用激光在玻璃中存储海量、高速、高效的数据

人类正以指数级速度生成数据，约每3年翻一番，其中许多数据具有重要的个人、商业或法律价值，需保存数十年甚至数百年。但大多数数字存档系统依赖的介质在几年内就会降解，数据必须定期迁移到新介质，这一过程耗费时间、设备和能源。因此，找到数字数据长期保存的替代技术至关重要。
基于激光在玻璃或其他耐用介质中写入的光存储技术——飞秒激光直接写入，因其介质具有热稳定性、化学稳定性，且能抵抗湿气侵入、温度波动和电磁干扰，成为颠覆现有技术的潜力候选。
本文介绍了“Silica”，这是一种基于飞秒激光在玻璃中直接写入的综合档案数字数据存储技术。它保证数据完整性（存储的数据无错误检索），使用该技术的存储系统保证高数据耐久性（数据不会因故障丢失），是首个满足生产存储系统所有要求的玻璃基数据存储技术。
该技术的核心创新包括：两种高效的玻璃体素写入方式（基于各向同性折射率变化的相位体素和基于各向异性变化的双折射体素），每个体素存储多位数据；高通量稳定写入，通过每台激光器多光束实现高吞吐量，并利用闭环反馈系统监控和优化激光功率；数据保留特性表征，开发了单独表征玻璃中存储数据寿命的方法；基于机器学习的解码，解决噪声和体素间串扰问题。
Silica系统流程为：用户数据经前向纠错编码后分组为符号，每个符号对应一个体素；激光能量或偏振随光束相对玻璃移动而调制，体素写入二维平面并堆叠成三维体积；读取时使用宽场显微镜捕获图像，通过卷积神经网络推断符号并解码为用户数据。
系统分析显示，在熔融石英玻璃中使用双折射体素，数据密度达1.59Gbit/mm³，单盘容量4.84TB，写入吞吐量25.6Mbit/s，每比特写入能效10.1nJ；在硼硅酸盐玻璃中使用相位体素，数据密度0.678Gbit/mm³，单盘容量2.02TB，四光束并行写入吞吐量达65.9Mbit/s。加速老化实验表明，硼硅酸盐玻璃中体素数据寿命超10000年。
总之，Silica通过优化体素写入脉冲数，实现了高写入吞吐量、能效和密度，全自动化的写入、读取和解码流程证明了其稳健性，有望成为数字时代的档案存储解决方案。