微軟玻璃硬盤問世：單片75G像素級存儲，千年質保期｜專訪

書籍容易腐爛，照片終將褪色，CD 和硬盤的壽命不過數年，那麼有沒有更好的數據存儲介質呢？

圖 | 這塊 75 毫米 x 75 毫米 x 2 毫米的玻璃上儲存了 1978 版《超人》電影。約 75.6GB。（來源：微軟）

微軟公司（Microsoft）找到了新的數據儲存方式。該公司和華納兄弟公司（Warner Bros.）合作，將 1978 版的《超人》存儲到了一塊玻璃中，數據多達 75.6GB。這是玻璃硬盤從概念到落地的實踐。

圖 | 華納兄弟檔案高管 Brad Collar 和華納兄弟首席技術官 Vicky Colf 展示同一部電影在膠卷與玻璃存儲的對比。（來源：微軟）

這塊玻璃為杯墊大小，75 毫米 x 75 毫米 x 2 毫米。微軟使用紅外激光將電影數據解碼為三維像素（voxels），存入玻璃後，其中的數據可以機器學習來進行解碼讀取。

與數字硬盤存儲方式不同，玻璃硬盤是激光通過在玻璃不同的深度和角度上創建一層三維納米光柵和變形進行數據編碼存儲，讀取數據則需要機器學習算法來解碼在偏振光透過玻璃時產生的圖像和圖案。

其編碼和解碼原理是，飛秒激光（發出超短光脈衝且通常用於治療近視的 LASIK 手術）會熔融玻璃形成與光偏振相關的納米光柵結構，那麼寫入納米光柵的點可以表示"1"，而"0"則無需寫入。此前澳大利亞斯威本科技大學課題組 James Chon 副教授及顧敏教授在 2009 年就用這個方法實現了數據儲存，即在 5 個維度上實現信息編碼，包括了光的偏振、波長以及 x、y、z 三個坐標等 5 個物理維度。

華納兄弟通過將數字副本轉換回模擬膠片並將其分成 3 個色彩分量（青色，品紅色和黃色）分別將其轉移到黑白膠片負片上，這就不會像彩色膠片一樣褪色。

微軟表示，一塊 2 毫米厚的玻璃可以包含 100 多個數據層。每一層都由激光寫入的納米光柵組成，然後機器學習算法在它們之間跳轉以對其進行解碼。

圖 | 華納兄弟公司的膠片冷藏庫，需要恒溫、恒濕，還要時常檢測有無化學分解。（來源：微軟）

長期以來，華納兄弟在尋找能夠長期儲存那些無需經常訪問的"冷"數據。該公司目前在溫度和濕度受控的冷庫中用膠卷來保存巨量的影視數據，時不時還要用探測器檢測有沒有化學分解，同時其存儲數字檔案的固態硬盤需要每 3 年遷移一次，以避免電子衰減而丟失數據。這個過程代價高昂。華納兄弟還作了多手準備來防備數據存儲事故，比如要應對地震或颶風來襲，還要防止火災和洪水破壞膠片。他們準備在世界各地放置 3 個拷貝，2 份為數字副本，1 份為原始素材拷貝。微軟的矽項目讓他們看到了一勞永逸存儲數據的希望。

微軟公司 CEO Satya Nadella 說，這個玻璃硬盤係統是一個嶄新的冷存儲係統。要知道，玻璃經過煮沸、烘焙和刮擦都無損其存儲穩定性，因此數據可以保存數個世紀。此外玻璃存儲不需要控製溫度和濕度，這就大大降低了數據庫的環保成本。

玻璃硬盤更保真。華納兄弟檔案高管 Brad Collar 說，如今電影拍攝為數字拍攝，需要將數字像素存儲到膠片模擬介質中，這就損失了原有的像素，並且這是不可逆的，而玻璃存儲則如同相機一樣保留了原始像素。

與 CD 光盤相比，玻璃硬盤也有很大優勢。CD 光盤隻能以平麵上的凹凸來儲存"0""1"，而玻璃可以三維陣列來實現高儲存密度，那麼以激光技術可以實現在 2 毫米玻璃中存儲 100 多層三位像素。

另外，玻璃存儲通過光學讀取器來訪問數據，速度也更快，機器學習算法可以迅速進行數據定位然後歸位，大大減少提取信息的延遲，而光盤、磁帶則需要時間來找到讀取位置。

微軟這個項目名為矽項目（Project Silica），微軟研究院是負責部門。作為科技公司巨頭，微軟公司希望玻璃硬盤能滿足數據長期存儲的需求。

圖 | 微軟的光學科學家在檢查激光寫入設備。（來源：微軟）

自 2009 年科學家提出可以用光學寫入透明材料來存儲數據以來，科學家就盯上了玻璃。

玻璃存儲研究是微軟公司與英國南安普頓大學（the University of Southampton）合作開展的，後者於 2013 年開發了利用飛秒技術進行玻璃存儲數據的技術。

除了電影，有很多數據值得"冷"存儲。比如患者一生的醫療數據、法律合同、能源勘探的地質信息、圖書館數據、檔案館數據以及城市規劃等等。

目前隻是微軟開發玻璃硬盤的開始，這項技術仍然需要成熟。數據的讀寫速度和密度需要提高，成本需要下降，以及技術的可擴展性也要提高。

不過其應用空間巨大。威斯康星大學麥迪遜分校電子及計算機工程係副教授喻宗夫說，曆史上有一種方法能經過長時間尺度的考驗，那就是洞穴石頭上的刻畫，但現在我們數據如此多，如何係統快速刻在石頭上是一個難題。那麼選擇刻入玻璃是個很聰明的選擇。因為透明，可以利用激光在三維尺度上刻字，極大增加了儲存量。"最近我們研究發現玻璃裏的三維結構還可以進行智能計算。有儲存，有計算，也許玻璃可以組成一個經得住時間考驗的計算機了，這很有意思。"（喻宗夫提及的智能玻璃指的是他們發明的用來識別數字的玻璃，詳見《最聰明玻璃誕生：以光散射為核心算法，無需耗電，可識別數字 | 專訪》

喻宗夫認為，保存時間是玻璃硬盤最大的優勢，隻是其讀和寫會比較慢、也比較貴，可能不適合普通消費者對儲存的需求。

圖 | 微軟工程師在使用光學儀器和 AI 檢索和讀取玻璃中的數據。（來源：微軟）

DeepTech：你如何評價微軟這個工作？

李向平：首先這項成果非常有意義，主要在於光存儲向大數據存儲以及企業級應用的轉化。利用玻璃可以實現長時間的冷數據保存，相比現在的硬盤存儲方式，具有更低能耗（光盤數據不耗電）及數據長壽命（100 年以上）的優勢。對於企業級用戶，尤其是大數據中心，例如 Facebook、Google、國家安全信息保存、銀行等大數據及冷數據保存非常有吸引力。

不過這個技術還處在研發階段，理論存儲數據容量高，缺點是存儲速度較慢，需要多個脈衝累積在玻璃內形成微納光柵（其原理決定的）。該技術需要進一步實用化，急需解決速度的問題，以及工業化成本問題（強飛秒脈衝激光器成本貴）。

DeepTech：五維（5D）數據指的是什麼？用三維數據不夠嗎？

李向平：三維是 X、Y、Z 這 3 個坐標軸，但是因為光波的電場振動具有方向性即偏振，這就是第四個維度。這裏他們的技術還利用了光的另外一個維度是振動的強度。如果是三維，受到光學衍射極限的限製，光學數據存儲中記錄光斑大小為半個波長左右，一張光盤的存儲差不多就是 1 個 TB 的上限了。在增加光的偏振方向和振動強度兩個維度之後，光盤的容量就不受限於三維空間的限製，就可以在這相同的物理空間尺度上再增加它的存儲容量，所以這是多維的一個概念，其深受人喜歡的原因就是它可以理論上突破這種衍射物理極限的限製。

DeepTech：玻璃硬盤的數據還是以"0""1"二進製的，是吧？

李向平：還是二進製。比如可依據偏振光的強度分為幾個灰階，那樣的話信息存儲容量就極大增加了。

DeepTech：為什麼選擇玻璃？隻要是透明的物質都行，是吧？

李向平：玻璃還是有點特殊的，因為微軟這個技術是玻璃在激光照射下會發生物理特性的改變，尤其是采用脈衝激光器多個脈衝的時候，會在焦點內形成這種周期性的納米光柵的分布。這種與偏振取向相關的周期性納米光柵結構是它存儲的原理。如果換用其他物質不一定會有這個機製，就沒法實現偏振維度的複用。

同時，玻璃具有抗高溫，抗電磁幹擾，還耐磨損的特性，所以它可以保存時間達到千年左右。

DeepTech：微軟的研究中，激光設備比較龐大，那麼將來小型化後會有惠及普通民眾的消費級應用嗎？

李向平：可能會小型化，但是其小型化概念可能和我們平時用的如 DVD 光驅、DVD 影碟機不一樣。現在的大數據它追求的是容量大，這種需求定位是企業級用戶大數據中心的。我們平時可以看到一些數據中心有很多大的機櫃，現在是說用這種自硬盤陣列的方式來實現存儲，那麼將來的話光盤也可以做到和硬盤相當，甚至比硬盤容量更大。

DeepTech：微軟為什麼要做玻璃硬盤這個項目？

李向平：這些公司意識到大數據時代下，誰擁有數據，誰就擁有未來的話語權。但數據最終還是需要保存的，數據保存以後在上麵建立算法，進行數據挖掘才有數據的商業價值，那麼如果誰能把這些數據保存下來才有發言權，而數據保存中企業級消費就是一個很大的市場。

冷數據也值得保存。比如你朋友圈的微信發出去，可能當天或者一周之內朋友訪問和點擊很多，但是一周之後數據就不再被訪問了，但是根據國家法律規定，這些數據它是有用的、也是有效的，信息企業有義務保存這些信息。大數據現在存儲每天的數據容量很大，但是這些數據的話不把它存下來，丟了又可惜，但是你要把它全部存下來的話，現在存儲介質又不夠。

現在的存儲方式就是磁盤、磁帶庫等，就是以前影碟機磁帶轉軸的那種方式，其成本很低，大概就是每 GB 可以做到幾分錢。但這種存儲的最大的問題就是磁帶用久了會黏連，所以其數據每隔一兩年要倒帶一次，不然磁帶發生黏連。此外磁帶是順序讀取，不能像光盤或者硬盤是隨機讀取、隨機尋址，隻能從頭到尾順序讀取。

其實數據中心很大一部分的成本是來自這種設備存儲硬件的維護費用，還有就是這些設備的冷卻、空調製冷，因為這些設備都會發熱。

像 Facebook 還有索尼率先想到用光盤存儲冷數據，數據放在那裏，不需要耗電，而且可以保存 20 年以上。他們認為用藍光光碟來代替磁盤庫有很大的優勢。所以他們為代表的大數據企業在積極推動低能耗大數據存儲這件事情。

DeepTech：國內這方麵研究是怎樣的？

李向平：之前國內有兩個國家光盤中心，分別是清華大學金國藩院士和中科院上海光機所幹福熹院士牽頭。不過國內光存儲技術起步較晚，在 DVD 和藍光技術中一直受製於人。隨著光存儲消費級市場的萎縮，後麵做的人就少了。目前，國內還有不少從事全息光存儲的課題組，包括福建師範大學譚小地教授的全息光盤技術，盡管全息光盤讀寫速率快，但是其存儲容量還是有限。目前主要競爭的光存儲技術，一個是微軟和南安普頓大學合作開發的五維存儲這個，另外就是我們和國內某企業合作開發的七維（7D）存儲技術。

我們的多維存儲技術和英國南安普頓大學的技術原理有相似的地方，都是用光的維度，不同的地方是我們用的材料不同。我們采用了先進的納米材料技術，來實現與光的多維度的響應和複用存儲，具有更快的速度和更高的容量。

微軟用玻璃的好處是材料相對很簡單，但他們有個最大的問題，就是技術原理決定它存儲速度不夠快，因為它要多個脈衝寫入數據，所以在每個點停留的時間要很長。我們用的方法正好解決了他們的寫入速度的問題，可以做到單個脈衝的記錄，所以比微軟的技術要快 1 到 2 個數量級！而且，我們可以實現對 7 個維度的複用存儲，存儲容量比微軟的技術也要高 2 到 3 個數量級。

李向平，1979 年出生，暨南大學光子技術研究院研究員，博士生導師。2002 年本科畢業於南開大學物理學院應用光學專業，2005 年在南開大學現代光學研究所獲得碩士學位。2009 年獲得澳大利亞斯威本科技大學博士學位。2009 至 2015 年在斯威本科技大學微光子中心就職博士後、高級研究員。主要從事等離激元、超分辨、激光加工及光存儲方麵研究