5D存储

石头++玲子

从岩石上的雕刻，到现在的磁介质数据存储，千万年来，人类一直在用各种手段保存信息。大数据时代，人类需要存储的数据信息量越来越大，对数据存储技术的要求也越来越高。

任何存储介质都有自己的“保质期”，比如储存在CD或DVD碟片上的数据一般可以保存50年左右，之后由于材料的物理性老化将会损害其保存的数据。因此，一直以来，科研人员都在寻找延长数据“保质期”的办法。但就目前的技术水平而言，将这一纪录延长至一百年都是一个巨大的挑战。

日前，英国南安普顿大学的科学家运用飞秒激光输入法，将纳米玻璃材料变成记录和检索五维（5D）数据的存储介质，开启了数据信息可以长久“保鲜”的新时代。

第一代电子计算机

存储寿命——从几十年延长至一百多亿年

在这个信息时代，数据是新的国家战略资源，但它只有保存下来，才能持续发挥作用。据了解，目前广泛应用的硬盘驱动器可以存储大量的数据，但在室温下只能使用大约10年的时间。这是因为硬盘的磁能势垒较低，在一段时间后，其储存的信息就会逐渐丢失。CD和DVD光盘、磁带等介质的寿命也是有限的。

在数据存储寿命和容量之间往往存在一种相互制约的关系，可以存储大容量信息的存储介质往往寿命较短，而存储寿命较长的介质存储容量又比较小。有没有既能保持很长时间又能存储很大容量的介质？这种介质英国南安普顿大学的科学家找到了。他们运用飞秒激光输入法，将纳米玻璃材料变成记录和检索五维（5D）数据的存储介质。这种堪比电影《超人》中“超人记忆水晶”的数据存储玻璃，实际上是一种纳米结构的熔融石英。

据介绍，在这一光学存储系统中，数据被存储在纳米栅格中。这些纳米栅格是使用飞秒激光脉冲实现的。这一存储系统的退化核心机制是其纳米栅格之间纳米空洞的坍塌崩溃，一旦这些纳米空洞崩塌，存储在栅格结构中的数据也就将随之变得不稳定并出现丢失。

英国南安普顿大学的研究人员计算了这一栅格系统退化的时间和这一数据存储系统的寿命，结果让人兴奋：在室温下，其寿命大约为3×1020年。随着环境温度的上升，该系统的使用寿命会相应减少，但即便是在189摄氏度的超高温度环境下，其寿命仍然高达大约138亿年，这已经和我们所在宇宙的年龄相当。

不过，这种5D存储系统的寿命主要还是通过理论算法计算得出的，还有待进一步验证。截至目前，人类还没有掌握能够永久保存数据的技术，只能尽可能延长数据保存的时间。当然，无论如何，这项技术在延长数据保存寿命方面，是一个里程碑式的进步。

5D存储晶片

存储容量——从数百MB到数百TB

我们平常所使用的CD或DVD光盘的容量，一般在几百MB到十几个GB，最高也不会超过100个GB，与5D存储的容量相差太远。

据介绍，传统的光盘是在二维平面进行存储。5D存储技术，则扩展到了5个维度。它在存储数据时，使用一个飞秒激光器发射密集的超短波激光脉冲照射石英晶体。这束激光就会在适应晶体内产生纳米级小点，这样信息就刻入了三层纳米结构层中。这些纳米层层距仅为5微米，而且这种石英晶体光盘采用自组装纳米结构，这种结构可以改变光穿行的路径，从而改变光的偏振。因此，它会显示5维的信息，即纳米结构的大小、方向和三维坐标。而读取其中的存储数据，则可以通过光学显微镜和偏光器来进行。

“材料决定了存储密度，从而决定了存储器单位空间或者重量能保存的数据容量。”王威介绍，从第一个计算机硬盘开始，用来存储数据的存储设备体积越做越小，存储容量却越做越大。

据了解，1956年，IBM公司推出了世界上第一个硬盘驱动器RAMAC350。这种硬盘是50个直径为24英寸的盘片组成，重量在1吨左右，约有两个冰箱大，但最多只能存储5MB的数据，相当于一首MP3格式歌曲。而现在，一个3.5英寸大小的台式电脑硬盘，存储容量最高可达4TB，可存储75万首MP3歌曲。

然而，即使是这样大的容量，仍然不能满足大数据时代对数据存储的要求。目前很多研究者，都在寻找能够大幅提高数据存储容量的新介质。除了5D存储技术外，DNA硬盘最为引人注目。

大数据存储中心

DNA是遗传基因编码的基本结构，DNA由四种含氮碱基——A、T、C和G互补配对构成，科学家将数据编码成二进制的数字串，每遇到一个数字0，就在目标DNA的尾巴上合成一个A—T碱基对;如果是1，就合成一个C—G碱基对。这样一来，整部莎士比亚全集就可以被存储在头发丝大小的“DNA硬盘”中。

当然，“DNA硬盘”和5D存储技术一样，还停留在实验室研究阶段。它们要实现真正的产业化，还有很长的路要走。

5D存储技术，不仅让这种纳米玻璃的存储介质拥有了超长寿命，还赋予它巨大的容量。

据英国南安普顿大学的专家介绍，运用这项技术，一张CD或DVD碟片，假设拥有1000个记录层，那么它的数据存储容量将达到数百个TB，对于碟片来说已经是一个非常可观的数字了。

存取速度——有待进一步提升

一种新的数据存储技术，能不能得到业界和学界的认可，除了要具有较长的存储时间、较高的存储容量外，还有一个重要的考量标准——存取速度。

“此前研究人员开发的光学存储系统原理与这项技术有相似之处，但其不足之处就在于其数据的写入过程太过缓慢，从而使其在现实世界中没有实用价值。”英国南安普顿大学的科研人员表示，此次新开发的方法将数据写入速度提升了很多。

据介绍，未来，该研究团队将进一步改进该系统的性能。“我们打算进一步提升系统的数据写入速度，从目前的每秒大约6KB大幅提升至每秒120MB。”

然而，即使如此，5D存储技术仍未能得到数据存储设备制造商的认可。他们认为，目前，对存储数据的介质，其体积容量还不是一个主要的问题，因为8TB机械硬盘现在仍然够用，而且硬盘有其巨大的速度优势。

在目前常用的数据存储技术中，磁介质存储（硬盘）和光学存储（光盘）读取速度是数百MB字节每秒，而半导体存储（固态硬盘）可达到几个GB字节每秒。

存储的速度除了和介质有关，还和IO设计、外围电路、存储架构以及存储方案等有关系。等存取技术成熟了，5D数据存储系统还可以通过改进设计来提高读写带宽，实现速度提升。

事实上，除了存取速度外，成本也是一项新技术能否产业化的重要因素。王威介绍，高纯度的石英玻璃价格比较高，所以在目前的技术手段下，要将5D存储技术实现产业化还不太现实。