中新社北京5月30日电
中国工程院外籍院士、澳大利亚科学院院士、澳大利亚技术科学与工程院院士顾敏30日在北京指出,PB容量绿色光子存储技术的发展将掀起信息技术的新革命,为将来发展绿色更大容量、更高速度的全光光子大数据中心奠定坚实的基础。

光学大数据存储:更快,更久,更绿色
——外籍院士顾敏介绍突破衍射光学极限的光存储技术最新进展

摘要:大数据光盘不仅容量大,而且单点消耗的能量很低,数据存储寿命可以达到650年。

中国工程院第十四次院士大会当日在北京举行全院学术报告,顾敏以“绿色光学大数据存储更绿、更快、更长”为题作报告时作上述表示。

“到2025年,全球数据存储耗电量可能相当于全球全年的石油发电量。按照目前数据存储3年耗电翻番的速度,10年后全球石油产能就不够用了。”30日上午,在中国工程院第十四次院士大会全院学术报告会上,外籍院士顾敏抛出一个严峻的问题。

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顾敏表示,随着计算机和网络等技术的迅猛发展,信息量呈爆炸性增长,预计到2020年会达到40ZB,2025年达到162ZB。澳大利亚和中国的数据占全球数据的4.5%。

光学专家顾敏是首位华裔澳大利亚科学院院士、澳大利亚技术科学与工程院院士。他说,光学存储技术的发展可以提供解决方案,“未来的大数据中心将有更高速度、更大容量,而且是绿色的”。

首届沪江国际青年学者论坛暨上海高校国际青年学者论坛近日在上海理工大学举行,包括4位院士在内的多位知名光学专家出席并作主旨报告。中国工程院外籍院士、澳大利亚科学院院士、澳大利亚技术科学与工程院院士顾敏在报告中指出,激光光盘并没有退出历史舞台,随着大数据存储能耗越来越大,光存储技术有巨大的应用前景。目前,顾敏院士团队正在与中国华录集团等企业合作,研发能耗低、存储寿命长的大数据光盘。

顾敏指出,为保存这些巨量数据,大数据中心应运而生。为了满足大数据中心的PB容量的需求,通常大数据中心应用现有低存储密度的电子或磁存储媒质组成庞大的阵列技术。因而一个数据中心通常占地庞大,更重要的是随之而来的巨大能源消耗。

受限于所谓的光学衍射极限,光存储现有容量与磁或电存储相差甚远。“1873年,德国物理学家恩斯特:阿贝发现了光场聚焦的最小尺寸约为波长的一半,约300纳米,即衍射极限。该定律奠定了现代光学成像器件及光存储的基础,同时也将DVD及蓝光技术的存储密度制约在5GB到25GB的物理瓶颈。
顾敏介绍。

上海理工大学校长丁晓东在论坛上表示,上理工去年成为上海市“高水平地方大学”建设试点单位后,以未来光学、智能制造、医疗器械与康复工程三大国际实验室和系统管理一个特色平台为载体,推进建设光学工程、系统科学、动力工程及工程热物理、机械工程、生物医学工程五大一流学科。

“到2050年,全球数据存储耗电量可想相当于全球全年的石油发电量。”顾敏称,中国数据中心占全国总发电量2%,2011年耗电量相当于三峡大坝的全年发电量,全北京年用电的1.7倍。

1994年,斯特凡:黑尔发明的STED超分辨技术打破了120年来的光学衍射极限。2014年,他因参与开发出超分辨率光学显微被授予诺贝尔化学奖。

多年来,在中国工程院院士庄松林的带领下,上理工光学工程学科的教师和科研人员锐意进取,在学科发展和人才培养方面取得了优异成绩。丁晓东希望来参会的青年学者通过此次论坛,对这所高校有更深入的了解。“上海理工大学是开放的大学,热烈欢迎有志于来上海发展的青年才俊选择上海理工大学,共同为在上海建设世界一流水平的光学工程学科添砖加瓦。”

据顾敏介绍,利用突破衍射光学极限的绿色光子存储技术,已实现了单点最小记录尺寸9纳米,即实现单盘PB容量(蓝光技术的40万倍)。同时,这种全新光子存储技术的光盘支持1000倍能耗节省及超过500年的超长记录/存储寿命。

“而在恩斯特:阿贝发现衍射极限大约140年后,双光束超分辨存储技术的发明突破了存储密度制约。”顾敏解释,光盘存储需要在光盘上打出一个个“坑”,用光来储存信息。要想把光吸收的能量最大化,就要在一个“坑”里尽量放更多“点”,这个“点”越小越好。蓝光的光点比红光的光点储存的信息更小,所以出现了蓝光技术。

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顾敏带领团队开发的五维光学材料,突破了蓝光DVD三维存储的技术瓶颈。这种材料由悬浮在玻璃基板上透明塑料板内的金纳米棒层组成,在材料的同一区域内多种数据图案可在互不干扰的情况下被读取和刻写。目前已经实现了单点最小记录尺寸9纳米,
即实现单盘PB容量。

丁晓东校长在论坛上致辞。

1PB等于1024TB,实现PB级单盘容量,相当于蓝光技术的40万倍。

作为上理工光学工程学科纳米光子学方向的领军人物,顾敏为青年学者做了一个生动详实的报告。说起“光存储”,我们都不陌生,DVD和CD光盘就是一类光存储载体。它们为何能存储大量信息?顾敏解释说,烧刻光盘的过程,其实是在光盘上打出一个个“坑”。想让光吸收的能量最大化,就要在一个“坑”里尽可能放更多的“点”,而且这些“点”要越小越好。蓝光的光点比红光的光点更小,所以蓝光存储是如今光盘技术的主流。2009年,顾敏团队的一项重磅成果以封面形式发表在英国《自然》杂志上,他们首次在聚合物材料中实现了包括空域、时域、偏振等维度的五维光存储,比蓝光三维DVD多了二维,具有TB(1TB=1024GB)甚至PB(1PB=1024TB)以上的存储能力,可相当于1万张DVD的存储量。这也是科学家在世界上首次利用双光束超分辨原理,突破聚合物中的光学衍射极限,实现9纳米特征尺寸的光存储技术。

全光光子大数据中心值得期待

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顾敏介绍,现在的大数据中心为满足PB级容量需求,一般用电或磁存储媒质组成庞大的阵列,不仅占地大,还高能耗、高碳排放,而且一般只有三五年寿命,就需要重新存储。

顾敏院士在论坛上作主旨报告。

光存储的最显著特性就是绿色节能。存储容量一旦突破,就解决了顾敏一开始提到的能源问题。“这种全新光子存储光盘单点消耗的能量非常低,能耗可节省1000倍。”而令顾敏更得意的是,这种光盘拥有超过500年的超长记录存储寿命。

这种获得专利保护的双光束超分辨存储技术,在大数据时代具有巨大的应用前景。“如今,全球3%的能量用于大数据储存。按照目前数据增长的速度,再过20年,估计把全世界开采的石油都用来发电,用于大数据存储也不够。”顾敏说,微软等IT大企业已意识到这个问题,开始研发更节能的存储设备。在这个领域,大数据光盘优势明显——不仅容量大,而且单点消耗的能量很低,数据存储寿命可以达到650年。目前,他的团队正在与中国华录集团合作,推动大数据光盘的产业化进程。

“我们的探索性研究越来越多,比如脑计划、SKA望远镜、引力波探测等,我们将面临越来越多的‘长数据’需求。”顾敏说,长数据就是具有突出的时间背景,能够捕捉现实世界变化的大量数据。这就大量需要存储速度更快、存储时间更久的绿色大数据中心。

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“全光光子大数据中心”是顾敏心中理想的模式——PB级光盘存储;超低能耗;以太阳能为动力,不使用地球上的能源。

众多青年科研人员参加论坛。

(科技日报北京5月30日电)

顾敏还透露,他带领团队在超级电容器领域也取得了重要进展。超级电容器的优势是充电快,如超级电容公交车能在乘客上下车时完成充电,而缺点是能量密度低,远远低于锂电池的能量密度。与突破聚合物中的光学衍射极限相通,他们也解决了超级电容技术的衍射极限问题,有望使超级电容器的能量密度达到甚至高于锂电池。“这种技术有望率先在手机上得到应用,大幅缩短手机的充电时间。”

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