微軟研究登上Nature：把人類文明刻在玻璃里保存一萬年

編輯｜冷貓

人類有一種執念，就是將我們引以為傲的文明數據永遠的保留下去。從旅行者一號的金唱片開始，這一切都被附上了一層浪漫色彩。

這張金唱片以聲音和圖像的形式描繪地球生命。在發射時，制作人薩根博士表示：「只有在星際空間中存在先進的太空文明時，太空船才會被發現，唱片才會播放，但將這個瓶子發射到宇宙海洋中，表明了這個星球上的生命非常有希望。」

在旅行者探測器離開地球的那一刻起，就意味著這張記載人類文明信息的唱片將在宇宙中無盡地漂流，遇到另一個行星系統還有 40000 年的時間。而這張唱片的設計保存時長有十億年。

眾所周知，磁盤硬盤為主的數字存儲介質雖然能夠保存海量的數據，但是壽命和穩定性卻不盡如人意。而用傳統的模擬信號，幾乎等同于將信息雕刻在物理介質上，搭載的信息又極其受限。就像這張金唱片，只能搭載少量的音頻和圖像信息。

有沒有一種辦法，能夠用物理介質搭載模擬信息的辦法，來保存更多的數字信息呢？

微軟主導的研究項目 Project Silica 給出了一個非常出色的答案。他們將目光投向了一個全新的存儲介質：玻璃。

將數據存儲在玻璃上聽起來很未來，很浪漫。但其實這個概念可以追溯到 19 世紀，將攝影負片保存在玻璃板上的技術。不過，在光學技術極其發達的今天，一塊玻璃板已經能夠存儲令人驚訝的數據量。

根據微軟研究團隊的信息，Project Silica 已經實現了在一塊120 毫米見方、2 毫米厚的玻璃中存儲了301 層的數據數據密度為1.59 Gbit?mm?3容量達到了驚人的 4.8 TB

寫入模式實現了每束光 25.6 Mbit?s?1 的寫入吞吐量，受激光重復頻率限制，能量效率為每比特 10.1 nJ。 此外，研究團隊將存儲能力擴展到硼硅酸鹽玻璃，提供了一種成本更低的中介材料，并降低了寫入和讀取的復雜性。

對硼硅酸鹽中寫入的體素進行的加速老化測試表明，數據壽命超過 10,000 年

Project Silica 是第一種滿足生產存儲系統所有要求的基于玻璃的數據存儲技術。該研究已經在 Nature 發布。

• 論文標題：Laser writing in glass for dense, fast and efficient archival data storage
• 論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-025-10042-w

玻璃是三維的

為什么玻璃能夠作為數據存儲介質？

首先，現代光學技術已經能夠實現十分精細的能量控制，同時玻璃具有熱穩定性和化學穩定性，能夠抵抗濕氣侵入、溫度波動和電磁干擾。并且，其熔融特性能夠實現局部光學性質的改變。

和傳統物理介質最大的不同在于，玻璃是三維的

相比于我們最熟悉的物理介質存儲的最原始形態，也就是石碑，只能在一個表面雕刻信息，玻璃能夠實現多層的數據存儲，將三維空間中的體積全都利用起來。

由像素向體素的飛躍，在數據存儲領域是質的變化。

系統架構示意圖： a, 數據由用戶接收。這些數據被準備為比特流，例如，使用壓縮、加密和 FEC。b, 比特被編碼為符號。一個符號對應于調制器配置。c,d, 玻璃樣品被加載到寫入子系統中，隨著激光束相對于玻璃移動，調制器設置隨時間變化。符號逐層寫入，從下往上，填充玻璃的整個厚度。e, 數據可以安全地存儲在玻璃中超過 10,000 年。f, 為了讀取，我們使用帶有相機的自動化顯微鏡來捕獲每個體素二維層的圖像。g, 圖像被傳遞到解碼器以恢復用戶數據。

過去，玻璃存儲依賴的是雙折射體素（birefringent voxel）通過超短激光改變熔融石英內部的偏振結構，把信息編碼進材料。問題在于，形成一個體素往往需要多次脈沖疊加，工藝復雜，效率受限。

微軟團隊首先在飛秒激光寫入系統上動刀：研究者把形成體素所需的脈沖數壓縮到兩次，并證明第一次脈沖的偏振方向并不會決定最終體素的偏振結果。這個看似細節的發現，其實釋放了巨大的工程空間。

在此基礎上，他們進一步提出「偽單脈沖寫入」—— 將一個已經設定好偏振的激光脈沖分裂成兩束，使其同時充當一個體素的關鍵脈沖和另一個體素的輔助脈沖。配合光束掃描系統，寫入過程從精細雕刻式的點狀加工，演化為可以高速連續推進的工業級流程。玻璃存儲第一次在寫入效率上顯露出規模化潛力。

這一方法運用于高純石英玻璃，對材料的要求更高，成本更高。

一種用于將數據高速寫入玻璃的科研級寫入設備，創下了記錄。

但更具突破性的，是他們提出了一種全新的存儲形態：相位體素（phase voxel）

與依賴偏振變化的雙折射體素不同，相位體素通過改變玻璃內部的相位結構來編碼信息，而且只需單個激光脈沖即可形成。這不僅進一步簡化了寫入流程，還拓寬了材料邊界。研究團隊證明，相位體素不僅能在熔融石英中生成，也能在更常見的硼硅酸鹽玻璃中實現。

同時，他們設計了新的光學讀取方案，用以解析嵌入材料內部的相位信息。需要指出的是，相位體素在三維空間中會產生更強的符號間干擾，這是高密度三維存儲不可避免的副作用。為此，研究者引入機器學習分類模型，對讀出信號進行判別和糾錯，把原本的物理串擾問題轉化為可被算法消化的信號處理問題。材料科學與人工智能在這里真正發生了耦合。

一種用于從玻璃中讀取數據的科研級讀取設備。

當寫入機制與存儲形態得到革新之后，論文將重點轉向規模化能力。玻璃內部在激光作用下會經歷復雜的預熱與后熱過程，這種熱場相互影響長期限制了體素的鄰近寫入。

研究團隊構建了相應的數學模型，并在此基礎上發明多光束傳輸系統，使多個數據體素能夠在空間上相鄰、時間上同步地寫入，從而顯著提升整體吞吐速度。更有意思的是，他們利用體素形成時產生的光發射現象，作為寫入過程的實時反饋信號，實現靜態校準與動態控制。這意味著系統不再只是「盲寫」，而是具備自我監測與自動調節能力，向真正的自動化寫入系統邁進。

利用雙折射體素，在石英玻璃中，研究團隊實現了 1.59 Gbit?mm?3 的數據密度（每片盤的可用容量為 4.84 TB，體素間距為 0.500 μm × 0.485 μm，層間距為 6 μm，301 層，8 個方位級別，0.85 品質因數），寫入吞吐量為 25.6 Mbit?s?1，寫入效率為每比特 10.1 nJ。

利用相位體素，在硼硅酸鹽玻璃中，研究團隊實現了 0.678 Gbit?mm?3 的數據密度（可用容量每盤 2.02 TB，體素間距 0.5 μm × 0.7 μm，層間距 7 μm，258 層，4 個能量級別，0.92 品質因子），寫入吞吐量為 18.4 Mbit?s?1 ，寫入效率為每比特 8.85 nJ。此外，多束系統通過四束并行寫入實現了 65.9 Mbit?s?1 的吞吐量，且不會引起熱損傷。

寫入設備特寫，展示激光脈沖的高速多束數據編碼。

最后，我們把視角拉回數字存儲系統本身。

研究者提出了一種基于機器學習的符號編碼優化方法，用以系統性地權衡錯誤率、錯誤保護強度與恢復能力之間的關系。更關鍵的是，他們開發了一種新的非破壞性光學檢測手段，用于識別玻璃內部體素的老化狀態，并結合加速老化實驗，給出了支持數據保存 10,000 年的實證依據。

封存在玻璃中的文明

「僅五千年前，我們才開始使用文字。如果你思考一下將數據存儲一萬年的意義，那簡直是一個極其漫長的時間。」微軟杰出工程師 Ant Rowstron 如此評價團隊的工作。

在保存人類文明這樣浪漫的事上，研究團隊已經開始了他們的嘗試。微軟 Project Silica 團隊與一家創業公司合作，將這項技術應用于他們在挪威斯瓦爾巴群島的全球音樂寶庫。

他們使用基于二氧化硅的玻璃板，創建一個耐用的檔案庫，不僅能夠抵抗電磁脈沖和極端溫度，而且相當環保。這個寶庫將補充像全球種子寶庫和北極世界檔案館這樣的存儲設施，為音樂遺產提供一個全面的庇護所 —— 從古典歌劇到現代熱門歌曲和原住民作品。

Project Silica 的目標，是把數據寫入一塊玻璃，然后像檔案一樣放在架子上，直到真正需要時再取出讀取。一旦寫入完成，玻璃內部的數據將無法被篡改

玻璃存儲技術最突出的特點之一，是極高的空間效率。如今的數據中心往往是龐大的基礎設施集群，而玻璃存儲所需的物理空間卻只是其中的一小部分。Richard Black 表示：「我們在 Project Silica 開發的技術，可以在極其緊湊的形態中存儲海量數據。這是一種全新的效率與可持續性范式。」相比需要持續供電、冷卻和維護的大型存儲陣列，玻璃板更像是高密度、低運維成本的長期檔案介質。

目前，玻璃存儲技術已經能夠在一塊玻璃板上存儲數 TB 數據，并實現長達 10,000 年的保存時間。這在超長期存儲介質中是難以想象的。

或許，用一個玻璃數據庫來封裝人類文明的全部精華，已經不是遙不可及的夢想。