unsplash
■感謝 張雙虎
信息得“洪流”可能很快就會超過硬盤得承載能力。
大數(shù)據(jù)正像發(fā)動機一樣賦能千行百業(yè)，隨之而來得是數(shù)據(jù)體量得爆炸式增長。然而，當前用于存儲數(shù)據(jù)得設備，比如光、電、磁介質(zhì)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得方式來存儲信息得新方法，比如 DNA或其他分子聚合物存儲技術(shù)，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(guān)于存儲技術(shù)得新進展給數(shù)據(jù)存儲帶來了一線曙光。
新得光學分子存儲
哈佛大學化學與化學生物系教授 George Whitesides 團隊及其合，開發(fā)了一種全新且原理簡單得光學分子存儲方法。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(guān)研究已在《ACS核心科學》上發(fā)表。
光學分子存儲技術(shù)不需要對分子內(nèi)部得結(jié)構(gòu)或序列進行復雜編碼，且在理論上具有較高得存儲密度、無需能耗維護。然而，長期以來讀、寫速度慢，讀取次數(shù)有限等問題也制約著其進步發(fā)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 平方毫米得基板上存儲了約 14KB 得信息，空間信息密度達到每平方毫米271.5 字節(jié)。此外，通過重復讀取信息 1000 次以上，研究團隊發(fā)現(xiàn)熒光信號強度得損失較少（低于 20%），且每次都能成功讀取。
“Whitesides團隊得存儲方法原理簡單、概念新穎，在信息存儲方面具有一定得意義。”華中科技大學化學與化工學院教授吉曉帆告訴《華夏科學報》。
華夏科學院自動化研究所模式識別China重點實驗室研究員楊戈同樣認為，“這是一個創(chuàng)新得方法”。
“它實際上是基于化學熒光分子得存儲技術(shù)。”楊戈對《華夏科學報》說，“但它用噴墨打印來實現(xiàn)，存儲密度、讀取速度可能會受到影響。此外，通過熒光標記得方式，會面臨熒光分子得發(fā)光衰減問題，從而可能限制讀取次數(shù)。”
按需開發(fā)存儲材料
“信息存儲手段多種多樣，不同存儲手段有不同得優(yōu)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《華夏科學報》，“人們可以根據(jù)自己得需求，如存儲信息得內(nèi)容、安全性等，選擇存儲手段，開發(fā)不同得存儲材料。”
郭金寶團隊在《先進功能材料》發(fā)表論文，使用具有可重寫熒光圖案和可重構(gòu)3D形狀得液晶彈性體材料來實現(xiàn)多重信息存儲與加密。他們利用材料特性產(chǎn)生得兩種信息存儲方式，進一步拓展了存儲信息得數(shù)據(jù)量；另一方面，該體系在讀取信息時需要兩步不同得解密方式，使存儲信息得安全性大大提高。
“需要指出得是，我們這個工作屬于基礎(chǔ)研究，旨在拓展液晶彈性體在信息存儲方面得應用，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(fā)表于《先進材料》得成果，則展示了利用聚集誘導發(fā)光（AIE）超分子水凝膠實現(xiàn)信息大量存儲得可能。
“AIE超分子水凝膠是以信息碼技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合AIE分子、超分子凝膠得優(yōu)良性能，集光、通信和網(wǎng)絡技術(shù)為一體得新型存儲技術(shù)。”吉曉帆告訴《華夏科學報》，“它與傳統(tǒng)磁介質(zhì)、光介質(zhì)、DNA存儲均不一樣。AIE超分子水凝膠是一種有機介質(zhì)，為信息碼提供了優(yōu)良得載體從而實現(xiàn)了信息得大量存儲。”
因此，或許在不久得將來，AIE超分子水凝膠作為信息碼材料存儲得信息量能夠和硬盤媲美。
近年來，DNA存儲技術(shù)領(lǐng)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(jīng)進化到可以以極高得密度存儲大量信息，“理論上一個裝滿DNA得咖啡杯就可以存儲世界上所有得數(shù)據(jù)”。作為存儲介質(zhì)，DNA穩(wěn)定、存儲密度高、耗費能量少等特點讓其廣受追捧。
華夏科學院化學研究所研究員宋延林認為，盡管DNA存儲技術(shù)相關(guān)研究已經(jīng)有些年頭了，但離實際應用還有不小距離，目前得技術(shù)路線并不清楚。
“DNA存儲在理論上有很多優(yōu)勢，但它還有很多關(guān)鍵技術(shù)難題需要解決。” 宋延林說，“無論傳統(tǒng)得光、電、磁介質(zhì)存儲還是功能分子、DNA存儲，一項能夠?qū)嶋H應用得技術(shù)，除了存取密度、速度、使用壽命和安全性外，還要考慮其穩(wěn)定性、方便性和成本。”
產(chǎn)研合作加速產(chǎn)業(yè)化
“現(xiàn)在確實面臨一個問題。”楊戈說，“我們生活在一個信息化得社會，對數(shù)據(jù)得需求越來越多，產(chǎn)生得數(shù)據(jù)量越來越大。比如，騰訊、阿里、字節(jié)跳動等信息技術(shù)公司，在能源價格低廉得偏遠省區(qū)建了很多數(shù)據(jù)中心，但能源消耗仍然是個大問題。而且，現(xiàn)在得主流存儲方式都有其物理上得限制，人們迫切需要尋找新得存儲技術(shù)。”
楊戈介紹說，DNA存儲技術(shù)用構(gòu)成遺傳密碼得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，是一種長期存儲得技術(shù)。目前DNA存儲技術(shù)雖然有很多不同得實現(xiàn)方式，但基本得技術(shù)路線是一致得。
借助現(xiàn)代生命科學領(lǐng)域得成熟技術(shù)，比如合成和測序等，DNA存儲技術(shù)得到快速發(fā)展。美國微軟、因美納等數(shù)據(jù)存儲和生物技術(shù)公司還成立了DNA存儲技術(shù)聯(lián)盟，共同推動該技術(shù)得發(fā)展。
楊戈認為，數(shù)據(jù)存儲技術(shù)有很多種，單就DNA存儲技術(shù)來說也有多種實現(xiàn)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(shù)聯(lián)盟得公司和大學已經(jīng)有三四十家，“從長遠看，這有可能又會成為一項關(guān)鍵技術(shù)”。
“DNA作為數(shù)據(jù)存儲材料具有存儲量大、存儲密度高、存儲周期長等優(yōu)點。”郭金寶說，“然而，該技術(shù)在當前面臨得挑戰(zhàn)還很大，如合成成本高、讀取過程復雜等，并且其相關(guān)研究主要停留在實驗室層面，距離真正得應用還有很長得路要走。”
截至目前，華夏在DNA存儲上已經(jīng)形成了一批隊伍，華夏科學院China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(guān)研究。
“我們目前在基礎(chǔ)研究方面已經(jīng)有了不錯得積累，在納米技術(shù)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得東西、發(fā)幾篇論文，與投入實際應用還有很長一段距離，其中有很多復雜得工程問題需要解決。下一步，希望能夠成立技術(shù)聯(lián)盟，通過研究機構(gòu)和企業(yè)得合作，加速技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。”
《華夏科學報》
