微軟神奇玻璃登上Nature，能將200萬本書存儲1萬年

智東西
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智東西2月19日報道，微軟研究院今日在國際頂級學術期刊Nature上發表了一項關于新型玻璃存儲數據方法的突破性成果，能將信息保存至少10000年。

它證明，一塊12厘米寬、2毫米厚的方形玻璃，可以存儲4.8TB的數據，相當于大約200萬本印刷書籍。

微軟研究團隊將這種基于飛秒激光玻璃直寫技術的綜合性歸檔數字數據存儲技術命名為Silica，稱其是“首個滿足生產級存儲系統所有要求的玻璃基數據存儲技術”。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-025-10042-w

領導微軟劍橋研究院“硅計劃”（Project Silica）的計算機科學家Richard Black說，測試表明，這些數據在290攝氏度的溫度下可以保存1萬年，在室溫下則可能保存數十倍甚至數百倍。

麻省理工學院的生物工程師Mark Bathe認為，這種“令人印象深刻”的玻璃基替代方案“原則上可以作為關鍵數據備份的近乎永久性歸檔存儲”。

北京大學計算合成生物學家錢瓏評價說，盡管玻璃存儲方法需要專門的硬件來寫入和讀取數據，但該論文表明，玻璃存儲已經超越了材料實驗的范疇，成為一種“可部署的歸檔系統”。

“通過展示一個完整的系統……他們展示了這項技術如何真正革新數據中心行業。”英國南安普頓大學光電子學研究員、曾與微軟合作開發玻璃存儲技術的Peter Kazansky談道。

一、數據存儲需求呈爆炸式增長，磁帶和硬盤不適合長期存儲

微軟研究院的論文顯示，人類正以指數級速度產生數據，大約每3年翻一番。這些數據中有很多具有顯著的個人、商業或法律價值。

大多數數字檔案系統依賴于幾年內就會降解的介質。磁帶和硬盤都使用電磁鐵對金屬薄膜上的微小區域進行磁化，微小的磁體很容易失去磁性，它們大約十年后就會老化，并不適合長期數據存儲。

這導致數據必須定期遷移到新的介質，而這一過程耗時、耗資且耗能巨大。

因此，尋找一種用于長期保存數字數據的替代技術至關重要。

玻璃是一種永久性數據存儲材料，具有防水、耐熱和防塵的特性。在玻璃上讀取數據，比在硬盤上打開文件要復雜得多，但信息的安全性卻高得多。

“玻璃的優點在于，一旦寫入，就無法更改。一切都搞定了。”Richard Black說道，這種設備的存儲無需溫度控制或維護。

利用飛秒技術將數據存儲在玻璃內部激光脈沖，是目前為數不多的有望實現持久、不可篡改且長壽命存儲的技術之一。

這是因為這種介質本身具有熱穩定性和化學穩定性，并能抵御潮氣侵入、溫度波動和電磁干擾。

Peter Kazansky和他的同事們開發了激光寫入技術背后的物理原理，并保持著使用熔融石英制造的最耐用玻璃基數字存儲介質的吉尼斯世界紀錄。其方法最大限度地提高了耐用性和數據密度。

微軟于2017年開始在此基礎上進行研發。

二、在廚房炊具用的玻璃上存儲數據，2毫米厚玻璃能存4.8TB

在最新研究中，微軟研究團隊開發了一種基于飛秒激光玻璃直寫技術的綜合性歸檔數字數據存儲技術Silica。

“據我們所知， Silica是首個已發表的采用玻璃的存儲技術，它在所有關鍵存儲指標上均表現出色，并且是首個在寫入、讀取和解碼過程中均展現出可靠運行能力的存儲技術。”微軟研究團隊在論文中寫道。

飛秒激光寫入技術能夠確保數據完整性（存儲數據可無誤地檢索），并且采用該技術的存儲系統可保證極高的數據耐久性（數據不會因故障而丟失）。

在微軟的新研究之前，該技術僅適用于純熔融石英玻璃，而這種玻璃的制造難度相對較高，且來源有限。

微軟則探索了一種能夠實現更快數據寫入和更可靠解碼的方法。與Project Silica之前的版本相比，該方法使用了更便宜、讀寫復雜度更低的硼硅酸鹽玻璃。

研究團隊利用高能激光在一塊三維硼硅酸鹽玻璃上壓印出形變。每個形變都編碼著數據，這些數據可以通過顯微鏡讀取。

這種與廚房炊具和烤箱門所用材料相同的玻璃，很常見、易獲取，因此解決了商業化的關鍵障礙：存儲介質的成本和可用性。

為了編碼信息，研究團隊使用激光以極強的脈沖形式發射能量極高的光束，每次脈沖持續時間僅為幾千萬億分之一秒，精準地照射玻璃表面的特定點，并控制能量大小。

據Richard Black解釋，每次照射都會產生“等離子體誘導的納米爆炸”，使玻璃發生形變，從而改變光在玻璃中的傳播方式。

研究人員利用這些微小的形變來寫入數據，然后使用顯微鏡讀取數據，顯微鏡能夠捕捉到光在穿過每個點時行為的變化。

新技術改進顯著，能夠在一塊12厘米見方、僅2毫米厚的玻璃中存儲301層數據，實現了1.59Gbit/mm3的數據密度，存儲容量達4.8TB。

所展示的寫入方案實現了每束激光25.6Mbit/s的寫入吞吐量（受限于激光重復頻率），能量效率為每比特10.1nJ。

以前玻璃讀取器需要3或4個攝像頭，而現在只需要1個攝像頭，從而降低成本并縮小尺寸。

此外，寫入設備所需的部件更少，使其更易于制造和校準，并能更快地編碼數據。

▲用于從玻璃中讀取數據的研究級讀取器

三、兩種新型玻璃數據寫入方式，實現數據存儲超過10000年

微軟研究團隊展示了兩種基于雙折射體素和相位體素的新型玻璃數據寫入方案。這兩種方案均能最大限度地利用激光，最大限度地減少寫入每個體素所需的脈沖數，從而實現高寫入吞吐量、高能效和高密度。

全自動化的寫入硬件、讀取硬件和解碼流程使其能夠在數十億個體素的規模下驗證關鍵結果的穩健性。

該團隊通過使用FEC完全恢復用戶數據證明了Silica是一種可行的存儲系統，并通過加速老化實驗表明，數據在室溫下可保存超過10000年。

▲特寫鏡頭展示了寫入器在激光脈沖上進行高速多光束數據編碼

1、雙折射體素寫入進展

對于之前在熔融石英玻璃中使用雙折射（即偏振）體素的數據存儲方式，微軟團隊開發了一種技術，將形成體素所需的脈沖數從多個減少到僅2個，關鍵在于證明了第一個脈沖偏振對最終形成的體素的偏振并不重要。

該團隊進一步實現了偽單脈沖寫入。在偽單脈沖寫入中，單個脈沖在設定其偏振后可以被分成兩路，同時形成一個體素的第一個脈沖（該體素的偏振無關緊要）和另一個體素的第二個脈沖（該體素的設定偏振很重要）。

微軟團隊演示了如何利用這種偽單脈沖寫入技術，通過光束掃描實現介質上的快速寫入。

2、相位體素，一種新型存儲方法

微軟團隊發明了一種新型的玻璃數據存儲方式，稱為相位體素。

在這種存儲方式中，改變的是玻璃的相位變化，而非偏振，并且僅需單個脈沖即可生成一個相位體素。

其研究證明，這種相位體素也可以在硼硅酸鹽玻璃中形成，并設計了一種從這種材料中編碼的相位體素中讀取相位信息的技術。

這項研究還證明，利用機器學習分類模型可以有效緩解相位體素中顯著更高的三維符號間干擾。

3、并行寫入能力

通過將玻璃內部預熱和后熱的數學模型與多光束傳輸系統的發明相結合，微軟團隊證明了可在玻璃內部同時寫入多個相鄰的數據體素，從而顯著提高寫入速度。

其論文闡述了一種利用光發射（體素形成過程中的副產品）進行靜態校準和動態控制的方法，以全面支持自動寫入操作。

4、優化和壽命測試

微軟研究團隊開發了一種利用機器學習優化符號編碼的新方法，以及一種更好地理解在評估新型數字存儲系統時錯誤率、錯誤保護和錯誤恢復之間權衡關系的方法。

此外，該團隊還創建了一種新的非破壞性光學方法。為了識別玻璃內部數據存儲體素的老化情況，他們采用了這種方法以及標準的加速老化技術，以支持保存長達10000年的數據。

其研究擴展了行業標準的格雷碼，使其適用于非2的冪次方數量的符號。

結語：光存儲方法有望延長數據存儲期限

光存儲方法，特別是激光寫入玻璃等堅固介質的技術，已成為極具前景的替代方案，有望延長數據保存期限。

微軟研究院的新研究介紹了一種基于飛秒激光直接寫入玻璃的光歸檔存儲技術，能夠滿足歸檔存儲的實際需求。其結果表明，Silica有望成為數字時代的歸檔存儲解決方案。

未來，隨著讀寫解碼硬件、機器學習模型以及關鍵組件的商品化進程不斷推進，Silica可從中受益。底層技術尤其是飛秒激光器的進步，將推動該技術的進一步發展。

來源：Nature，微軟博客