2 月 18 日,微軟的玻璃芯片問世并登上 Nature 論文,研究人員利用飛秒激光在硼硅玻璃中刻錄相位體素的光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù),一塊僅 2 毫米厚的玻璃片可以容納 4.8TB 數(shù)據(jù),這相當(dāng)于大約 200 萬(wàn)本印刷書籍或 5,000 部超高清電影。
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(來源:Nature)
簡(jiǎn)單來說,該技術(shù)就是把數(shù)據(jù)寫進(jìn)玻璃里。這塊兩毫米薄、巴掌大小的方形玻璃里,所塞進(jìn)去的數(shù)據(jù)足以裝下近千部高清電影。
這項(xiàng)技術(shù)利用光的相位差異在四維空間編碼信息,只需單次激光脈沖寫入,成品玻璃理論上可保存 1 萬(wàn)年而不需維護(hù),能抵御磁帶、硬盤等傳統(tǒng)介質(zhì)的衰減與惡意篡改,有望徹底改變數(shù)據(jù)歸檔與數(shù)字遺產(chǎn)保存方式。
此次研究使用的技術(shù)叫做 Project Silica,中文是二氧化硅項(xiàng)目。硅,是沙子的主要成分。日常家中的窗戶、烤箱門甚至微波爐轉(zhuǎn)盤,使用的都是同一種材料也就是硼硅鹽酸玻璃。這種玻璃便宜、透明、耐熱、防水、不會(huì)生銹。但問題是怎么把數(shù)據(jù)寫進(jìn)去。
微軟團(tuán)隊(duì)使用了一臺(tái)飛秒激光器。飛秒非常短,一飛秒是一千萬(wàn)億分之一秒,比眨一下眼睛還要快許多倍。這么短促的激光脈沖打進(jìn)玻璃,會(huì)在焦點(diǎn)處產(chǎn)生高溫高壓,從而改變那一小塊玻璃的結(jié)構(gòu)。他們把這個(gè)小斑點(diǎn)叫做 voxel,等于就是玻璃里的一個(gè)像素點(diǎn)。
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(來源:微軟)
傳統(tǒng)技術(shù)需要使用很多個(gè)脈沖激光才能寫一個(gè)點(diǎn),速度非常之慢。這項(xiàng)研究則搞定了兩件事:一是把每個(gè)點(diǎn)的寫入時(shí)間壓縮到一個(gè)脈沖,二是讓激光束分成四條同時(shí)刻寫。現(xiàn)在的寫入速度是每秒 6,500 萬(wàn)比特,雖然距離硬盤還差得遠(yuǎn),但是作為檔案存儲(chǔ)已經(jīng)夠用。
在讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候,不需要把玻璃插進(jìn)什么特制的機(jī)器,只需要一臺(tái)顯微鏡加一個(gè)攝像頭。激光掃過玻璃,不同結(jié)構(gòu)的點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生不同的亮度,攝像頭拍下來之后,軟件再把這些亮暗點(diǎn)翻譯回 0 和 1。以前的讀取設(shè)備需要三個(gè)攝像頭才能分清楚偏振方向,現(xiàn)在使用一個(gè)攝像頭就夠了,成本直接砍掉一大半。
為了讓玻璃能夠存更多層,他們把數(shù)據(jù)一頁(yè)一頁(yè)摞起來,每層間隔只有幾微米。一束激光掃過去,一次能夠讀到三十多層的信息。整塊玻璃摞了三百多層,總厚度只有兩毫米。
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(來源:微軟)
那么,一萬(wàn)年是怎么算出來的?微軟團(tuán)隊(duì)使用了一種名為加速老化的方式。他們把寫好數(shù)據(jù)的玻璃放進(jìn)烤箱,加熱到四百多攝氏度,觀察那些結(jié)構(gòu)在多久之后會(huì)消失。高溫會(huì)加速分子的運(yùn)動(dòng),也會(huì)讓時(shí)間快進(jìn)。把高溫下的衰減速度畫成曲線,再往回推算到常溫,結(jié)果就是一萬(wàn)年。
當(dāng)時(shí),實(shí)驗(yàn)室里的一萬(wàn)年不等于現(xiàn)實(shí)世界的一萬(wàn)年。萬(wàn)一玻璃摔碎了,數(shù)據(jù)一樣會(huì)丟失。所以,這套系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)械臂玻璃庫(kù),機(jī)器人會(huì)把你要讀取的那塊玻璃從架子上取下來送到顯微鏡下掃描。多塊玻璃之間還可以互相備份,假如壞了一塊能夠從別的塊補(bǔ)回來。
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(來源:微軟)
它最直接的應(yīng)用場(chǎng)景是用在檔案館、圖書館和博物館。那些需要永久保存的孤本古籍、歷史影像和科研數(shù)據(jù),再也不用每隔幾年拷貝一次。目前,音樂版權(quán)公司已經(jīng)找到微軟談合作,有個(gè)叫 Global Music Vault 的項(xiàng)目,正打算把世界各地的音樂存進(jìn)玻璃,埋到北極的冰層下面,讓一萬(wàn)年后的人類還能聽到今天的聲音。
事實(shí)上,華納兄弟幾年前就曾和微軟合作把一部《超人》電影存進(jìn)了一塊石英玻璃里。甚至有人還想用它做一個(gè)“金唱片”。四十多年前,旅行者號(hào)探測(cè)器帶著一張鍍金銅唱片飛出太陽(yáng)系,上面錄了地球的影像和聲音。現(xiàn)在,有一只科研團(tuán)隊(duì)正在眾籌新一代的“金唱片”,他們打算使用本次微軟團(tuán)隊(duì)打造的玻璃作為介質(zhì),存進(jìn)更多影像、語(yǔ)言和音樂。讓未來無論誰(shuí)撿到它,都可以讀懂我們二十一世紀(jì)的人類。
那么,這項(xiàng)技術(shù)何時(shí)能夠用在手機(jī)上?這可能還為時(shí)尚早,無論是讀寫速度、設(shè)備成本還是玻璃的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),都還需要時(shí)間。但是,本次成果至少告訴我們,數(shù)據(jù)并非只能存在于電和磁里,也可以被裝入玻璃里。
參考資料:
相關(guān)論文 https://www.nature.com/articles/s41586-025-10042-w
https://www.microsoft.com/en-us/research/blog/project-silicas-advances-in-glass-storage-technology/
排版:胡巍巍
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