5D存儲(chǔ)

石頭++玲子

從巖石上的雕刻，到現(xiàn)在的磁介質(zhì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，千萬(wàn)年來，人類一直在用各種手段保存信息。大數(shù)據(jù)時(shí)代，人類需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息量越來越大，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的要求也越來越高。

任何存儲(chǔ)介質(zhì)都有自己的“保質(zhì)期”，比如儲(chǔ)存在CD或DVD碟片上的數(shù)據(jù)一般可以保存50年左右，之后由于材料的物理性老化將會(huì)損害其保存的數(shù)據(jù)。因此，一直以來，科研人員都在尋找延長(zhǎng)數(shù)據(jù)“保質(zhì)期”的辦法。但就目前的技術(shù)水平而言，將這一紀(jì)錄延長(zhǎng)至一百年都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

日前，英國(guó)南安普頓大學(xué)的科學(xué)家運(yùn)用飛秒激光輸入法，將納米玻璃材料變成記錄和檢索五維（5D）數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)介質(zhì)，開啟了數(shù)據(jù)信息可以長(zhǎng)久“保鮮”的新時(shí)代。

第一代電子計(jì)算機(jī)

存儲(chǔ)壽命——從幾十年延長(zhǎng)至一百多億年

在這個(gè)信息時(shí)代，數(shù)據(jù)是新的國(guó)家戰(zhàn)略資源，但它只有保存下來，才能持續(xù)發(fā)揮作用。據(jù)了解，目前廣泛應(yīng)用的硬盤驅(qū)動(dòng)器可以存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，但在室溫下只能使用大約10年的時(shí)間。這是因?yàn)橛脖P的磁能勢(shì)壘較低，在一段時(shí)間后，其儲(chǔ)存的信息就會(huì)逐漸丟失。CD和DVD光盤、磁帶等介質(zhì)的壽命也是有限的。

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壽命和容量之間往往存在一種相互制約的關(guān)系，可以存儲(chǔ)大容量信息的存儲(chǔ)介質(zhì)往往壽命較短，而存儲(chǔ)壽命較長(zhǎng)的介質(zhì)存儲(chǔ)容量又比較小。有沒有既能保持很長(zhǎng)時(shí)間又能存儲(chǔ)很大容量的介質(zhì)？這種介質(zhì)英國(guó)南安普頓大學(xué)的科學(xué)家找到了。他們運(yùn)用飛秒激光輸入法，將納米玻璃材料變成記錄和檢索五維（5D）數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)介質(zhì)。這種堪比電影《超人》中“超人記憶水晶”的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)玻璃，實(shí)際上是一種納米結(jié)構(gòu)的熔融石英。

據(jù)介紹，在這一光學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在納米柵格中。這些納米柵格是使用飛秒激光脈沖實(shí)現(xiàn)的。這一存儲(chǔ)系統(tǒng)的退化核心機(jī)制是其納米柵格之間納米空洞的坍塌崩潰，一旦這些納米空洞崩塌，存儲(chǔ)在柵格結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)也就將隨之變得不穩(wěn)定并出現(xiàn)丟失。

英國(guó)南安普頓大學(xué)的研究人員計(jì)算了這一柵格系統(tǒng)退化的時(shí)間和這一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的壽命，結(jié)果讓人興奮：在室溫下，其壽命大約為3×1020年。隨著環(huán)境溫度的上升，該系統(tǒng)的使用壽命會(huì)相應(yīng)減少，但即便是在189攝氏度的超高溫度環(huán)境下，其壽命仍然高達(dá)大約138億年，這已經(jīng)和我們所在宇宙的年齡相當(dāng)。

不過，這種5D存儲(chǔ)系統(tǒng)的壽命主要還是通過理論算法計(jì)算得出的，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。截至目前，人類還沒有掌握能夠永久保存數(shù)據(jù)的技術(shù)，只能盡可能延長(zhǎng)數(shù)據(jù)保存的時(shí)間。當(dāng)然，無論如何，這項(xiàng)技術(shù)在延長(zhǎng)數(shù)據(jù)保存壽命方面，是一個(gè)里程碑式的進(jìn)步。

5D存儲(chǔ)晶片

存儲(chǔ)容量——從數(shù)百M(fèi)B到數(shù)百TB

我們平常所使用的CD或DVD光盤的容量，一般在幾百M(fèi)B到十幾個(gè)GB，最高也不會(huì)超過100個(gè)GB，與5D存儲(chǔ)的容量相差太遠(yuǎn)。

據(jù)介紹，傳統(tǒng)的光盤是在二維平面進(jìn)行存儲(chǔ)。5D存儲(chǔ)技術(shù)，則擴(kuò)展到了5個(gè)維度。它在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，使用一個(gè)飛秒激光器發(fā)射密集的超短波激光脈沖照射石英晶體。這束激光就會(huì)在適應(yīng)晶體內(nèi)產(chǎn)生納米級(jí)小點(diǎn)，這樣信息就刻入了三層納米結(jié)構(gòu)層中。這些納米層層距僅為5微米，而且這種石英晶體光盤采用自組裝納米結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以改變光穿行的路徑，從而改變光的偏振。因此，它會(huì)顯示5維的信息，即納米結(jié)構(gòu)的大小、方向和三維坐標(biāo)。而讀取其中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，則可以通過光學(xué)顯微鏡和偏光器來進(jìn)行。

“材料決定了存儲(chǔ)密度，從而決定了存儲(chǔ)器單位空間或者重量能保存的數(shù)據(jù)容量?！蓖跬榻B，從第一個(gè)計(jì)算機(jī)硬盤開始，用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)備體積越做越小，存儲(chǔ)容量卻越做越大。

據(jù)了解，1956年，IBM公司推出了世界上第一個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器RAMAC350。這種硬盤是50個(gè)直徑為24英寸的盤片組成，重量在1噸左右，約有兩個(gè)冰箱大，但最多只能存儲(chǔ)5MB的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于一首MP3格式歌曲。而現(xiàn)在，一個(gè)3.5英寸大小的臺(tái)式電腦硬盤，存儲(chǔ)容量最高可達(dá)4TB，可存儲(chǔ)75萬(wàn)首MP3歌曲。

然而，即使是這樣大的容量，仍然不能滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。目前很多研究者，都在尋找能夠大幅提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量的新介質(zhì)。除了5D存儲(chǔ)技術(shù)外，DNA硬盤最為引人注目。

大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心

DNA是遺傳基因編碼的基本結(jié)構(gòu)，DNA由四種含氮堿基——A、T、C和G互補(bǔ)配對(duì)構(gòu)成，科學(xué)家將數(shù)據(jù)編碼成二進(jìn)制的數(shù)字串，每遇到一個(gè)數(shù)字0，就在目標(biāo)DNA的尾巴上合成一個(gè)A—T堿基對(duì);如果是1，就合成一個(gè)C—G堿基對(duì)。這樣一來，整部莎士比亞全集就可以被存儲(chǔ)在頭發(fā)絲大小的“DNA硬盤”中。

當(dāng)然，“DNA硬盤”和5D存儲(chǔ)技術(shù)一樣，還停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。它們要實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化，還有很長(zhǎng)的路要走。

5D存儲(chǔ)技術(shù)，不僅讓這種納米玻璃的存儲(chǔ)介質(zhì)擁有了超長(zhǎng)壽命，還賦予它巨大的容量。

據(jù)英國(guó)南安普頓大學(xué)的專家介紹，運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)，一張CD或DVD碟片，假設(shè)擁有1000個(gè)記錄層，那么它的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量將達(dá)到數(shù)百個(gè)TB，對(duì)于碟片來說已經(jīng)是一個(gè)非?？捎^的數(shù)字了。

存取速度——有待進(jìn)一步提升

一種新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，能不能得到業(yè)界和學(xué)界的認(rèn)可，除了要具有較長(zhǎng)的存儲(chǔ)時(shí)間、較高的存儲(chǔ)容量外，還有一個(gè)重要的考量標(biāo)準(zhǔn)——存取速度。

“此前研究人員開發(fā)的光學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)原理與這項(xiàng)技術(shù)有相似之處，但其不足之處就在于其數(shù)據(jù)的寫入過程太過緩慢，從而使其在現(xiàn)實(shí)世界中沒有實(shí)用價(jià)值?！庇?guó)南安普頓大學(xué)的科研人員表示，此次新開發(fā)的方法將數(shù)據(jù)寫入速度提升了很多。

據(jù)介紹，未來，該研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步改進(jìn)該系統(tǒng)的性能。“我們打算進(jìn)一步提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)寫入速度，從目前的每秒大約6KB大幅提升至每秒120MB?！?/p>

然而，即使如此，5D存儲(chǔ)技術(shù)仍未能得到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備制造商的認(rèn)可。他們認(rèn)為，目前，對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的介質(zhì)，其體積容量還不是一個(gè)主要的問題，因?yàn)?TB機(jī)械硬盤現(xiàn)在仍然夠用，而且硬盤有其巨大的速度優(yōu)勢(shì)。

在目前常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)中，磁介質(zhì)存儲(chǔ)（硬盤）和光學(xué)存儲(chǔ)（光盤）讀取速度是數(shù)百M(fèi)B字節(jié)每秒，而半導(dǎo)體存儲(chǔ)（固態(tài)硬盤）可達(dá)到幾個(gè)GB字節(jié)每秒。

存儲(chǔ)的速度除了和介質(zhì)有關(guān)，還和IO設(shè)計(jì)、外圍電路、存儲(chǔ)架構(gòu)以及存儲(chǔ)方案等有關(guān)系。等存取技術(shù)成熟了，5D數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)還可以通過改進(jìn)設(shè)計(jì)來提高讀寫帶寬，實(shí)現(xiàn)速度提升。

事實(shí)上，除了存取速度外，成本也是一項(xiàng)新技術(shù)能否產(chǎn)業(yè)化的重要因素。王威介紹，高純度的石英玻璃價(jià)格比較高，所以在目前的技術(shù)手段下，要將5D存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還不太現(xiàn)實(shí)。