玻璃大容量永久光存储：下一代解决数据长期存储方案

海量数据的不断增长，对存储提出的要求越来越高。大量数据被存储在数据中心，作为数据中心的大国，我国建有大型数据中心400多个。作为IT设备三大核心之一的存储设备，主要有固态盘、机械硬盘和磁带/盘，这些技术一直被国外企业所垄断。

如何从包围中突围？一种看起来很普通的介质——玻璃引起了存储界的关注。一块小小的玻璃上，可以存储一部大片。

事实上，玻璃不仅能当存储介质，而且其容量是蓝光盘的数千倍、在1000度实验环境下数据可保存一万年。基于石英玻璃的多维永久光存储技术的第一完成人，张静宇博士，目前供职于华中科技大学武汉光电国家研究中心。

11月29日，在2023中国数据与存储峰会上，张静宇博士发表题为“玻璃大容量永久光存储”的演讲中。他预测，该技术有望成为下一代解决数据长期存储的方案。

冷存储技术的现状与未来

张静宇博士在报告中分析了现有主流冷存储技术与下一代冷存储技术的优劣势对比。他指出，数据中心的成本，通过计算简单的归为四个方面：系统成本、电力、运维、数据迁移，主要有单驱动器、容量、稳定性、绿色环保特性等参数，以及一些针对特殊用途的参数。

主流冷存储技术对比

在容量方面，市场2026年机械硬盘的存储容量将达到50TB、密度容量3000Gb/in²，磁带容量可达到36TB、密度容量200Gb/in²，蓝光AD盘达到1TB每盘、500Gb/in²。

在寿命方面，机械硬盘在数据中心存储寿命是5年甚至更短，磁带理论寿命可以达到10年，AD光盘寿命可达100年。值得注意的是数据迁移成本比较高，约占数据存储成本的25%。

绿色环保方面，以十年为使用周期，机械硬盘的电力成本是磁带的7倍，以20年为使用周期，磁带系统的电力成本是光盘的5倍，而以75年为例，蓝光光盘、磁带、机械硬盘三者的电力成本之比是1:5:35。

在技术积累方面，机械硬盘，自2007年Iomega收购易拓后，国内已无硬盘技术和生产，全部依赖进口，磁带也是全部通过进口来解决，但光盘因为有易华录和松下合作，掌握了部分技术，国内发展光盘、光驱技术具备一定的积累，市场上也有多家光盘库厂家。

综合容量、寿命、技术积累、绿色环保等因素来看，机械盘容量最大，使用成本偏高，光盘寿命最长、成本最低，但是容量最小。磁带各方面处在居中的状态。对比之下可以发现，光盘有很大的空间，如果容量提升得到突破，可能会成为未来冷数据存储介质中最好的解决方案。

主流冷存储技术的瓶颈主要体现在容量和寿命方面。容量方面，受限于磁场大小和矫顽力，磁存储已趋于极限，受限于光学衍射极限，光存储已趋于极限；寿命方面，受限于传统介质的物化属性，机械硬盘和磁带的使用寿命难以突破10年。

下一代冷数据存储技术

玻璃三维。为了提升容量，日立曾进行了激光打点（类似激光微雕）的石英三维光存储的开发，但由于结构尺寸较大，以及结构光散射大，导致底层无法读取，层数受限，最终均导致容量受限，而写入阈值高，导致系统成本偏高。

不过，因为玻璃介质成本比较低，写入速度也符合工业要求。

超分辨光存储。这是一项可以追溯到诺贝尔奖得主Stefan Hell教授所做的技术。该技术通常需要多次的激光照射，用实心光去做写，空心光斑去做“擦除”，光波长还不一样，此外，还需要复杂的光刻胶和蛋白质体系，而且读写都需要超分辨，所以，不仅速度非常慢，而且介质成本、写和读系统的成本都很高。

DNA存储。作为分子量级的存储，它需要DNA合成技术写入，写入速度慢，导致写入系统成本高，读取需要DNA测序，因此，读取系统成本高。此外，它的寿命比较长，国内也有一定的技术积累。

玻璃多维存储技术。该技术最早源自于2003年的一篇文章。基于纳米光栅的多维度光存储，结构尺寸小，透过率高，层数与容量不受限，因此容量高，写入阈值低，寿命长、系统整体成本低、非常稳定。

来自于微软的信息显示，该技术的优点是非常适合数据备份、使用寿命非常长，不存在传统数据存储的“腐烂”现象，无需冗余和备份——通常数据每分每秒都在损坏，因为介质的使用频次、负荷、保存环境的不同，在考虑“数据腐烂”问题时必须考虑最糟糕的情况来做冗余，这样导致大量容量浪费。玻璃存储因为没有“数据腐烂”，因此用户实得容量高。

微软利用这样技术展示了在玻璃上存储电影“超人”电影。但是，该技术仍存在写入速度较缓慢的难题，微软迄今尚无理想的解决对策。

玻璃多维存储技术展望

1999年，英国南安普顿大学首次观察到了纳米光栅的实验现象，2003年，首次完成了纳米光栅的表征，2011年，张静宇博士在英国南安普顿大学开始玻璃大容量永久存储技术的研发，三年后，首次实现了真实数据的读写及寿命测算。2018年，微软CEO对外宣布介入研发，2023年，微软内部上线测试。借助张静宇和南安普顿大学的技术方案抢先完成产品化。

在国内，2000年，信息存储系统教育部重点实验室成立，实现信息存储，2006年研制完成全国产制式的光存储碟机NVD，2014年我国首次实现真实的读写和寿命测算。2016年，该技术被中国两院院士评世界十大科技进展之一，2017年，张静宇博士回国后突破了多项关键核心技术，2022年，搭建完成了转动样机。

国内团队如何与微软这样资金去抗衡？张静宇博士回国后突破的多项关键核心技术有哪些？

据了解，其一是突破了多个参数维度。通过在玻璃体里三维任意的点作为数据存储单位，通过结构方向和结构强度，推出了玻璃五维永久光存储技术，单个数据点可存储多个bits的信息。玻璃五维永久光存储技术具有以下优势：透过率高达99%，最多可达400层甚至1000层，每个数据点存入多个bits，存储容量最高可达360TB，

其二是解决写入速度慢的难题。华中科技大学科研团队，借鉴基础研究成果重点解决写入速度的问题，采取有别于微软、南安普顿的技术路线，通过转动快速写入技术等原理创新，将写入时间下降到ps量级，实现了旋转读写。

实际写入实验展示，在玻璃介质上划分成不同的扇区，每层每个存储扇区约有100KB，上下共有400层，原始误码率低于1%的占98%，已经满足了工业化要求。

目前已经实现写入点间距400纳米，验证了4TB的存储容量，让存储技术达到非常好的雷达图显示，比微软更为先进。

张静宇博士表示，下一步，研发团队希望通过降低激光器的参数需求从而降低成本，同时也持续攻克超高精度的伺服和信号处理以及双光头力矩器的小型化，以提升系统的稳定性。

他预期，到2025年，玻璃容量将提升到10TB，写入速度单介质提升数十MB/s，脉冲能量消耗降低至现有能量的10%，使用寿命近乎无穷，并且耐高温和耐高压。

可以预见，这项技术的突破和商业化，将给市场带来巨大的冲击。期待张静宇博士和华中科技大学更多的创新成果。

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