近日，美國微軟（Microsoft）研究院的科學(xué)家們公布了他們的“Project Silica”（硅晶計劃）在激光改性玻璃存儲敏感數(shù)據(jù)方面的最新技術(shù)進展。其特殊之處在于能夠在普通玻璃中寫入每立方毫米1.59Gb的數(shù)據(jù)，理論上這些數(shù)據(jù)可以存儲超過一萬年。目前，相關(guān)研究論文已經(jīng)發(fā)表在了《自然》雜志上。

△Project Silica系統(tǒng)

“我們正在解決‘?dāng)?shù)字黑暗時代’的問題，”英國南安普頓大學(xué)的光學(xué)物理學(xué)家彼得·卡贊斯基（Peter Kazansky ）雖然未參與“Project Silica”研究，但他表示，“我們目前的記錄保存在脆弱的磁性盤片上，這些盤片會不斷衰減；這項研究確保我們的數(shù)字遺產(chǎn)能夠永久保存?！?/p>

微軟的“Project Silica”項目大約在8年前啟動，由機械工程師、電子工程師、計算機科學(xué)家和光學(xué)專家組成的多學(xué)科團隊負責(zé)。為了確定消費者需求，該團隊與國家檔案館、博物館和娛樂行業(yè)等機構(gòu)進行了長時間的討論。

Project Silica的研究主管Richard Black表示：“這些機構(gòu)擁有價值極高的數(shù)據(jù)，他們希望長期保存這些數(shù)據(jù)。” 他補充道：“他們非常重視數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)的類型——他們希望確保數(shù)據(jù)不會被惡意軟件、國家支持的黑客或其他任何可能篡改數(shù)據(jù)的東西入侵?！?/p>

現(xiàn)有的存儲方案，例如磁帶數(shù)據(jù)存儲，在一定程度上確實能夠滿足這種需求，但它們最終都會磨損。簡而言之，這些機構(gòu)真正需要的是一種能夠經(jīng)受住時間考驗的存儲介質(zhì)，或者說，一種“可以放在架子上就不用管了”的存儲介質(zhì)。“我們意識到，如果我們能夠控制物理特性并擴大其規(guī)模，那么‘激光改性玻璃’就有可能成為一種顛覆性的檔案存儲技術(shù)?！盧ichard Black說道。

據(jù)介紹，Silica的工作原理類似于多維光盤。它是利用超短的激光脈沖將信息刻寫到普通玻璃上，這種“超短脈沖”每次持續(xù)時間僅為千兆分之一秒（即“飛秒”級），只需飛秒激光的一次“照射”，即可將體素（phase voxel）刻蝕到玻璃表面。

△Project Silica系統(tǒng)寫入設(shè)備

這些激光產(chǎn)生的波長光通常會穿透透明的玻璃材料而不產(chǎn)生相互作用。然而，當(dāng)這種光的超短脈沖緊密聚焦在特定區(qū)域時，會產(chǎn)生強烈的電場，改變焦區(qū)玻璃的分子結(jié)構(gòu)。這意味著只有一個極小的三維體積受影響，通常不到一邊的百萬分之一米。這被稱為“體素”，可以在玻璃中精確控制的位置制造。

然而，使用激光在玻璃中書寫“體素”，進行三維數(shù)據(jù)存儲的想法并不新鮮。美國哈佛大學(xué)的Eric Mazur及其同事早在1990年代研究了“體素”光學(xué)存儲。他們的開創(chuàng)性工作證明，這些永久數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以通過飛秒激光嵌入普通玻璃中。

2014年，英國南安普敦大學(xué)的Peter Kazansky及其同事報告了熔融石英玻璃中的數(shù)據(jù)存儲，其壽命似乎是無限的。這有助于確立了超穩(wěn)定玻璃存儲設(shè)備的理念。

2024年，Peter Kazansky成立了一家名為SPhotonix的公司，致力于商業(yè)化他們所稱的“5D玻璃納米結(jié)構(gòu)”技術(shù)。他們對“5D記憶玻璃”的設(shè)想甚至進入了流行文化：類似的裝置出現(xiàn)在最新的《碟中諜》電影《最終審判》中，被描繪成一個能夠容納強大但陰險的人工智能的安全保險庫。

但Project Silica技術(shù)創(chuàng)新之處在于“相位體素”（phase voxel），即同時利用光波長的相位差異來記錄“體素”（或稱像素的三維對應(yīng)物）中的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)四維存儲。

△Project Silica系統(tǒng)高通量寫入的示意圖

Richard Black說，找到最佳方案是一個反復(fù)試驗的過程，有時會出現(xiàn)意想不到的轉(zhuǎn)折。例如，與南安普頓大學(xué)的設(shè)計方案不同，Silica 的運行是在四個維度（物理體素加上光的相位）內(nèi)進行的，而不是五個維度。

Project Silica還研究了兩種主要類型的激光書寫“體素”：

第一種由玻璃內(nèi)部激光驅(qū)動的“微爆炸”形成的微型細長空洞狀結(jié)構(gòu)組成。這些微型爆炸允許極高的存儲密度達到每立方毫米1.59Gb的數(shù)據(jù)。

第二種方法是對玻璃局部折射率做細微變化。這些折射率可以寫得更快，耗電更少——但每立方毫米玻璃能容納更少的數(shù)據(jù)。這種方法的寫入速度約65.9Mbps，但通過更多激光束可以提升這一速度。

更為關(guān)鍵的是，Project Silica的工作結(jié)合了基于飛秒激光和玻璃的存儲平臺的所有關(guān)鍵元素。它包括數(shù)據(jù)編碼、寫入、讀取、解碼和糾錯。該研究還探討了可靠性、寫入速度、能效和數(shù)據(jù)密度的不同策略，并涉及對數(shù)據(jù)生命周期的系統(tǒng)評估。

△Project Silica系統(tǒng)的讀取設(shè)備

△Project Silica系統(tǒng)的讀取與解碼：a，使用偏振分辨顯微鏡進行雙折射體素讀出示意圖；b、使用相差顯微鏡繪制的相位體素讀出示意圖；c、解碼流水線，顯示圖像被解碼為恢復(fù)扇區(qū)；d，LDPC曲線，展示了碼率（水平軸）與質(zhì)量因子（縱軸）在雙折射和相位體素的權(quán)衡。e，恢復(fù)以相位體素編碼的原始數(shù)據(jù)跨層（垂直軸）和軌道（水平軸）所需的編碼率熱圖示例。數(shù)據(jù)顯示，編碼率主要取決于玻璃的深度，而非 xy 位置。

總結(jié)來說，Project Silica團隊的最新成果，使得玻璃存儲的讀取設(shè)備只需1臺相機即可完成（而非過去3～4 臺），降低成本及設(shè)備尺寸。此外，寫入所需的零部件也更精簡，能更容易制造和校準(zhǔn)，可以更快地編碼數(shù)據(jù)。

論文報告，團隊以每束光每秒25.6 Mb寫入速度將4.8TB 數(shù)據(jù)（相當(dāng)于大約 200 萬本印刷書籍或 5000 部超高清電影）編碼至一塊面積約120平方毫米（約等于1個成年人手指甲蓋大小的面積）、厚度約2 毫米的硼硅玻璃中（刻錄了 301 體素層，密度達到了每立方毫米1.59Gb），雖然寫入速度遠比HDD（約160 MB/s）或SSD（約7,000 MB/s）慢，但相較于多數(shù)HDD 或SSD 僅能持續(xù)使用約10 年，硼硅玻璃中的數(shù)據(jù)理論上能保存超過10,000 年，只要保存得當(dāng)、不出現(xiàn)破碎。

Richard Black表示，有了Silica，用戶“可以將數(shù)據(jù)寫入玻璃，一旦完成，就無需再支付任何后續(xù)費用”。“當(dāng)我們與人們交流時，他們一致認為這確實是一個非常大的變革。這將改變我們對數(shù)據(jù)保存和檔案保存的固有認知?！?/p>

編輯：芯智訊-浪客劍