5D存儲

石頭++玲子

從巖石上的雕刻，到現在的磁介質數據存儲，千萬年來，人類一直在用各種手段保存信息。大數據時代，人類需要存儲的數據信息量越來越大，對數據存儲技術的要求也越來越高。

任何存儲介質都有自己的“保質期”，比如儲存在CD或DVD碟片上的數據一般可以保存50年左右，之后由于材料的物理性老化將會損害其保存的數據。因此，一直以來，科研人員都在尋找延長數據“保質期”的辦法。但就目前的技術水平而言，將這一紀錄延長至一百年都是一個巨大的挑戰。

日前，英國南安普頓大學的科學家運用飛秒激光輸入法，將納米玻璃材料變成記錄和檢索五維（5D）數據的存儲介質，開啟了數據信息可以長久“保鮮”的新時代。

第一代電子計算機

存儲壽命——從幾十年延長至一百多億年

在這個信息時代，數據是新的國家戰略資源，但它只有保存下來，才能持續發揮作用。據了解，目前廣泛應用的硬盤驅動器可以存儲大量的數據，但在室溫下只能使用大約10年的時間。這是因為硬盤的磁能勢壘較低，在一段時間后，其儲存的信息就會逐漸丟失。CD和DVD光盤、磁帶等介質的壽命也是有限的。

在數據存儲壽命和容量之間往往存在一種相互制約的關系，可以存儲大容量信息的存儲介質往往壽命較短，而存儲壽命較長的介質存儲容量又比較小。有沒有既能保持很長時間又能存儲很大容量的介質？這種介質英國南安普頓大學的科學家找到了。他們運用飛秒激光輸入法，將納米玻璃材料變成記錄和檢索五維（5D）數據的存儲介質。這種堪比電影《超人》中“超人記憶水晶”的數據存儲玻璃，實際上是一種納米結構的熔融石英。

據介紹，在這一光學存儲系統中，數據被存儲在納米柵格中。這些納米柵格是使用飛秒激光脈沖實現的。這一存儲系統的退化核心機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，存儲在柵格結構中的數據也就將隨之變得不穩定并出現丟失。

英國南安普頓大學的研究人員計算了這一柵格系統退化的時間和這一數據存儲系統的壽命，結果讓人興奮：在室溫下，其壽命大約為3×1020年。隨著環境溫度的上升，該系統的使用壽命會相應減少，但即便是在189攝氏度的超高溫度環境下，其壽命仍然高達大約138億年，這已經和我們所在宇宙的年齡相當。

不過，這種5D存儲系統的壽命主要還是通過理論算法計算得出的，還有待進一步驗證。截至目前，人類還沒有掌握能夠永久保存數據的技術，只能盡可能延長數據保存的時間。當然，無論如何，這項技術在延長數據保存壽命方面，是一個里程碑式的進步。

5D存儲晶片

存儲容量——從數百MB到數百TB

我們平常所使用的CD或DVD光盤的容量，一般在幾百MB到十幾個GB，最高也不會超過100個GB，與5D存儲的容量相差太遠。

據介紹，傳統的光盤是在二維平面進行存儲。5D存儲技術，則擴展到了5個維度。它在存儲數據時，使用一個飛秒激光器發射密集的超短波激光脈沖照射石英晶體。這束激光就會在適應晶體內產生納米級小點，這樣信息就刻入了三層納米結構層中。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構，這種結構可以改變光穿行的路徑，從而改變光的偏振。因此，它會顯示5維的信息，即納米結構的大小、方向和三維坐標。而讀取其中的存儲數據，則可以通過光學顯微鏡和偏光器來進行。

“材料決定了存儲密度，從而決定了存儲器單位空間或者重量能保存的數據容量。”王威介紹，從第一個計算機硬盤開始，用來存儲數據的存儲設備體積越做越小，存儲容量卻越做越大。

據了解，1956年，IBM公司推出了世界上第一個硬盤驅動器RAMAC350。這種硬盤是50個直徑為24英寸的盤片組成，重量在1噸左右，約有兩個冰箱大，但最多只能存儲5MB的數據，相當于一首MP3格式歌曲。而現在，一個3.5英寸大小的臺式電腦硬盤，存儲容量最高可達4TB，可存儲75萬首MP3歌曲。

然而，即使是這樣大的容量，仍然不能滿足大數據時代對數據存儲的要求。目前很多研究者，都在尋找能夠大幅提高數據存儲容量的新介質。除了5D存儲技術外，DNA硬盤最為引人注目。

大數據存儲中心

DNA是遺傳基因編碼的基本結構，DNA由四種含氮堿基——A、T、C和G互補配對構成，科學家將數據編碼成二進制的數字串，每遇到一個數字0，就在目標DNA的尾巴上合成一個A—T堿基對;如果是1，就合成一個C—G堿基對。這樣一來，整部莎士比亞全集就可以被存儲在頭發絲大小的“DNA硬盤”中。

當然，“DNA硬盤”和5D存儲技術一樣，還停留在實驗室研究階段。它們要實現真正的產業化，還有很長的路要走。

5D存儲技術，不僅讓這種納米玻璃的存儲介質擁有了超長壽命，還賦予它巨大的容量。

據英國南安普頓大學的專家介紹，運用這項技術，一張CD或DVD碟片，假設擁有1000個記錄層，那么它的數據存儲容量將達到數百個TB，對于碟片來說已經是一個非常可觀的數字了。

存取速度——有待進一步提升

一種新的數據存儲技術，能不能得到業界和學界的認可，除了要具有較長的存儲時間、較高的存儲容量外，還有一個重要的考量標準——存取速度。

“此前研究人員開發的光學存儲系統原理與這項技術有相似之處，但其不足之處就在于其數據的寫入過程太過緩慢，從而使其在現實世界中沒有實用價值。”英國南安普頓大學的科研人員表示，此次新開發的方法將數據寫入速度提升了很多。

據介紹，未來，該研究團隊將進一步改進該系統的性能。“我們打算進一步提升系統的數據寫入速度，從目前的每秒大約6KB大幅提升至每秒120MB。”

然而，即使如此，5D存儲技術仍未能得到數據存儲設備制造商的認可。他們認為，目前，對存儲數據的介質，其體積容量還不是一個主要的問題，因為8TB機械硬盤現在仍然夠用，而且硬盤有其巨大的速度優勢。

在目前常用的數據存儲技術中，磁介質存儲（硬盤）和光學存儲（光盤）讀取速度是數百MB字節每秒，而半導體存儲（固態硬盤）可達到幾個GB字節每秒。

存儲的速度除了和介質有關，還和IO設計、外圍電路、存儲架構以及存儲方案等有關系。等存取技術成熟了，5D數據存儲系統還可以通過改進設計來提高讀寫帶寬，實現速度提升。

事實上，除了存取速度外，成本也是一項新技術能否產業化的重要因素。王威介紹，高純度的石英玻璃價格比較高，所以在目前的技術手段下，要將5D存儲技術實現產業化還不太現實。