讀懂綠色超級光盤

鄔樂佳 文靜

在童話故事中，你一定聽說過神奇的“水晶球”，它無所不知、充滿智慧，可以告訴我們很多問題的答案。在現實生活中，當我們有了因惑，可以在圖書館暢游書海探尋答案。中國國家圖書館藏書豐富，超過 4000 萬冊，整個圖書館的面積大約相當于 40 個標準足球場，體量相當大。大家是否想過，或許我們有辦法將圖書館的所有藏書收藏到手掌般大小的“記憶寶匣”里，滿足隨時隨地閱覽的需求。“超級光盤”就能實現這個愿望，我們一起來看看它的本事吧！

超級光盤是什么

“超級光盤”是光盤的一種，它由上海理工大學光子芯片研究院院長、張江實驗室光計算所所長顧敏院士和文靜教授團隊及中科院上海光學精密機械研究所阮昊研究員等聯合研發，采用了國際首創的熒光超分辨光存儲技術，具有Pb量級的超大存儲容量。

“光盤”與我們生活中常見的移動硬盤、U盤等電子存儲設備一樣，是一種存儲器件。傳統光盤利用激光在具有良好反射性的光滑空白盤面上燒蝕凹狀“小坑”，當光照在這些“小坑”上時不反射信號，照到沒有“小坑”的空白處時反射信號。反射信號和不反射信號的對比，就好比二進制開關，我們日常使用的電腦、平板和手機都是二進制原理。人們將接收到的光盤信號進行特定編碼和解碼，可以實現二進制信息數據的寫入與讀出。

盤面上燒蝕的凹坑大小只有幾百納米。人肉眼可以觀察到的尺度在毫米量級，1毫米等于1000微米， 1微米等于1000納米。我們的發絲很細，直徑不足100微米，光盤上的“小坑”卻僅僅是發絲直徑的幾百分之一，可見這些記錄信息的“點”是多么小。光盤通過這種方式能記錄大量數據信息，可謂“小身材大容量”。

不可思議的超大容量

了解了光盤及其工作原理，我們一起來看看Pb量級是怎么一回事。一個Pb相當于一個拍字節。我們使用的電子設備的基礎原理基本基于二進制，大家在信息技術課上可能學過，二進制數使用0和1來表示，每個0或1是一個位，是數據和信息量的最小度量單位。

傳統單個商用光盤的最大存儲容量僅在幾百Gb，采用全新超分辨光存儲技術的“超級光盤”的單個光盤存儲容量最高可達1.6Pb。我們可以從更直觀的角度來理解Pb量級承載的信息量，在一般編碼規則中，一個英文字母占1字節，一個中文漢字占2字節，中國古典四大名著之一的《紅樓夢》約七十余萬字，占1.45 Mb 左右，使用1.6 Pb的“超級光盤”能存儲將近12億部《紅樓夢》。國家圖書館館藏圖書不過4000萬冊，有了“超級光盤”，把它們“裝進口袋”將不再是夢想。

為什么超級光盤技術是“綠色”的？

高存儲量的“超級光盤”技術在當今社會發展中有何用武之地呢？眾所周知，在計算機和互聯網技術的飛速發展下，人類已經進入了數字社會和數字經濟的新時代。每時每刻、每地每處都持續產生著大量信息數據，大到科學研究、國家工程，小到工廠生產、教育教學，就連人們發布的朋友圈，都伴隨著大量數據的產生、調用、分析、判定及決策。通過對大量數據的分析，我們能發現新的科學規律和理論、改善和提高產品質量與生產效率、精準定位客戶需求等。

大數據已然成為驅動社會高速發展的重要推動力。值得一提的是，對人類具有重要意義和深遠影響的人工智能，特別是ChatGPT這種通用人工智能大模型，嚴重依賴數據。如果把人工智能模型比作汽車發動機，那么數據就是燃料，海量數據是通往人工智能的階梯。然而，面對海量數據就會出現數據存儲的難題，安全、低成本、長時間保存數據顯得尤為重要。

目前，主流的存儲方式包括傳統光盤、磁盤和固態硬盤，但傳統光盤單個光盤存儲容量低，硬盤存儲存在耗電量大等缺點。舉例來說，2022年，全國用于存儲數據的數據中心耗電量高達2700億千瓦時，超過上海市的總用電量，比2.5個三峽水電站全年發電量還多，隨之而來的是上億噸的碳排放，存儲耗電量還在以超預期的速度增長。這種存儲方式在氣候和環境問題日益嚴峻的當下顯得不合時宜，不符合碳減排的綠色可持續發展理念。“超級光盤”不但具有超大存儲容量，光學存儲這種記錄方式也自帶“綠色”屬性，在數據存儲過程中，耗電量小、成本低、壽命長，是一種節能的大數據存儲方式，是數字社會數字經濟快速且穩定發展的基石。

從被制約走向遙遙領先

中國光盤技術產業的發展，是一部跌宕起伏的歷史。早期，我國在光盤技術研究方面并不落后于其他國家，研究人員在20世紀90年代初就開發出了風靡一時的VCD。但由于光盤本身在存儲容量上的瓶頸，磁盤存儲和固態硬盤存儲技術又在飛速發展，我國光盤產業和光盤研究一度呈現萎縮的狀況。目前，磁盤和硬盤存儲的核心技術基本掌握在國外廠商手中，對我國形成了技術壁壘，制約著我國存儲產業的發展。

我國自主研發的綠色“超級光盤”不僅突破了光盤在存儲容量上的瓶頸，在性能方面世界領先，還結合光學存儲在節能等方面的優勢開辟了大數據存儲的新模式，相當于我國在存儲產業這一新賽道掌握了核心技術。