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智喜编译ZeR0编辑莫英智喜2月19日报道，微软研究院今天在国际领先期刊《自然》上发表了突破性成果，研究了一种玻璃中的新数据存储方法，可将信息保存至少一万年。研究表明，一块宽12厘米、厚2毫米的方形玻璃可以存储4.8TB的数据，相当于约200万本印刷书籍。微软研究团队将这种基于飞秒激光直写技术的综合档案数字数据存储技术命名为Silica，称其为“第一个满足生产级存储系统所有要求的基于玻璃的数据存储技术”。文章地址：https://www.nature.com/articles/s41586-025-10042-w 微软剑桥研究院领导 Silica 项目的科学家信息学家 Richard Black 表示，实验表明，这些数据可以在温度下保存一万年290摄氏度的高温，是室温下的数十倍甚至数百倍。麻省理工学院的生物工程师马克·贝斯认为，这种“令人印象深刻”的玻璃替代品“原则上可以作为近乎永久的文件存储来备份重要数据”。北京大学计算合成生物学家钱龙评论道，虽然玻璃存储需要特殊的硬件来写入和读取数据，但论文表明玻璃存储已经超出了材料实验的范围，成为了“可部署的文件系统”。 “通过展示完整的系统……我们证明这项技术能够真正彻底改变数据中心行业”，与微软合作开发玻璃存储技术的英国南安普顿大学光电研究员彼得·卡赞斯基（Peter Kazansky）说道。 1.数据存储需求猛增，磁带和硬盘不适合长期存储。根据微软研究院的一篇文章，人类以指数速度生成数据，大约每三年翻一番。其中大部分数据具有重要的个人、商业或法律价值。大多数数字文件系统所依赖的介质会在几年内降级。磁带和硬盘驱动器都使用电磁体来磁化金属薄膜的小区域。小磁铁往往会在大约 10 年后退化，使其不适合长期存储数据。数据必须定期迁移到新介质，这个过程需要大量时间、金钱和精力。因此，寻找长期存储数字数据的替代技术非常重要。玻璃是一种防水、耐热、防尘的永久数据存储材料。在玻璃上读取数据比在硬盘上打开文件复杂得多，但信息更安全。 “玻璃的好处是，一旦你在上面写字，就无法改变它。一切都已注定。”存储此类设备不需要温度控制或维护，黑色说。使用飞秒技术在玻璃内以激光脉冲存储数据是目前预计耐用且防篡改的少数方法之一。长期保存的技术之一。这是因为介质本身具有热稳定性和化学稳定性，并且能够抵抗湿气侵入、温度波动和电磁干扰。 Peter Kazansky 和他的同事开发了激光写入技术背后的物理原理，并保持着由熔融石英制成的最耐用的玻璃基数字存储介质的吉尼斯世界纪录。这种方法最大限度地提高了耐用性和数据密度。微软在2017年开始在此基础上进行研发。 2.存储有关厨房用具所用玻璃的数据。 2毫米厚的玻璃中可存储4.8TB。在最新研究中，微软研究团队开发了Silica，这是一种基于飞秒激光直接在玻璃上书写技术的综合档案数字数据存储技术。微软”研究人员在论文中表示：“据我们所知，Silica是第一个公开的基于玻璃的存储技术，在所有关键存储指标上都具有卓越的性能，并且是第一个在写入、读取和解码过程中表现出可靠运行的技术。飞秒激光写入技术可确保数据完整性（存储的数据可以无错误地检索），使用该技术的存储系统可确保极高的数据持久性（不会因故障而丢失数据）。在微软进行新研究之前，该技术仅适用于纯熔融石英玻璃，这种玻璃制造起来相对困难，而且容量有限。”与之前版本的 Project Silica 相比，微软一直在寻找实现更快数据写入和更可靠解码的方法，该方法使用更便宜且读写更简单的硼硅酸盐玻璃。riant 编码可以用显微镜读取的数据。玻璃与炊具和烤箱门所使用的材料相同，很常见且容易获得，解决了商业化的主要障碍：存储介质的成本和可用性。为了对信息进行编码，研究人员使用激光以极其强大的脉冲形式发射非常高能的光束，每个脉冲仅持续几亿分之一秒，精确地击中玻璃表面上的特定点并控制能量的大小。理查德·布莱克说，每次照射都会引起“等离子体引发的纳米爆炸”，使玻璃变形，从而改变光在其中传播的方式。研究人员利用这些微小的变形来写入数据，并使用显微镜来读取数据，捕捉光线经过每个点时行为的变化。这项新技术得到了显着改进，可以在 12 厘米见方、厚度仅 2 毫米的玻璃上存储 301 层数据，实现了数据密度吞吐量为 1.59 Gbit/mm3，存储容量为 4.8 TB。经过测试的写入方案实现了每激光器 25.6 Mbit/s 的写入性能（受激光器重复率限制），每激光器的功率效率为 10.1 nJ。与之前的三到四个摄像头相比，玻璃阅读器现在只需要一个摄像头，从而降低了成本和尺寸。此外，我们写道，该设备需要更少的零件，使其更容易制造和调整，并允许更快的数据编码。 ▲可读取玻璃数据的研究级阅读器 3. 两种新的玻璃数据写入方法可实现数据保存超过10,000年。微软研究团队展示了两种基于双折射体素和相位体素的新型玻璃数据写入解决方案。这两种选项都最大限度地利用了激光，并最大限度地减少了写入每个体素所需的脉冲数量，从而实现了高写入性能、能源效率和密度。全自动写入、读取硬件和解码过程允许我们在数十亿体素的规模上验证我们的关键结果的稳健性。该团队通过使用 FEC 完全恢复用户数据，证明二氧化硅是一种可行的存储系统，并通过加速老化实验，证明数据可以在室温下存储超过 10,000 年。 ▲ 写入器用激光脉冲进行高速多光束数据编码的特写 1. 写入双折射体素的进展 利用以前使用双折射（即偏振）熔融石英体素的数据存储方法，微软团队开发了一种技术，可以将形成体素所需的脉冲数量从多个减少到仅两个。关键是要证明初始脉冲的极化对于最终形成的脉冲的极化并不重要。体素。此外，还进行了伪单脉冲写入。单伪脉冲写入涉及在设置偏振 si 后将单个脉冲分成两遍可以同时在一个体素中形成第一脉冲（其中体素的偏振不重要）和在另一个体素中形成第二脉冲（其中设置的偏振很重要）。微软团队演示了如何使用这种伪单脉冲写入技术通过光束扫描在介质中实现高速写入。 2.相位体素，一种新的存储方法。微软团队发明了一种新型玻璃数据存储方法，称为拓扑体素。这种保存方法修改的是玻璃中的相移而不是偏振，并且只需要一个脉冲来生成单相体素。他们的工作证明，这种相位体素也可以在硼硅酸盐玻璃中形成，并且他们设计了一种技术来从这种材料中编码的相位体素读取相位信息。这项研究还表明，使用机器学习分类可以有效减轻相位体素内显着增加的 3D 符号间干扰分类模型。 3.并行写入能力通过将玻璃内预热和后加热的数学模型与多光束传输系统的发明相结合，微软团队证明了可以在玻璃内同时写入多个相邻的数据体素，从而显着提高写入速度。他们的论文描述了如何将光发射（体素形成过程的副产品）用于静态校准和动态控制，以完全支持自动写入操作。 4.优化和寿命测试微软研究团队开发了新的方法来使用机器学习来优化符号编码，并在评估新的数字存储系统时更好地理解错误率、错误保护和错误恢复之间的权衡。此外，该团队还开发了一种新的无损光学方法。他们使用这种方法来确定玻璃中数据存储体素的老化情况。它还具有老化技术。ard 加速存储，支持长达 10,000 年的数据保留。他的研究扩展了行业标准格雷码，使其适用于除二的幂以外的符号。结论：光存储方法具有延长数据存储寿命的潜力。光存储方法，尤其是在玻璃等耐磨介质上使用激光写入的方法，是一种有前途的替代方案，有可能延长数据存储的寿命。它正在作为一种媒介出现。微软研究院的新研究提出了一种基于飞秒激光在玻璃上直写的光学文件存储技术，可以满足现实世界的文件存储需求。这一结果表明 Silica 有潜力成为数字时代的文件存储解决方案。未来，Silica puede将受益于读写解码硬件、机器学习模型和关键部件的持续商业化。基础技术的进步，特别是飞秒激光器，将促进进一步发展这项技术。来源：《自然》、微软博客
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