寿命长达1万年，还不需要电……可装下“1750部电影”的玻璃碎片 [科技谈]

by Lim Juhyeong

Published 20 Jan.2024 09:00(KST)

Updated 23 Jan.2024 18:45(KST)

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玻璃硬盘诞生
MS顶尖研究团队成功研发
以光刻写并存储数据

去年10月，美国大型科技企业微软（MS）发表了一篇极为新颖的论文，内容是将计算机数据存入石英玻璃（Quartz glass·无杂质的高纯度玻璃）中的技术。通俗地说，就是用玻璃制作的硬盘。

微软研究院开发的“Silica 项目” 图片由微软提供

这一研究项目名为“Project silica（硅石计划）”。照片中研究员手中的长方形玻璃结构内，存有7太字节（TB）的数据，相当于1750部、每部4吉字节（GB）容量的电影。如果这一项目实现商业化，整个数据存储行业都有可能被彻底改写。

微软最精锐研究团队开发的“玻璃硬盘”

微软因Office、Windows操作系统（OS）、Azure云服务等广为人知，但实际上也是一家在前沿科学技术领域持续投入的企业。十多年前就设立了名为“Microsoft Research Group”的未来技术研究部门，每年投入天文数字的研发经费。

Microsoft Research由约650名科学家和工程师组成，是一支小而精的研究团队，其中约210人在英国剑桥大学附近的研究设施工作。他们近5年来持续研究的项目，正是基于玻璃的数据存储体系——Project silica。

简单来说，就是利用光把数据物理性地刻写并记录在玻璃碎片内部。MS YouTube供图

Project silica的工作原理相当复杂。当前最常用的数据存储体系是半导体架构，而硅石计划则是用“光”来存储数据。

首先，将飞秒激光（在极短时间内发射强力脉冲的科研用激光设备）射入石英玻璃内部。激光照射到的部分性质会发生轻微变化，形成一种立体的栅格状图案，这种图案被称为体素（Voxel）。硅石计划就是把计算机数据转换成体素，再高密度地刻写进玻璃内部，从而实现数据存储。一块硅石玻璃中可容纳的数据量高达7TB。

那么，当需要重新读取已存储的数据时该怎么办呢？这时就要用到显微镜。与计算机连接的显微镜读取超微小的体素图案，并将其解码为数据。经过这一系列过程，硅石计划就能发挥出类似硬盘驱动器（HDD）或固态硬盘（SSD）的功能。

不耗电、寿命长达1万年

那么，微软为何要费力打造这样复杂的数据存储体系？原因在于硬盘驱动器（HDD）先天存在寿命短的局限。如今一般个人电脑多采用固态硬盘（SSD），但在需要存储海量数据的数据中心，HDD仍是主力设备。经营Azure业务的微软，以及亚马逊旗下的Amazon Web Services（AWS）等，都是HDD的大客户。

与以固态硬盘（SSD）为主的家用电脑不同，数据中心仍然使用机械硬盘。 [图片出处亚马逊官网截图]

问题在于，HDD的寿命并不长。硬盘通常在使用3至5年后就开始变得不稳定，最糟糕时会完全损坏，导致其中数据全部丢失。过去使用配备HDD电脑的人，或多或少都经历过硬盘损坏，只能格式化或重新购买硬盘的情况。

硬盘寿命的限制至今仍未被完全克服。我们在使用Google Drive等存储解决方案时，一般会认为保存的数据是“安全”的，但事实上，数据中心的运营人员每天都在与时间赛跑，必须在HDD损坏之前，将客户数据备份并迁移到新设备上。正因如此，各数据中心虽然同时配备HDD，但也会兼用读写速度更慢、却更为坚固的磁带式存储体系。

由二氧化硅构成的数据存储中心。货架上陈列的每一块玻璃都可存储8太字节（TB）的容量。MS供图

相比之下，一块硅石玻璃的寿命估算约为1万年，也就是说，一旦写入数据就几乎可以永久使用。并且，与其他半导体计算机芯片不同，硅石计划几乎不消耗电力。从微软近期公开的硅石存储体系来看，除负责取出所需玻璃并送往解码用显微镜的“Picker（拾取器）”机器人外，其余部分几乎不使用电力。这将大幅减轻数据中心的运营负担，同时也更为环保。

有望引发数据中心存储行业的结构性变革

当然，硅石计划目前尚未完全进入商业化阶段。用光刻写的体素图案转换回计算机数据的过程过于复杂、耗时较长，这一直是难题。不过，据悉Microsoft Research的研究人员近期利用人工智能（AI），成功将硅石数据读取速度提升至每秒30兆比特（30mbp/s）。虽然尚未达到HDD的平均速度，但至少已经找到突破口。