啊！以后備份數(shù)據(jù)得用鉆石了？那我是不是得先攢錢(qián)…

還記得小時(shí)候刻錄的CD光盤(pán)嗎？那是我們“收藏”青春的神器，保存著那些年聽(tīng)不膩的歌和看不夠的照片。然而，如果用的是普通的刻錄光盤(pán)，或者長(zhǎng)期放在高溫潮濕的環(huán)境中，幾年后可能已經(jīng)無(wú)法讀取，變成了一張“沉默的光盤(pán)”。相比之下，現(xiàn)在科學(xué)家們正探索用鉆石來(lái)制作“永恒光盤(pán)”，不僅能承受高溫、抗腐蝕，還能穩(wěn)穩(wěn)保存幾百年，甚至無(wú)需任何維護(hù)。

更令人驚嘆的是，未來(lái)甚至有望出現(xiàn)“DNA硬盤(pán)”，讓你可以把海量數(shù)據(jù)藏在一根頭發(fā)絲的空間里！這聽(tīng)起來(lái)像是科幻故事，但其實(shí)已經(jīng)成為科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。

大數(shù)據(jù)時(shí)代已然來(lái)臨（圖片來(lái)源：作者AI生成）

Part.1

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的本質(zhì)是什么？

所有的數(shù)據(jù)，無(wú)論它最初是什么形式，如文字、圖片、音頻或者視頻等，都需要通過(guò)一種編碼方式被轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)。這些編碼是標(biāo)準(zhǔn)化的，以確保計(jì)算機(jī)能夠正確解碼和重構(gòu)這些信息。我們接下來(lái)看看常見(jiàn)的這幾種數(shù)據(jù)是如何儲(chǔ)存的。

大量的數(shù)據(jù)（圖片來(lái)源：pixabay.com）

首先就是文字信息，例如，ASCII或Unicode編碼將字符映射為特定的二進(jìn)制數(shù)。比如字母“A”在ASCII中被編碼為二進(jìn)制數(shù)“01000001”。

圖片則是通過(guò)像素的顏色和亮度值來(lái)表示的，這些值最終被編碼為二進(jìn)制數(shù)。每個(gè)像素的顏色通常由紅綠藍(lán)（RGB）三個(gè)值表示，每個(gè)值都可以通過(guò)一定的二進(jìn)制數(shù)值來(lái)表示。

音頻數(shù)據(jù)通過(guò)如采樣和量化的數(shù)字化過(guò)程將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，最終轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)。視頻則是由一幀幀圖像即靜態(tài)圖片和音頻組成的，這些圖像和音頻信息同樣以二進(jìn)制編碼方式存儲(chǔ)。

無(wú)論數(shù)據(jù)的原始形式如何，最終都會(huì)被轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制形式存儲(chǔ)。二進(jìn)制的1和0代表了計(jì)算機(jī)能夠理解的電信號(hào)狀態(tài)，如開(kāi)關(guān)、電壓高低、磁性狀態(tài)等。

Part.2

目前人類有哪些手段

實(shí)現(xiàn)對(duì)1和0的表示、記錄與讀取

數(shù)字1和0是計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的基礎(chǔ)，存儲(chǔ)介質(zhì)如硬盤(pán)、光盤(pán)等，通過(guò)物理或電子方式實(shí)現(xiàn)對(duì)這些二進(jìn)制數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

硬盤(pán)通過(guò)在旋轉(zhuǎn)的磁盤(pán)表面上記錄磁性信號(hào)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。磁盤(pán)表面涂有能夠響應(yīng)磁場(chǎng)的磁性物質(zhì)，當(dāng)磁盤(pán)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，讀寫(xiě)磁頭通過(guò)改變磁性物質(zhì)的磁極方向來(lái)表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)（0或1）。每個(gè)磁性區(qū)域的狀態(tài)代表一個(gè)數(shù)據(jù)單元。

硬盤(pán)（圖片來(lái)源：pixabay）

當(dāng)硬盤(pán)寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，讀寫(xiě)頭會(huì)改變磁盤(pán)表面磁性材料的磁極方向，代表二進(jìn)制的0或1。當(dāng)硬盤(pán)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，磁頭感應(yīng)到磁盤(pán)表面材料的磁性變化，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)處理得到所需的數(shù)據(jù)。

磁性存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是容量大、成本低，但缺點(diǎn)是速度較慢且容易受物理沖擊損壞。

半導(dǎo)體存儲(chǔ)介質(zhì)（如固態(tài)硬盤(pán)SSD）不使用機(jī)械部件，而是通過(guò)閃存芯片，通常是NAND閃存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。NAND閃存由許多存儲(chǔ)單元組成，這些單元通過(guò)電子方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。每個(gè)存儲(chǔ)單元可以存儲(chǔ)電荷，通過(guò)存儲(chǔ)的電荷的有無(wú)來(lái)表示0和1。

固態(tài)硬盤(pán)SSD（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

SSD通過(guò)改變存儲(chǔ)單元中的電荷來(lái)寫(xiě)入數(shù)據(jù)。每個(gè)存儲(chǔ)單元由浮動(dòng)?xùn)艠O晶體管組成，可以在不同的電壓下存儲(chǔ)電荷。SSD通過(guò)檢測(cè)每個(gè)存儲(chǔ)單元的電荷狀態(tài)，來(lái)判斷存儲(chǔ)的是0還是1。

SSD的優(yōu)勢(shì)在于速度更快、耐用性好、抗震性強(qiáng)，但成本相對(duì)較高，且存儲(chǔ)單元有有限的寫(xiě)入次數(shù)。

光學(xué)存儲(chǔ)介質(zhì)，如光盤(pán)，是利用激光技術(shù)來(lái)存儲(chǔ)和讀取數(shù)據(jù)。在光盤(pán)表面，數(shù)據(jù)是以微小的凹坑（pits）和平滑區(qū)域（lands）的形式記錄的。這些凹坑和區(qū)域交替排列，形成數(shù)字信號(hào)。

光盤(pán)（圖片來(lái)源：pixabay）

在可寫(xiě)光盤(pán)如CD或DVD中，激光會(huì)加熱光盤(pán)表面，改變某些區(qū)域的物理形態(tài)，使其形成凹坑，從而記錄數(shù)據(jù)。在讀取過(guò)程中，激光束照射到光盤(pán)表面，光的反射變化，也就是坑與平面區(qū)域的不同反射會(huì)被傳感器檢測(cè)到，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。

光學(xué)存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是能夠提供較為廉價(jià)且持久的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)備份和分發(fā)，但其讀取速度和存儲(chǔ)容量較低。

Part.3

鉆石居然也可以儲(chǔ)存數(shù)據(jù)

通過(guò)精確制備納米材料光源，并調(diào)控光信號(hào)的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、偏振等多維度特性，光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)近年來(lái)已成為實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)的重要發(fā)展路徑之一。

然而，納米材料的穩(wěn)定性差、信息讀寫(xiě)速度較慢、誤差較大以及高能耗等問(wèn)題，使得光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)在向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化過(guò)程中面臨巨大的挑戰(zhàn)。

中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的杜江峰等科學(xué)家在光學(xué)信息存儲(chǔ)領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，提出并發(fā)展了基于金剛石發(fā)光點(diǎn)缺陷的四維信息存儲(chǔ)技術(shù)，具備高密度、超長(zhǎng)免維護(hù)壽命、快速讀寫(xiě)等面向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵特性。這一技術(shù)有望為應(yīng)對(duì)“數(shù)據(jù)大爆炸”時(shí)代對(duì)新一代綠色高容量信息存儲(chǔ)的迫切需求提供解決方案。相關(guān)研究成果于11月27日在線發(fā)表在《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）上。

圖：（a）金剛石信息存儲(chǔ)概念圖;（b）多次讀出后熒光信號(hào)的穩(wěn)定性表征;（c）高密度堆疊下信息存儲(chǔ)單元掃描成像結(jié)果。（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

我國(guó)科學(xué)家創(chuàng)新性地利用金剛石中一種可精確人工制備的發(fā)光點(diǎn)缺陷，成功解決了光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)一系列挑戰(zhàn)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，金剛石是由碳原子以高度規(guī)則的方式排列成晶格結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子通過(guò)強(qiáng)大的共價(jià)鍵與其他四個(gè)碳原子連接，形成堅(jiān)固的晶體結(jié)構(gòu)。然而，外部條件如高溫、高壓或輻射等可能導(dǎo)致部分碳原子被從原有位置移位，形成一種叫做弗蘭克爾缺陷的缺陷。研究發(fā)現(xiàn)，金剛石中的原子尺度弗蘭克爾缺陷具有穩(wěn)定的發(fā)光特性，可以精確調(diào)節(jié)其發(fā)光亮度用于數(shù)據(jù)編碼，因此成為理想的信息存儲(chǔ)單元。

通過(guò)鉆石儲(chǔ)存數(shù)據(jù)（圖片來(lái)源：作者AI生成）

得益于金剛石的超高硬度和卓越的化學(xué)穩(wěn)定性，存儲(chǔ)在金剛石光盤(pán)中的數(shù)據(jù)極為穩(wěn)定。即使在高達(dá)200℃的環(huán)境下，金剛石中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)壽命可超過(guò)百年。同時(shí)，該存儲(chǔ)方式無(wú)需任何維護(hù)不需要溫濕度控制等，并且?guī)缀醪幌哪芰俊?/p>

為了實(shí)現(xiàn)高密度和高可靠性的存儲(chǔ)，研究人員發(fā)展了基于飛秒脈沖加工的快速高精度三維缺陷制備技術(shù)。約200飛秒脈沖即可完成存儲(chǔ)單元的制備，信息寫(xiě)入精度高于99.9%，已達(dá)到藍(lán)光光盤(pán)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。目前，存儲(chǔ)單元的尺寸已縮小至69nm，這個(gè)尺寸約為光波長(zhǎng)的十二分之一，單元間隔約為1μm，存儲(chǔ)密度已達(dá)到Terabit/cm3量級(jí)，比藍(lán)光光盤(pán)的存儲(chǔ)密度提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)。

為驗(yàn)證這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際可行性，研究團(tuán)隊(duì)成功將亨利·馬蒂斯的名畫(huà)《紅魚(yú)與貓》和埃德沃德·邁布里奇的經(jīng)典攝影作品《飛馳中的馬》等圖像存儲(chǔ)于鉆石中。測(cè)試結(jié)果令人驚艷：系統(tǒng)在存儲(chǔ)55,596比特?cái)?shù)據(jù)時(shí)，達(dá)到了99.48%的保真度。科研人員將世界上第一個(gè)計(jì)時(shí)攝影作品《飛馳中的馬》的不同幀數(shù)，通過(guò)三維堆疊存儲(chǔ)在金剛石中，并通過(guò)讀取形成的動(dòng)畫(huà)效果。每一幀的動(dòng)畫(huà)數(shù)據(jù)占用金剛石存儲(chǔ)的橫向尺寸為90×70平方微米。

金剛石光盤(pán)的寫(xiě)-讀效果展示（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)新聞網(wǎng)）

Part.4

在未來(lái)

DNA有望成為存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的介質(zhì)！

每個(gè)生物都有自己獨(dú)特的性狀，這些性狀信息都儲(chǔ)存在DNA（脫氧核糖核酸）中，DNA的分子結(jié)構(gòu)是雙螺旋，由四種堿基（腺嘌呤A、胸腺嘧啶T、鳥(niǎo)嘌呤G、胞嘧啶C）按照特定順序排列而成。每個(gè)堿基可以看作一個(gè)“字母”，由這些字母組成的序列本質(zhì)上是一種編碼，可以用來(lái)存儲(chǔ)信息。例如，將A和T分別表示為“0”，G和C表示為“1”，就可以將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為堿基序列。

序列的線性排列：DNA鏈中的堿基可以被視為信息存儲(chǔ)單元，通過(guò)特定的排列方式構(gòu)成完整的信息。DNA作為存儲(chǔ)介質(zhì)具有極其高的存儲(chǔ)密度，理論上，1克DNA能夠存儲(chǔ)約215PB（千兆字節(jié)）的數(shù)據(jù)，大多數(shù)筆記本電腦的硬盤(pán)容量約為1TB，215PB相當(dāng)于22萬(wàn)臺(tái)筆記本電腦的存儲(chǔ)總量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)存儲(chǔ)介質(zhì)的存儲(chǔ)容量。

DNA存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)在于其極小的體積和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，DNA分子可以在適當(dāng)?shù)臈l件下保存數(shù)千年而不受損。盡管目前面臨著寫(xiě)入、讀取和存儲(chǔ)效率等挑戰(zhàn)，特別是合成和測(cè)序的高成本和較慢的速度，但隨著生物技術(shù)、基因合成技術(shù)和合成生物學(xué)的不斷進(jìn)步，DNA存儲(chǔ)有望成為未來(lái)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的重要方式，特別適用于需要極高存儲(chǔ)密度和長(zhǎng)期保存的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)場(chǎng)景。

Part.5

總結(jié)

隨著數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求的持續(xù)增長(zhǎng)，傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)面臨著瓶頸和挑戰(zhàn)，尤其是在存儲(chǔ)密度、速度、穩(wěn)定性以及能源效率等方面。我國(guó)科學(xué)家通過(guò)創(chuàng)新性地利用金剛石的發(fā)光點(diǎn)缺陷，成功突破了光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)的多項(xiàng)難題，提出了基于金剛石的四維信息存儲(chǔ)技術(shù)，展示了其在高密度、長(zhǎng)壽命和高效讀寫(xiě)方面的巨大潛力。

金剛石光盤(pán)不僅能在高溫環(huán)境下保持?jǐn)?shù)據(jù)穩(wěn)定，還能在無(wú)需任何維護(hù)的情況下長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)，堪稱綠色高容量信息存儲(chǔ)的未來(lái)解決方案。

參考文獻(xiàn):

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7.Siddiqa, Aisha, Ahmad Karim, and Abdullah Gani. "Big data storage technologies: a survey." Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering 18 (2017): 1040-1070.

來(lái)源：中國(guó)科普博覽

編輯：小鹿

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