新型數據存儲仍待突破“最后一公里”
http://www.debgrams.com 2021-11-23 14:01 來源：中國自動化學會專家咨詢工作委員會
信息的“洪流”可能很快就會超過硬盤的承載能力。
大數據正像發動機一樣賦能千行百業，隨之而來的是數據體量的爆炸式增長。然而，當前用于存儲數據的設備，比如光、電、磁介質和閃存，使用壽命通常不到 20 年，并且還需要消耗大量能量來維護。
盡管科學家們始終在探索以高密度和無能耗的方式來存儲信息的新方法，比如 DNA或其他分子聚合物存儲技術，但其相對成本高、讀寫速度慢等瓶頸問題仍未突破。近期，幾項關于存儲技術的新進展給數據存儲帶來了一線曙光。
新的光學分子存儲
近日，哈佛大學化學與化學生物系教授 George Whitesides 團隊及其合作者，開發了一種全新且原理簡單的光學分子存儲方法。他們使用熒光染料分子編碼二進制信息，成功將各類文字、圖像信息寫入并讀取出來，其讀、寫速度分別達到每秒128比特和 469 比特，甚至可以讀寫視頻或其他信息。相關研究已在《ACS核心科學》上發表。
光學分子存儲技術不需要對分子內部的結構或序列進行復雜編碼，且在理論上具有較高的存儲密度、無需能耗維護。然而，長期以來讀、寫速度慢，讀取次數有限等問題也制約著其進步發展。
為解決此類問題，Whitesides 等人使用熒光分子將目標信息編碼成二進制并存儲，并使用熒光顯微鏡來讀取信息。使用這種方法，他們成功在一塊小至 7.2 平方毫米的基板上存儲了約 14KB 的信息，空間信息密度達到每平方毫米271.5 字節。此外，通過重復讀取信息 1000 次以上，研究團隊發現熒光信號強度的損失較少（低于 20%），且每次都能成功讀取。
“Whitesides團隊的存儲方法原理簡單、概念新穎，在信息存儲方面具有一定的意義。”華中科技大學化學與化工學院教授吉曉帆告訴《中國科學報》。
中國科學院自動化研究所模式識別國家重點實驗室研究員楊戈同樣認為，“這是一個創新的方法”。
“它實際上是基于化學熒光分子的存儲技術。”楊戈對《中國科學報》說，“但它用噴墨打印來實現，存儲密度、讀取速度可能會受到影響。此外，通過熒光標記的方式，會面臨熒光分子的發光衰減問題，從而可能限制讀取次數。”
按需開發存儲材料
“信息存儲手段多種多樣，不同存儲手段有不同的優點，可以應用于不同場景。”北京化工大學材料科學與工程學院教授郭金寶告訴《中國科學報》，“人們可以根據自己的需求，如存儲信息的內容、安全性等，選擇存儲手段，開發不同的存儲材料。”
近日，郭金寶團隊在《先進功能材料》發表論文，使用具有可重寫熒光圖案和可重構3D形狀的液晶彈性體材料來實現多重信息存儲與加密。他們利用材料特性產生的兩種信息存儲方式，進一步拓展了存儲信息的數據量；另一方面，該體系在讀取信息時需要兩步不同的解密方式，使存儲信息的安全性大大提高。
“需要指出的是，我們這個工作屬于基礎研究，旨在拓展液晶彈性體在信息存儲方面的應用，距離實際應用還存在較大差距，仍需進一步探索。”郭金寶說。
而吉曉帆團隊在線發表于《先進材料》的成果，則展示了利用聚集誘導發光（AIE）超分子水凝膠實現信息大量存儲的可能。
“AIE超分子水凝膠是以信息碼技術為基礎，結合AIE分子、超分子凝膠的優良性能，集光、通信和網絡技術為一體的新型存儲技術。”吉曉帆告訴《中國科學報》，“它與傳統磁介質、光介質、DNA存儲均不一樣。AIE超分子水凝膠是一種有機介質，為信息碼提供了優良的載體從而實現了信息的大量存儲。”
因此，或許在不久的將來，AIE超分子水凝膠作為信息碼材料存儲的信息量能夠和硬盤媲美。
近年來，DNA存儲技術領域也屢屢取得新進展。不少科學家認為，從地球生命誕生至今，DNA已經進化到可以以極高的密度存儲大量信息，“理論上一個裝滿DNA的咖啡杯就可以存儲世界上所有的數據”。作為存儲介質，DNA穩定、存儲密度高、耗費能量少等特點讓其廣受追捧。
中國科學院化學研究所研究員宋延林認為，盡管DNA存儲技術相關研究已經有些年頭了，但離實際應用還有不小距離，目前的技術路線并不清楚。
“DNA存儲在理論上有很多優勢，但它還有很多關鍵技術難題需要解決。” 宋延林說，“無論傳統的光、電、磁介質存儲還是功能分子、DNA存儲，一項能夠實際應用的技術，除了存取密度、速度、使用壽命和安全性外，還要考慮其穩定性、方便性和成本。”
產研合作加速產業化
“現在確實面臨一個問題。”楊戈說，“我們生活在一個信息化的社會，對數據的需求越來越多，產生的數據量越來越大。比如，騰訊、阿里、字節跳動等信息技術公司，在能源價格低廉的偏遠省區建了很多數據中心，但能源消耗仍然是個大問題。而且，現在的主流存儲方式都有其物理上的限制，人們迫切需要尋找新的存儲技術。”
楊戈介紹說，DNA存儲技術用構成遺傳密碼的4種核苷酸（即腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥嘌呤和胞嘧啶）將信息編碼在DNA中。其基本原理是一次寫入、多次讀出，是一種長期存儲的技術。目前DNA存儲技術雖然有很多不同的實現方式，但基本的技術路線是一致的。
借助現代生命科學領域的成熟技術，比如合成和測序等，DNA存儲技術得到快速發展。美國微軟、因美納等數據存儲和生物技術公司還成立了DNA存儲技術聯盟，共同推動該技術的發展。
楊戈認為，數據存儲技術有很多種，單就DNA存儲技術來說也有多種實現方式，將來誰做得比較好，誰可能就會闖出一條路來。美國加入DNA存儲技術聯盟的公司和大學已經有三四十家，“從長遠看，這有可能又會成為一項關鍵技術”。
“DNA作為數據存儲材料具有存儲量大、存儲密度高、存儲周期長等優點。”郭金寶說，“然而，該技術在當前面臨的挑戰還很大，如合成成本高、讀取過程復雜等，并且其相關研究主要停留在實驗室層面，距離真正的應用還有很長的路要走。”
截至目前，我國在DNA存儲上已經形成了一批隊伍，中國科學院國家納米科學中心、天津大學、南方科技大學等單位都有課題組在做相關研究。
“我們目前在基礎研究方面已經有了不錯的積累，在納米技術方面也走在了國際前列。”楊戈說，“但在實驗室里做出一個原理性的東西、發幾篇論文，與投入實際應用還有很長一段距離，其中有很多復雜的工程問題需要解決。下一步，希望能夠成立技術聯盟，通過研究機構和企業的合作，加速技術產業化。”
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