信息存儲技術(shù)的前行之路

沈臻懿

數(shù)字化在成為社會未來發(fā)展主流趨勢的同時，也帶動了數(shù)據(jù)信息存儲技術(shù)的發(fā)展與變革。無論是在十余年前處于絕對壟斷地位的3.5英寸軟盤，還是如今不斷更新?lián)Q代的信息存儲技術(shù)，都詮釋著人們對于信息保存時間更為長久、保存方式更為安全、保存介質(zhì)更為穩(wěn)定、保存成本更為低廉的不懈追求。與此同時，科學(xué)家們也在不斷探索數(shù)據(jù)信息存儲技術(shù)的新方式，以進(jìn)一步增強(qiáng)信息存儲的時間、容量與安全穩(wěn)定性。

鏡頭下的信息存儲新技術(shù)探索

《墨鏡》作為一部英國科幻電視連續(xù)劇，出現(xiàn)過一幕經(jīng)過藝術(shù)加工與夸張的信息存儲新技術(shù)畫面。在這部影片中，未來的人類都可以在頭部植入一塊記憶存儲芯片，其經(jīng)歷過的所有事情都會以視頻形式予以存儲，并可隨時調(diào)取、觀看與回放。

這一關(guān)于信息存儲技術(shù)的畫面，雖帶有較大的藝術(shù)夸張成分，卻折射出了人類社會對于信息存儲新技術(shù)的探索愿景。從石壁上的巖畫、泥板上的刻字，到造紙術(shù)的問世，再到如今的計算機(jī)存儲，人類社會在進(jìn)化與發(fā)展的數(shù)千年歷程中，一直采用各類手段來儲存信息并記錄歷史。對于當(dāng)代人而言，不少人幾乎每天都要與計算機(jī)、智能手機(jī)親密接觸。這些信息化設(shè)備在廣泛應(yīng)用的同時，各類信息化數(shù)據(jù)的存儲技術(shù)也在悄然發(fā)生著巨變。

不曾停歇的信息存儲技術(shù)發(fā)展

計算機(jī)自誕生之日起，信息儲存技術(shù)就在其中扮演著不可或缺的角色。存儲介質(zhì)也從最初的穿孔紙帶、數(shù)據(jù)磁帶，逐漸演變?yōu)闄C(jī)械硬盤、軟盤、光盤、閃存、U盤、固態(tài)硬盤等。對于任何一名有著十余年網(wǎng)齡的互聯(lián)網(wǎng)用戶而言，必然都感受并經(jīng)歷過不曾停歇的信息儲存技術(shù)大變革。

20世紀(jì)末時，人們普遍拿著一張3.5英寸軟盤來存儲文件資料。3.5英寸軟盤是U盤問世前，個人計算機(jī)中最早使用的可移動存儲介質(zhì)。誠然，其讀寫速度極為緩慢，一分多鐘的時間內(nèi)僅能復(fù)制1M大小左右的數(shù)據(jù)；容量也小得可憐，僅為1.44MB左右。但3.5英寸軟盤也曾是個人計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，有過極為輝煌的歷史，且在可移動存儲技術(shù)中占據(jù)了十余年的絕對壟斷地位。直至2002年U盤問世后，3.5英寸軟盤才退出歷史舞臺。如今，信息存儲技術(shù)的更新?lián)Q代，使得存儲介質(zhì)的體積越來越小，容量則越來越大，且讀寫速度也更為迅速。目前，128GB的U盤已隨處可見；不少臺式電腦中都裝配了4TB容量的機(jī)械硬盤；較為高端的智能手機(jī)與平板電腦則擁有256GB的內(nèi)存空間。

1956年，人類歷史上首款硬盤驅(qū)動器問世。其外觀近乎一臺洗衣機(jī)，重量更是達(dá)到了龐大的一噸之重，售價則每臺超過5000美元。但更為驚人的是，如此龐然大物的存儲容量僅僅只有5MB。半個多世紀(jì)后的今天，市場上常見的機(jī)械硬盤多為3.5英寸的臺式機(jī)硬盤或者2.5英寸的筆記本硬盤。其體積相較于初代設(shè)備幾乎可忽略不計，但單塊容量可達(dá)到4TB以上，其存儲容量足足擴(kuò)大了100萬倍左右，可輕松裝下數(shù)千部高清電影。

不過，即使是在體積和容量上已發(fā)生了翻天覆地的變化，硬盤存儲技術(shù)仍未停下其前行的腳步。曾幾何時，機(jī)械硬盤一直占據(jù)著硬盤存儲技術(shù)的壟斷主導(dǎo)地位。但近兩年來，原本作為高端產(chǎn)品的固態(tài)硬盤已逐步走下“神壇”，并動搖了機(jī)械硬盤的絕對壟斷地位。相較于機(jī)械硬盤而言，固態(tài)硬盤不僅更為穩(wěn)定，且體積更小，讀寫速度更快！隨著各項技術(shù)的成熟以及應(yīng)用的不斷普及，固態(tài)硬盤在容量持續(xù)擴(kuò)容的同時，價格也在不斷向著“親民化”的方向發(fā)展，并為越來越多的普通民眾所使用。

除了機(jī)械硬盤、固態(tài)硬盤等計算機(jī)需要使用的存儲介質(zhì)外，閃存卡的進(jìn)化則代表了智能手機(jī)領(lǐng)域中信息存儲技術(shù)的飛速發(fā)展。1987年，日本東芝公司研發(fā)的首款閃存卡，容量僅僅只有40MB。如今，作為閃存卡技術(shù)之一的micro SD卡僅有指甲蓋大小，并出現(xiàn)了400GB容量的高速閃存卡。其傳輸速度高達(dá)每秒100MB，1分鐘內(nèi)即可傳輸1200張照片之巨！

信息存儲新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)與未來變革

數(shù)字化時代在成為社會未來發(fā)展主流趨勢的同時，也帶動了數(shù)據(jù)信息存儲技術(shù)的發(fā)展與變革?？茖W(xué)家們不斷探索數(shù)據(jù)信息存儲的新方式，以便能夠進(jìn)一步拓展信息存儲的時間與容量。在這些新技術(shù)、新手段中，有的側(cè)重于新型存儲介質(zhì)的探索，有的則側(cè)重于數(shù)據(jù)信息存儲條件的研究。

DNA生物介質(zhì)存儲新技術(shù)

“DNA是否可以對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行編碼、儲存？”對于這一設(shè)想，很多人或許都會認(rèn)為其只是一個玩笑。但在不久的將來，DNA或許就會如同U盤一般用來存儲信息?？茖W(xué)研究表明，紙質(zhì)書籍載體上的信息可以保存數(shù)百年；竹簡上的信息可保存兩千年；石頭上的信息則可以保存一萬年之久。但對于DNA生物介質(zhì)而言，理論上其對于信息的保存可持續(xù)至物種滅亡為止！

除可長期保存的性能外，DNA生物存儲新技術(shù)的主要發(fā)展優(yōu)勢，還在于DNA所具有的穩(wěn)定性高、耐用性好以及密度大的特點。DNA是一種優(yōu)良的存儲介質(zhì)。一克重量DNA的存儲容量高達(dá)驚人的200PB，約等于10萬塊2TB容量的移動硬盤的總和。據(jù)統(tǒng)計，全世界范圍內(nèi)所保存的數(shù)字化信息容量約為16萬億GB，由超過300個大型數(shù)據(jù)中心予以存儲。不過，若是使用DNA生物介質(zhì)存儲技術(shù)來保存這些海量數(shù)據(jù)信息，可能僅僅只需要三個小盒子大小的DNA就足以保存全部數(shù)字化信息。

從原理上而言，DNA存儲技術(shù)是用人工合成的脫氧核糖核酸（DNA）作為存儲介質(zhì)，以存儲文檔、錄音、視頻、圖片文件等數(shù)字化信息，并可完整讀取的技術(shù)。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)上存在4個化學(xué)基團(tuán)，即核堿基。其依照特定順利排列以組成遺傳信息。利用DNA來存儲信息的核心在于DNA堿基。科學(xué)家需要利用這些堿基，來研發(fā)出專門的編碼技術(shù)。在將信息存儲于DNA中時，需要將“0”和“1”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4種核苷酸，即由堿基所組成的序列。譬如，當(dāng)需要拷貝一份計算機(jī)文檔材料時，DNA信息存儲系統(tǒng)首先會將計算機(jī)硬盤信息中的二進(jìn)制數(shù)“翻譯”為特定的代碼，并借助于DNA合成器來制造出對應(yīng)的堿基序列。該序列由多個重復(fù)片段所組成，每一個片段中都會各自攜帶部分索引信息。不過，DNA存儲也并非易事，尤其是DNA的合成過程尤為艱難。DNA在合成過程中，有時會隨機(jī)損失掉一個DNA。針對這一難題，科學(xué)家采用了特殊的編碼技術(shù)來傳輸數(shù)字化信息，以適應(yīng)連接中斷的情形發(fā)生。在測試過程中，科學(xué)家選取了一部需要保存的視頻資料。利用DNA編碼技術(shù)，獲得了該部視頻的完整DNA序列。隨后，其利用基因可編輯方式，將這部視頻資料的DNA序列插入到一個腸道細(xì)菌的基因之中。令人倍感神奇的是，這種方式并未改變腸道細(xì)菌的活性，其仍可照樣生長與繁殖。在經(jīng)過不斷的分裂之后，這個腸道細(xì)菌的后代中仍存儲有該部視頻。最后，進(jìn)行測試的科學(xué)家們獲得了極為驚人的900億部復(fù)制的視頻資料！endprint

對于編碼技術(shù)、代碼可靠性等問題，科學(xué)家已經(jīng)一一攻克難題。但DNA生物介質(zhì)存儲技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用仍面臨著一大障礙，即高昂的成本。這一新技術(shù)在研究伊始，DNA合成與DNA編排的成本均極為高昂。誠然，納米微孔技術(shù)在DNA編排技術(shù)中的引入與應(yīng)用，使得其成本已然大幅降低。但DNA合成的成本依然很昂貴。若DNA合成的成本能夠下降，DNA生物介質(zhì)存儲技術(shù)在未來將有更大的應(yīng)用空間。

除了昂貴的成本問題外，DNA生物介質(zhì)存儲技術(shù)的研發(fā)還面臨著其他一些難關(guān)需要攻克。利用DNA所存儲的數(shù)字化信息，如欲盡可能保存更長時間，則需要采用一定附加手段對DNA加以固定?？脊叛芯恐校藗円呀?jīng)可以從琥珀中包裹的恐龍同時期的生物體內(nèi)提取DNA信息，也能夠從遠(yuǎn)古洞穴中發(fā)現(xiàn)的40萬年前的古人類骨骼中提取DNA，并進(jìn)行基因重建。對于自然界和生物界中的基因物質(zhì)而言，其可以固定、保存在動植物化石和人類、動物骨骼之中。但對于合成的存儲有數(shù)據(jù)信息的DNA而言，其往往并不穩(wěn)定。若是將其合成后直接放置于實驗室中，可能僅僅只在一年之后，DNA中所存儲的數(shù)據(jù)信息就會毀損。故如何對合成的存儲有數(shù)據(jù)信息的DNA進(jìn)行固定，以達(dá)到理想狀態(tài)下可以近乎永恒狀態(tài)下的保存，仍需要科學(xué)家們進(jìn)一步探索。

得以保存百萬年之久的鎢晶片存儲介質(zhì)

信息存儲技術(shù)的發(fā)展，已然令人們能夠保存超大容量的數(shù)據(jù)資料。但如何能讓數(shù)據(jù)信息得以超長時間保存，甚至為未來的智慧生命體留下人類的“聲音”，就顯得尤為困難了。為了保證存儲信息不丟失，且能夠盡可能長時間地保存，就需要尋找一種特有的存儲介質(zhì)與存儲方式，來實現(xiàn)將信息保存數(shù)百萬年甚至更久的目標(biāo)。

科學(xué)家在經(jīng)過不斷嘗試和探索后，研發(fā)出了一種獨特的光學(xué)存儲介質(zhì)。其是用金屬鎢所制成的晶片材料。鎢具有熔點高、硬度高的特點，常溫下不會受到空氣侵蝕，且能耐受極端溫度環(huán)境。數(shù)據(jù)信息在被存儲的過程中，首先會采用蝕刻技術(shù)在鎢晶片表面進(jìn)行信息的“書寫”，并以QR二維碼的形式蝕刻至鎢晶片表面。隨后，蝕刻上數(shù)據(jù)信息的鎢晶片需要用氮化硅進(jìn)行封裝。

為了測試數(shù)據(jù)信息保存的穩(wěn)定與可靠程度，科學(xué)家通過高溫條件下的人為老化實驗，來對已蝕刻數(shù)據(jù)信息的鎢晶片存儲介質(zhì)進(jìn)行了測試?？茖W(xué)研究表明，若存儲介質(zhì)能夠在200攝氏度的條件下存放一小時，就意味著其在正常環(huán)境下至少能存放一百萬年?？茖W(xué)家利用高溫進(jìn)行測試后，發(fā)現(xiàn)鎢晶片存儲介質(zhì)并未有出現(xiàn)明顯老化現(xiàn)象，仍可輕易讀取蝕刻的QR二維碼信息。不過，當(dāng)溫度持續(xù)上升，超過400攝氏度后，鎢雖然尚未受到影響，但其上所蝕刻的QR二維碼信息的讀取就變得尤為困難了。因此，在應(yīng)用這一新型信息存儲技術(shù)的同時，還需要有更為穩(wěn)定和安全的地點來存放氮化硅封裝后的鎢晶片。

五維數(shù)據(jù)存儲的“5D盤片”

體積小、容量大、保存時間久、安全性能可靠，是數(shù)據(jù)信息存儲技術(shù)未來發(fā)展的主流趨勢。根據(jù)這一設(shè)想，一支英國的研究團(tuán)隊設(shè)計出了一款五維數(shù)據(jù)存儲的“5D盤片”。當(dāng)前信息存儲技術(shù)多采用的是2D存儲方式，而這一全新技術(shù)，采用了納米技術(shù)和玻璃材質(zhì)，利用五維數(shù)據(jù)存儲方式來進(jìn)行信息的存儲與保存。簡言之，即是在玻璃盤片中嵌入五維的納米結(jié)構(gòu)，并利用玻璃中的微型納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息的編碼。

相較現(xiàn)今主流的存儲介質(zhì)，5D玻璃盤片的面積僅有一枚硬幣大小，但其卻可以在將近200攝氏度的高溫環(huán)境下穩(wěn)定保存138億年，這一數(shù)值也是當(dāng)前宇宙的壽命！眾所周知，玻璃作為一類較為堅固的材料，不易受到化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，且能防水，唯有高溫環(huán)境下才能令玻璃發(fā)生融化或者變形。此外，玻璃自身所具有的極為穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，也能保證利用五維納米結(jié)構(gòu)存儲在其內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息不會丟失。

不同于CD、DVD等在存儲介質(zhì)表面進(jìn)行刻錄，并將數(shù)據(jù)信息予以保存的2D存儲方式，5D玻璃盤片則是將數(shù)據(jù)信息保存在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)之中。具體而言，存有數(shù)據(jù)信息的CD、DVD光盤表面有著諸多凹凸不平的線條，其可以被激光所讀取。當(dāng)激光發(fā)現(xiàn)有凸起時，即代表“1”這一數(shù)據(jù)，若未發(fā)現(xiàn)有凸起，則代表“0”這一數(shù)據(jù)。基于該二維數(shù)據(jù)表達(dá)方式，光盤可以用于存儲各類數(shù)據(jù)信息。不過，這些凸起點均位于光盤表面，這也使得其極為脆弱。無論是物理磕碰，還是暴露在惡劣環(huán)境下，都會對其存儲的數(shù)據(jù)信息造成破壞。與此同此，采用五維數(shù)據(jù)存儲的“5D盤片”使用了盤片內(nèi)的納米物理結(jié)構(gòu)，即“納米格柵”來存儲數(shù)據(jù)信息。其通過折射的激光，可讀取并表達(dá)激光折射的強(qiáng)度、納米格柵的方向及X、Y、Z軸分別表示的空間位置等五種不同的數(shù)據(jù)狀態(tài)。這也使得5D玻璃盤片不用擔(dān)心磨損、劃傷等原因而對存儲的數(shù)據(jù)造成破壞。同時，從2D存儲方式到5D存儲方式，使用該盤片在相同面積上的存儲容量更為驚人，其數(shù)據(jù)信息存儲的密度也更大，可輕松存儲下數(shù)百TB容量的數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)信息存儲的新地點

科學(xué)家在對新型信息存儲技術(shù)不斷研發(fā)的同時，也在思索如何將存有數(shù)據(jù)信息的服務(wù)器放置于更為安全、可靠的地點。有科學(xué)研究團(tuán)隊經(jīng)過諸多測試，選擇將數(shù)據(jù)信息存儲的新地點安置于廢棄的地下礦井之中，并認(rèn)為其是數(shù)據(jù)信息存儲基地的最佳地點。

龐大的數(shù)據(jù)信息存儲中心的有效維持，需要不間斷持續(xù)的低濕與低溫環(huán)境。若在地面上建立這樣一個數(shù)據(jù)信息存儲中心，勢必會帶來大量的能源損耗。但科學(xué)家將廢棄的地下礦井經(jīng)過改造后，將其設(shè)置為數(shù)據(jù)信息存儲基地。利用地下礦井的自身特性，可實現(xiàn)持續(xù)的低濕與低溫環(huán)境的數(shù)據(jù)信息存儲要求。endprint