生荧光猝灭，造成信息丢失，在纳米尺度下还存在被背景噪声湮没的难题，导致超分辨的信息难以读出，通常依赖电镜扫描的读出方式，限制了超分辨技术在光存储领域中的应用。因此，发展可同步实现超分辨写、超分辨读、三维存储及长寿命介质是10多年来光存储研究领域亟待解决的难题。手握6部“武功秘籍”，坐了7年冷板凳上世纪八十年代，上海光机所干福熹院士开创了我国数字光盘存储技术的研究，研究团队一直深耕光存储领域。但要攻克超大容量超分辨三维光存储，“这个课题太难了，我们一共做了7年，很多人都认为可能做不出来。”阮昊坦言。论文共同第一作者、上海光机所博士后赵苗在上海光机所硕博连读，将这个课题从头坚持到尾，“我当时想，如果我把这件事做出来，我应该能跟别人拉开距离。”前排从左至右：论文通讯作者阮昊，共同第一作者赵苗。为此，阮昊为赵苗配备了一众“高手”重新给他打基础。别人只有1个导师，赵苗却有6个，“就像最顶级的武功秘籍，别人只有一部，我有6部，我一直学。”但研究了三四年仍然没有令人惊喜的结果。“后来想想算了，要不就这么做下去，不行就拉倒。”“不行就拉倒”这句话意味着，如果没有成果，赵苗连硕士文凭也拿不到。在这样的境地下，他仍然坚持科研，白天约不到张江的实验室，就晚上做实验。上海光机所位于上海嘉定，而实验室位于上海张江，赵苗数不清这条路走了多少来回。7年甘坐冷板凳，研究团队最终基于双光束超分辨技术及聚集诱导发光存储介质，在信息写入和读出方面均突破了衍射极限的限制，实现了点尺寸为54nm、道间距为70nm的超分辨数据存储，并完成了100层的多层记录，单盘等效容量约1.6PB。经老化加速测试，光盘介质寿命大于40年，加速重复读取后荧光对比度仍高达20.5：1。光盘实物照片这是国际上首次实现PB量级的超大容量光存储。“我们的材料是完全透明的，所以能发挥光的优点，可以三维存储。原来一个数据中心的容量就是1PB，现在我们相当于把一个机柜缩小到一张光盘上。”阮昊表示。此次研究成果有助于我国在存储领域突破关键核心技术，将在大数据数字经济中发挥作用。论文审稿人评价称，该研究成果可能会带来数据中心档案数据存储的突破，解决大容量和节能的存储技术难题。“虽然我们在国际上完成了双光束超分辨存储的原理验证，但真正实现产业化还有较长的路要走，产业化还需要大量资金，要解决很多工程性问题。”阮昊表示，比如读出设备要做得更小，读出速度要更快，材料也有优化空间。未来研究团度将加快原始创新和关键技术攻关，推动超大容量光存储的集成化和产业化进程，并拓展其在光显微成像、光显示、光信息处理领域的交叉应用。 ... PC版： 手机版：

海量数据如何存储？中国科学家实现光存储Pb量级首次突破

海量数据如何存储？中国科学家实现光存储Pb量级首次突破 近日，中国科学院上海光学精密机械研究所（下称“上海光机所”）与上海理工大学等科研单位合作，在超大容量超分辨三维光存储研究中取得突破性进展。这对我国在信息存储领域突破关键核心技术、实现数字经济的可持续发展具有重大意义。相关研究成果于2月22日发表在《自然》（Nature）杂志。这是国际上首次实现Pb量级的超大容量光存储。仅仅20克透明轻薄的光盘，来源：《自然》小空间存更多数据所谓存力，是以数据存储为核心，包含性能表现、安全可靠、绿色低碳在内的综合数据存储服务能力，是激活数据要素的核心动能。本次成果中，研究团队利用国际首创的双光束调控聚集诱导发光超分辨光存储技术，实验上首次在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制，实现了点尺寸为54nm、道间距为70nm的超分辨数据存储，并完成了100层的多层记录，单盘等效容量达Pb量级，对于我国在信息存储领域突破关键核心技术、实现数字经济的可持续发展具有重大意义。该论文第一作者单位为上海光机所，通讯作者为上海光机所阮昊研究员和上海理工大学光子芯片研究院院长顾敏院士，上海理工大学文静教授。上海光机所博士后赵苗和上海理工大学文静教授为并列第一作者。项目得到了上海市科委和国家重点研发计划等支持。阮昊对第一财经解释道，光存储技术具有绿色节能、安全可靠、寿命长达50~100年的独特优势，非常适合长期低成本存储海量数据，然而受到衍射极限的限制，传统商用光盘的最大容量仅在百GB量级。在信息量日益增长的大数据时代，突破衍射极限、缩小信息点尺寸、提高单盘存储容量长久以来一直都是光存储领域的追求。1994年德国科学家Stefan W. Hell教授提出受激辐射损耗显微技术，首次证明了光学衍射极限能够被打破，并在2014年获得诺贝尔化学奖，经过20多年的发展，在显微成像、激光纳米直写等多个领域实现了光学超分辨成果，信息的超分辨写入已经得到了解决。从光学显微技术到光存储技术，都被光学衍射极限所限制。在2021年Science发布的全世界最前沿的125个科学问题中，突破衍射极限限制更是在物理领域高居首位。该超分辨光盘的成功研制在信息写入和读出都突破了这一物理学难题，有助于我国在存储领域突破关键核心技术，将在大数据数字经济中发挥重大作用，以满足信息产业领域的重大需求。“所以这一次我们解决了光存储领域信息写入和读出均受衍射极限限制的问题，实现了超分辨的记录，极大地提高了光存储的密度和容量。因为单盘的容量是1. 6个Pb，相当于1万张蓝光光盘，这是一个突破性的进展，为大数据存储提供了绿色节能长寿命的方案。”研究人员告诉记者，他们也和目前的硬盘、光盘技术进行了一些对比，在技术性能上提高了最高的光存储面密度，可以在数据中心档案存储上实现突破性应用，解决大容量和节能的存储技术难题。《自然》审稿人的评价该成果道：“这是一种具有突破性创新的Pb级光存储技术…”“与现有其它技术相比，该技术在性能方面提供了最高的光存储面密度…”“研究成果可能会带来数据中心档案数据存储的突破，解决大容量和节能的存储技术难题…”。（来源：上海光机所）帮数据中心处理“冷数据”随着算力作为数字经济时代新的生产力迅速发展，各地也在加码布局数据中心。近年来，我国算力相关政策密集出台。2020年4月，国家发改委首次将智算中心等算力基础设施纳入“新基建”的范畴；2021年5月，国家发改委等四部门联合发布了《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》，首次提出全国算力网络枢纽节点布局；2022年2月，国家发改委等三部门同意了京津冀、长三角、粤港澳大湾区等8地启动国家算力枢纽节点建设，并规划了10个国家数据中心集群，标志着“东数西算”工程正式启动。就在近日，国家发改委、国家数据局、中央网信办、工信部、国家能源局五部门日前联合印发《深入实施“东数西算”工程加快构建全国一体化算力网的实施意见》（下称《实施意见》），提出到2025年底，普惠易用、绿色安全的综合算力基础设施体系初步成型。而在数据的分类中，有热数据、冷数据、温数据等。“冷数据”一般指的是那些时效性需求不太高的，“热数据”是对处理时间要求高、需要立刻做决策并运算的，例如自动驾驶、远程医疗等，“温数据”则是介于“冷数据”和“热数据”之间的。阮昊对记者解释，他们的成果主要存储的就是冷数据。“在所有数据中，80%以上都是冷数据，这些数据使用频率很少，但是需要永久保存，比如大科学装置做出来的实验数据。这类实验做一次非常不容易，这些访问速率没那么快但是又很重要的数据都要安全性地保存，我们的成果主要用在这类数据上面，因此特别适合数据中心的使用。”他补充举例，像处理热数据的固态硬盘、手机存储卡、存储条都很贵，处理百分之十几的温数据可以用磁存储、磁硬盘，另外80%冷数据就可以用光盘。Pb级光盘制备及读写方式示意图，来源：《自然》研究团队介绍，未来他们将加快原始创新和关键技术攻关，推动超大容量光存储的集成化和产业化进程，并拓展其在光显微成像、光显示、光信息处理领域的交叉应用，产出更多更优秀的创新成果。“关于产业化我们计划是5年左右应该有一个可以用的光盘和机器给消费者看。这当然也需要企业界和科研界一起努力。”阮昊说。 ... PC版： 手机版：

中科院院士段路明团队在量子研究领域取得重要突破 《自然》官网发表

中科院院士段路明团队在量子研究领域取得重要突破 《自然》官网发表 段路明院士（右一）指导学生实验。清华大学 供图研究团队介绍，离子阱系统被认为是最有希望实现大规模量子模拟和量子计算的物理系统之一，多个实验验证了离子量子比特的高精密相干操控，该系统的规模化被认为是主要挑战。清华段路明研究组利用低温一体化离子阱技术和二维离子阵列方案，大规模扩展离子量子比特数，提高离子阵列稳定性，首次实现512离子二维阵列的稳定囚禁和边带冷却，并首次对300离子实现可单比特分辨的量子态测量。研究人员进而利用300个离子量子比特实现可调耦合的长程横场伊辛模型的量子模拟计算。长程横场伊辛模型，是一类重要的量子多体模型，有助于理解量子信息、凝聚态物理等领域的基本问题，也可用于求解优化问题等现实应用。该工作实现了国际上最大规模具有单比特分辨率的多离子量子模拟计算，将该研究组保持的离子量子比特数国际记录（61离子），往前推进了一大步，首次实现基于二维离子阵列的大规模量子模拟。研究人员还对该模型的动力学演化进行量子模拟计算，300个离子量子比特同时工作时，所能执行的计算复杂度达到2的300次方，超越经典计算机的直接模拟能力。该实验系统为进一步研究多体非平衡态量子动力学这一重要难题提供了强大的工具。 ... PC版： 手机版：

【中科院研制超高分辨率量子点发光二极管打开“元宇宙”通路】

【中科院研制超高分辨率量子点发光二极管打开“元宇宙”通路】 福州大学教授李福山团队联合中科院宁波材料技术与工程研究所研究员钱磊，将有序分子自组装技术和转移印刷技术相结合，制备出高性能的超高分辨率量子点发光二极管。相关成果日前在线发表于《自然光子学》。 开发具有千级乃至万级PPI（每英寸所拥有的像素数目）、可在微小空间输出海量信息的极高分辨率显示器，是进入“元宇宙”的重要途径。 该研究中，科研人员利用有序分子自组装技术实现了致密无缺陷的量子点单层膜，并结合转移印刷技术实现了亚微米级像素的超高分辨率量子点显示，其最高分辨率达到~25000PPI（人眼极限分辨率约为300PPI），可轻松制备出亚微米级像素的超高分辨率量子点发光二极管。

研究人员提出了基于原子尺度缺陷的永久数据存储新途径

研究人员提出了基于原子尺度缺陷的永久数据存储新途径 通过聚焦离子束将信息写入光学活性原子缺陷（左图），并利用阴极发光或光致发光（右图）读取信息。资料来源：M. Hollenbach, H. Schultheiß研究小组在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）杂志上报告说，这些缺陷是由聚焦离子束产生的，具有空间分辨率高、写入速度快、存储单个比特能量低等特点。据最新估计，每天产生的新数据约为 3.3 亿 TB，仅在过去两年中就产生了全球 90% 的数据。如果说单纯的数字已经表明需要先进的数据存储技术，那么这绝不是与这一发展相关的唯一问题。当前存储介质的存储时间有限，需要在几年内进行数据迁移，以避免数据丢失。HZDR 离子束物理与材料研究所的 Georgy Astakhov 博士说："除了陷入永久数据迁移程序之外，这还大大增加了能源消耗，因为在此过程中会消耗大量能源。"为了缓解这一迫在眉睫的危机，Astakhov 的团队现在引入了一种基于碳化硅原子级缺陷的长期数据存储新概念。这些缺陷由聚焦的质子或氦离子束造成，并利用与缺陷相关的发光机制进行读取。传统存储设备如何受物理学制约目前，磁性存储器是追求大容量的数据存储解决方案的首选，但物理定律为可实现的存储密度设定了限制。要提高存储密度，就必须缩小磁性颗粒的尺寸。但这样一来，材料中的热波动和扩散过程就变得越来越重要，对存储时间的影响也越来越大。调整材料的磁性可能会抑制这种影响，但这是有代价的：存储信息的能量更高。同样，光学设备的性能也受到物理定律的制约。由于所谓的衍射极限，最小记录位的大小受到限制：它不能小于光波长的一半，这就设定了最大存储容量的极限。出路在于多维光学记录。碳化硅具有原子尺度的缺陷，尤其是晶格部位没有硅原子。这些缺陷是由聚焦的质子或氦离子束产生的，具有空间分辨率高、写入速度快、存储单个比特的能量低等特点。光学介质固有的存储密度衍射限制同样适用于这种的情况。研究人员通过 4D 编码方案克服了这一限制。在这里，通过控制横向位置和深度以及缺陷数量，实现了三个空间维度和额外的第四个强度维度。然后，他们通过光激发引发的光致发光来读出存储的数据。此外，通过聚焦电子束激发可观察到阴极发光，从而大大提高了存储密度。世代存储数据怎样实现根据介质保存的环境条件，存储的信息可能会再次从缺陷中消失，但考虑到他们的材料，科学家们等到了一个好消息。Astakhov说："这些缺陷的失活与温度有关，这表明在环境条件下，这些缺陷的保留时间最短可达几代。还有更多。利用近红外激光激发、现代编码技术和多层数据存储（即在多达十层碳化硅层上相互堆叠），研究小组达到了与蓝光光盘相当的面积存储密度。在数据读出时，改用电子束激发而不是光学激发，这种方式所能达到的极限相当于目前报道的原型磁带的记录面积存储密度，但存储时间更短，能耗更高。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

韩国科学技术院研发出用于神经形态计算的新型超低功耗存储器

韩国科学技术院研发出用于神经形态计算的新型超低功耗存储器 韩国科学技术院（KAIST）（院长 Kwang-Hyung Lee）4 月 4 日宣布，电气工程学院 Shinhyun Choi 教授的研究团队开发出了下一代相变存储器*设备，具有超低功耗的特点，可以取代 DRAM 和 NAND 闪存。相变记忆体指的是一种存储和/或处理信息的存储器件，利用热量将材料的结晶状态改变为非晶态或结晶态，从而改变其电阻状态。现有的相变存储器存在一些问题，如制造高比例器件的制造工艺昂贵，运行时需要大量电力。为了解决这些问题，Choi 教授的研究团队开发出了一种超低功耗相变存储器件，它不需要昂贵的制造工艺，而是通过电学方法形成非常小的纳米（nm）级相变丝。这一新研发成果具有突破性的优势，不仅加工成本极低，而且还能以超低功耗运行。DRAM 是最常用的存储器之一，速度非常快，但具有易失性，当电源关闭时数据就会消失。存储设备 NAND 闪存的读/写速度相对较慢，但它具有非易失性特点，即使在电源切断时也能保存数据。图 1.本研究开发的超低功耗相变存储器件的图示，以及新开发的相变存储器件与传统相变存储器件的功耗对比。资料来源：韩国科学技术院新兴纳米技术与集成系统研究所另一方面，相变存储器结合了 DRAM 和 NAND 闪存的优点，具有高速和非易失性的特点。因此，相变存储器作为可替代现有存储器的下一代存储器备受瞩目，目前正被作为一种存储器技术或模拟人脑的神经形态计算技术而积极研究。然而，传统的相变存储器件在运行时需要消耗大量电能，因此难以制造出实用的大容量存储器产品或实现神经形态计算系统。为了最大限度地提高存储器件运行时的热效率，以前的研究工作主要集中在通过使用最先进的光刻技术缩小存储器件的物理尺寸来降低功耗，但这些研究在实用性方面受到了限制，因为功耗的改善程度微乎其微，而成本和制造难度却随着每次改进而增加。为了解决相变存储器的功耗问题，Shinhyun Choi 教授的研究团队创造了一种在极小面积内电形成相变材料的方法，成功实现了超低功耗相变存储器件，其功耗比使用昂贵的光刻工具制造的传统相变存储器件低 15 倍。Shinhyun Choi 教授对这项研究未来在新研究领域的发展充满信心，他说："我们开发的相变存储器件意义重大，因为它提供了一种新颖的方法，可以解决生产存储器件过程中的遗留问题，同时大大提高制造成本和能源效率。我们期待我们的研究成果能成为未来电子工程的基础，实现包括高密度三维垂直存储器和神经形态计算系统在内的各种应用，因为它开辟了从多种材料中进行选择的可能性。我要感谢韩国国家研究基金会和国家纳米实验室中心对这项研究的支持。"4 月 4 日，国际著名学术期刊《自然》（Nature）4 月刊发表了这项研究的论文，KAIST 电气工程学院博士生 See-On Park 和博士生 Seokman Hong 作为第一作者参与了这项研究。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：