一个光点，一座千层信息高楼！单光束多维光存储，有望实现零距离存算一体化

9月29日，上海理工大学科研团队在国际学术期刊《自然·光子学》（Nature Photonics）发表题为“原位光碳化聚合物点的巨型声子辅助上转换发光及其三维高清光存储应用”的研究成果，开启下一代海量存储的全新技术路径。

科研团队自主研发了单光束多维光存储技术，使单个三维存储点能够区分1024种状态，对应10比特（bit）信息容量，并实现高速写入和宽场并行读取。DVD尺寸介质的理论存储容量可达约0.4Pb，数据读取可靠性超过99.99%。

论文原理图——原位光碳化聚合物点的三维高清单光束光存储技术。

在AI时代下，数据需求量巨大，如何在有限空间内存储更多的数据？是业内的普遍需求。众所周知，一张8K超高清图像包含约3300万个像素，以8比特（bit）灰度图像为例，一个像素有256种灰度取值。如果每个存储单元只能记录“0”或“1”，就需要8个这样的单元保存一个像素的灰度信息；而如果一个记录点能够区分1024种状态，就可以承载10比特（bit）信息。也就是说，一个10比特存储点在完成原有8比特灰度信息存储后，多出的2比特信息还可为原位光学人工智能训练提供附加编码空间。未来，若将信息记录与光学计算功能结合，使同一单元兼具存储与计算能力，有望实现“零距离存算一体化”。

“传统的二进制存储，一个记录单元通常只有‘0’和‘1’两种状态，而我们的技术让一个记录单元拥有1024种可区分状态。”科研团队负责人、上海理工大学智能科技学院张启明教授解释，“过去需要多个记录单元共同承载的信息，现在可以通过提高单个记录点的信息容量来完成。”这样，光存储提升容量就不再只能依靠不断缩小记录点或增加存储层数，还可以通过让“一个点存更多信息”开辟新的空间。“这就好比，将一片平房的存储空间，变成建在一个光点上的一座千层信息高楼。”

激光诱导探点光盘样品。 （李蕾 摄）

2013年，科研团队提出了“超分辨光存储设想”。当时，实现Pb级超高密度光存储的传统超分辨技术路线往往需要双束光协同完成写入和读取，由此带来精密配准、稳定控制等系统难题。此次，团队以单束单色光分别完成写入和读取，攻克了Pb级超高密度存储中复杂双光束协同带来的系统难题，打破了高容量光存储对双光束读写架构的依赖。

在此基础上，团队还结合高速扫描写入与宽场并行读取，提高数据存取效率。读取时，可同时获取一片区域内多个记录点的信息，使海量数据不仅“存得下”，也能更高效地“写进去、读出来”，为Pb级乃至更大容量光存储的高速化、集成化和规模化应用打开了新的技术空间。

这一新技术路径的应用范围更广。人工智能训练数据、科研记录、医学影像等信息，即使不再频繁使用，也往往需要长期保存。随着这些“冷数据”不断积累，如何在有限空间内长期保存海量信息，并在需要时高效读取，成为数据存储面临的重要需求。Pb级乃至更高容量，正是这种多维信息承载能力进一步扩展的结果。在现有0.4Pb基础上，若进一步将层间距由5微米（μm）压缩至1微米（μm），并将灰阶编码拓展至万级，理论容量有望提升至约20Pb。结合单光束读写和高速并行访问，该技术的应用将有望使海量数据的读写速度提升约1万倍，能耗却降至约目前的万分之一。

张启明教授表示，未来海量数据存储，Pb容量并不是唯一衡量指标。真正走向应用，不仅要能够承载更多信息，还要兼顾读写速度、系统复杂度和设备集成能力。此次研究从信息维度和读写架构两个方面拓展了光存储的发展路径，为Pb级乃至更高容量光存储进一步走向工程化和产业化创造了条件。