微软新技术：玻璃变硬盘，单片存五千部电影，数据万年不丢
2月18日，微软的一项名为“玻璃芯片”的技术正式问世，相关研究成果登上了《自然》杂志。研究人员利用飞秒激光，在石英玻璃中刻录光学体素，实现了创新的光学存储。这项技术的存储密度惊人：一块仅有2毫米厚的玻璃片，就能容纳高达4.8TB的数据，这大约相当于200万本印刷书籍或5000部高清电影的体量。
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（图片来源：《自然》杂志）
简单来说，这项技术就是直接把数据“写”进玻璃里。这块两毫米厚、巴掌大小的方形玻璃片中，存储的数据足以装下近千部高清电影。
该技术利用了光的相位差异，在四维空间中对信息进行编码，只需一次激光脉冲即可完成写入。制成的玻璃理论上可以保存一万年而无需维护，能够抵御磁带、硬盘等传统介质的老化与恶意篡改，有望彻底改变数据归档与数字遗产的保存方式。
此次研究采用的技术名为“Project Silica”，中文可称为“二氧化硅项目”。硅是沙子的主要成分。我们日常家中的窗户、烤箱门甚至微波炉转盘，使用的都是同一种材料——石英玻璃。这种玻璃价格低廉、透明、耐热、防水且不会生锈。但关键问题在于：如何把数据写进去？
微软团队使用了一台飞秒激光器。飞秒时间极短，一飞秒等于一千万亿分之一秒，这比眨一下眼睛要快上无数倍。如此短暂的激光脉冲打入玻璃，会在焦点处产生高温高压，从而改变那一小块玻璃的微观结构。他们称这个小斑点为“体素”（voxel），相当于玻璃内部的一个像素点。
（图片来源：微软）
传统技术需要使用多个脉冲激光才能写入一个点，速度非常慢。而这项研究则攻克了两个难题：一是将每个点的写入时间压缩至一个脉冲；二是让激光束分裂成四条同时写入。目前的写入速度达到每秒6500万比特，虽然距离硬盘的速度还有差距，但作为档案存储已经足够实用。
在读取数据时，并不需要把玻璃插入什么特制的机器，只需要一台显微镜加一个摄像头。激光扫过玻璃，不同结构的点会产生不同的亮度，摄像头拍下之后，软件再将这些明暗点翻译回0和1。以前的读取设备需要三个摄像头才能分辨清楚偏振方向，现在使用一个摄像头就够了，成本直接砍掉一大半。
为了让玻璃能够存储更多层，他们把数据一页一页地摞起来，每层间隔只有几微米。一束激光扫过去，一次能够读取三十多层的信息。整块玻璃摞了三百多层，总厚度却只有两毫米。
（图片来源：微软）
那么，一万年这个数字是怎么算出来的呢？微软团队采用了一种名为“加速老化”的测试方式。他们把写好数据的玻璃放进烤箱，加热到四百多摄氏度，观察那些结构在多久之后会消失。高温会加速分子的运动，自然也会让时间快进。将高温下的衰减速度画成曲线，再往回推演到常温，结果就是一万年。
当然，实验室里的一万年不等于现实世界的一万年。万一玻璃摔碎了，数据一样会丢失。所以，这套系统还设计了一个机械臂玻璃库，机器人会把你需要读取的那块玻璃从架子上取下来送到显微镜下扫描。多块玻璃之间还可以互相备份，假如坏了一块能够从别的块补回来。
（图片来源：微软）
它最直接的应用场景是用在档案馆、图书馆和博物馆。那些需要永久保存的孤本古籍、历史影像和科研数据，再也不必每隔几年就拷贝一次。目前，一家音乐版权公司已经找到微软洽谈合作，一个名为“全球音乐宝库”的项目，正打算把世界各地的音乐存进玻璃，埋到北极的冰层下面，让一万年后的人类还能听到今天的声音。
事实上，华纳兄弟几年前就曾和微软合作，把一部《超人》电影存进了一块石英玻璃里。甚至还有人想用它做一个“金唱片”。四十多年前，旅行者号探测器带着一张镀金铜唱片飞出了太阳系，上面录了地球的影像和声音。现在，有一支科研团队正在众筹新一代的“金唱片”，他们打算使用本次微软团队打造的玻璃作为介质，存进更多影像、语言和音乐。让未来无论谁捡到它，都可以读懂我们二十一世纪的人类。
那么，这项技术何时能够用在手机上？这可能还为时尚早，无论是读写速度、设备成本还是玻璃的标准化生产，都还需要时间。但是，本次成果至少告诉我们，数据并非只能存在于电和磁里，也可以被装入玻璃之中。
参考资料：
相关论文
微软研究博客介绍
排版：胡某某
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