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    玻璃大容量永久光存儲:下一代解決數據長期存儲方案

    海量數據的不斷增長,對存儲提出的要求越來越高。大量數據被存儲在數據中心,作為數據中心的大國,我國建有大型數據中心400多個。作為IT設備三大核心之一的存儲設備,主要有固態盤、機械硬盤和磁帶/盤,這些技術一直被國外企業所壟斷。

    如何從包圍中突圍?一種看起來很普通的介質——玻璃引起了存儲界的關注。一塊小小的玻璃上,可以存儲一部大片。

    事實上,玻璃不僅能當存儲介質,而且其容量是藍光盤的數千倍、在1000度實驗環境下數據可保存一萬年?;谑⒉AУ亩嗑S永久光存儲技術的第一完成人,張靜宇博士,目前供職于華中科技大學武漢光電國家研究中心。

    張靜宇博士發表題為“玻璃大容量永久光存儲”的演講

    11月29日,在2023中國數據與存儲峰會上,張靜宇博士發表題為“玻璃大容量永久光存儲”的演講中。他預測,該技術有望成為下一代解決數據長期存儲的方案。

    冷存儲技術的現狀與未來

    張靜宇博士在報告中分析了現有主流冷存儲技術與下一代冷存儲技術的優劣勢對比。他指出,數據中心的成本,通過計算簡單的歸為四個方面:系統成本、電力、運維、數據遷移,主要有單驅動器、容量、穩定性、綠色環保特性等參數,以及一些針對特殊用途的參數。

    主流冷存儲技術對比

    在容量方面,市場2026年機械硬盤的存儲容量將達到50TB、密度容量3000Gb/in2,磁帶容量可達到36TB、密度容量200Gb/in2,藍光AD盤達到1TB每盤、500Gb/in2。

    在壽命方面,機械硬盤在數據中心存儲壽命是5年甚至更短,磁帶理論壽命可以達到10年,AD光盤壽命可達100年。值得注意的是數據遷移成本比較高,約占數據存儲成本的25%。

    綠色環保方面,以十年為使用周期,機械硬盤的電力成本是磁帶的7倍,以20年為使用周期,磁帶系統的電力成本是光盤的5倍,而以75年為例,藍光光盤、磁帶、機械硬盤三者的電力成本之比是1:5:35。

    在技術積累方面,機械硬盤,自2007年Iomega收購易拓后,國內已無硬盤技術和生產,全部依賴進口,磁帶也是全部通過進口來解決,但光盤因為有易華錄和松下合作,掌握了部分技術,國內發展光盤、光驅技術具備一定的積累,市場上也有多家光盤庫廠家。

    綜合容量、壽命、技術積累、綠色環保等因素來看,機械盤容量最大,使用成本偏高,光盤壽命最長、成本最低,但是容量最小。磁帶各方面處在居中的狀態。對比之下可以發現,光盤有很大的空間,如果容量提升得到突破,可能會成為未來冷數據存儲介質中最好的解決方案。

    主流冷存儲技術的瓶頸主要體現在容量和壽命方面。容量方面,受限于磁場大小和矯頑力,磁存儲已趨于極限,受限于光學衍射極限,光存儲已趨于極限;壽命方面,受限于傳統介質的物化屬性,機械硬盤和磁帶的使用壽命難以突破10年。

    下一代冷數據存儲技術

    玻璃三維。為了提升容量,日立曾進行了激光打點(類似激光微雕)的石英三維光存儲的開發,但由于結構尺寸較大,以及結構光散射大,導致底層無法讀取,層數受限,最終均導致容量受限,而寫入閾值高,導致系統成本偏高。

    不過,因為玻璃介質成本比較低,寫入速度也符合工業要求。

    超分辨光存儲。這是一項可以追溯到諾貝爾獎得主Stefan Hell教授所做的技術。該技術通常需要多次的激光照射,用實心光去做寫,空心光斑去做“擦除”,光波長還不一樣,此外,還需要復雜的光刻膠和蛋白質體系,而且讀寫都需要超分辨,所以,不僅速度非常慢,而且介質成本、寫和讀系統的成本都很高。

    DNA存儲。作為分子量級的存儲,它需要DNA合成技術寫入,寫入速度慢,導致寫入系統成本高,讀取需要DNA測序,因此,讀取系統成本高。此外,它的壽命比較長,國內也有一定的技術積累。

    玻璃多維存儲技術。該技術最早源自于2003年的一篇文章?;诩{米光柵的多維度光存儲,結構尺寸小,透過率高,層數與容量不受限,因此容量高,寫入閾值低,壽命長、系統整體成本低、非常穩定。

    來自于微軟的信息顯示,該技術的優點是非常適合數據備份、使用壽命非常長,不存在傳統數據存儲的“腐爛”現象,無需冗余和備份——通常數據每分每秒都在損壞,因為介質的使用頻次、負荷、保存環境的不同,在考慮“數據腐爛”問題時必須考慮最糟糕的情況來做冗余,這樣導致大量容量浪費。玻璃存儲因為沒有“數據腐爛”,因此用戶實得容量高。

    微軟利用這樣技術展示了在玻璃上存儲電影“超人”電影。但是,該技術仍存在寫入速度較緩慢的難題,微軟迄今尚無理想的解決對策。

    玻璃多維存儲技術展望

    1999年,英國南安普頓大學首次觀察到了納米光柵的實驗現象,2003年,首次完成了納米光柵的表征,2011年,張靜宇博士在英國南安普頓大學開始玻璃大容量永久存儲技術的研發,三年后,首次實現了真實數據的讀寫及壽命測算。2018年,微軟CEO對外宣布介入研發,2023年,微軟內部上線測試。借助張靜宇和南安普頓大學的技術方案搶先完成產品化。

    Microsoft的大型玻璃存儲光盤庫設計

    在國內,2000年,信息存儲系統教育部重點實驗室成立,實現信息存儲,2006年研制完成全國產制式的光存儲碟機NVD,2014年我國首次實現真實的讀寫和壽命測算。2016年,該技術被中國兩院院士評世界十大科技進展之一,2017年,張靜宇博士回國后突破了多項關鍵核心技術,2022年,搭建完成了轉動樣機。

    國內團隊如何與微軟這樣資金去抗衡?張靜宇博士回國后突破的多項關鍵核心技術有哪些?

    據了解,其一是突破了多個參數維度。通過在玻璃體里三維任意的點作為數據存儲單位,通過結構方向和結構強度,推出了玻璃五維永久光存儲技術,單個數據點可存儲多個bits的信息。玻璃五維永久光存儲技術具有以下優勢:透過率高達99%,最多可達400層甚至1000層,每個數據點存入多個bits,存儲容量最高可達360TB,

    其二是解決寫入速度慢的難題。華中科技大學科研團隊,借鑒基礎研究成果重點解決寫入速度的問題,采取有別于微軟、南安普頓的技術路線,通過轉動快速寫入技術等原理創新,將寫入時間下降到ps量級,實現了旋轉讀寫。

    實際寫入實驗展示,在玻璃介質上劃分成不同的扇區,每層每個存儲扇區約有100KB,上下共有400層,原始誤碼率低于1%的占98%,已經滿足了工業化要求。

    目前已經實現寫入點間距400納米,驗證了4TB的存儲容量,讓存儲技術達到非常好的雷達圖顯示,比微軟更為先進。

    張靜宇博士表示,下一步,研發團隊希望通過降低激光器的參數需求從而降低成本,同時也持續攻克超高精度的伺服和信號處理以及雙光頭力矩器的小型化,以提升系統的穩定性。

    他預期,到2025年,玻璃容量將提升到10TB,寫入速度單介質提升數十MB/s,脈沖能量消耗降低至現有能量的10%,使用壽命近乎無窮,并且耐高溫和耐高壓。

    可以預見,這項技術的突破和商業化,將給市場帶來巨大的沖擊。期待張靜宇博士和華中科技大學更多的創新成果。

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