信息的“洪流”可能很快就會(huì )超過(guò)硬盤(pán)的承載能力。

大數據正像發(fā)動(dòng)機一樣賦能千行百業(yè)，隨之而來(lái)的是數據體量的爆炸式增長(cháng)。然而，當前用于存儲數據的設備，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(lái)維護。

盡管科學(xué)家們始終在探索以高密度和無(wú)能耗的方式來(lái)存儲信息的新方法，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(xiě)速度慢等瓶頸問(wèn)題仍未突破。近期，幾項關(guān)于存儲技術(shù)的新進(jìn)展給數據存儲帶來(lái)了一線(xiàn)曙光。

新的光學(xué)分子存儲

近日，哈佛大學(xué)化學(xué)與化學(xué)生物系教授 George Whitesides 團隊及其合作者，開(kāi)發(fā)了一種全新且原理簡(jiǎn)單的光學(xué)分子存儲方法。他們使用熒光染料分子編碼二進(jìn)制信息，成功將各類(lèi)文字、圖像信息寫(xiě)入并讀取出來(lái)，其讀、寫(xiě)速度分別達到每秒128比特和 469 比特，甚至可以讀寫(xiě)視頻或其他信息。相關(guān)研究已在《ACS核心科學(xué)》上發(fā)表。

光學(xué)分子存儲技術(shù)不需要對分子內部的結構或序列進(jìn)行復雜編碼，且在理論上具有較高的存儲密度、無(wú)需能耗維護。然而，長(cháng)期以來(lái)讀、寫(xiě)速度慢，讀取次數有限等問(wèn)題也制約著(zhù)其進(jìn)步發(fā)展。

為解決此類(lèi)問(wèn)題，Whitesides 等人使用熒光分子將目標信息編碼成二進(jìn)制并存儲，并使用熒光顯微鏡來(lái)讀取信息。使用這種方法，他們成功在一塊小至 7.2 平方毫米的基板上存儲了約 14KB 的信息，空間信息密度達到每平方毫米271.5 字節。此外，通過(guò)重復讀取信息 1000 次以上，研究團隊發(fā)現熒光信號強度的損失較少（低于 20%），且每次都能成功讀取。

“Whitesides團隊的存儲方法原理簡(jiǎn)單、概念新穎，在信息存儲方面具有一定的意義?！比A中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院教授吉曉帆告訴《中國科學(xué)報》。

中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所模式識別國家重點(diǎn)實(shí)驗室研究員楊戈同樣認為，“這是一個(gè)創(chuàng )新的方法”。

“它實(shí)際上是基于化學(xué)熒光分子的存儲技術(shù)?！睏罡陮Α吨袊茖W(xué)報》說(shuō)，“但它用噴墨打印來(lái)實(shí)現，存儲密度、讀取速度可能會(huì )受到影響。此外，通過(guò)熒光標記的方式，會(huì )面臨熒光分子的發(fā)光衰減問(wèn)題，從而可能限制讀取次數?！?/p>

按需開(kāi)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的優(yōu)點(diǎn)，可以應用于不同場(chǎng)景?！北本┗ご髮W(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授郭金寶告訴《中國科學(xué)報》，“人們可以根據自己的需求，如存儲信息的內容、安全性等，選擇存儲手段，開(kāi)發(fā)不同的存儲材料?！?/p>

近日，郭金寶團隊在《先進(jìn)功能材料》發(fā)表論文，使用具有可重寫(xiě)熒光圖案和可重構3D形狀的液晶彈性體材料來(lái)實(shí)現多重信息存儲與加密。他們利用材料特性產(chǎn)生的兩種信息存儲方式，進(jìn)一步拓展了存儲信息的數據量；另一方面，該體系在讀取信息時(shí)需要兩步不同的解密方式，使存儲信息的安全性大大提高。

“需要指出的是，我們這個(gè)工作屬于基礎研究，旨在拓展液晶彈性體在信息存儲方面的應用，距離實(shí)際應用還存在較大差距，仍需進(jìn)一步探索?！惫饘氄f(shuō)。

而吉曉帆團隊在線(xiàn)發(fā)表于《先進(jìn)材料》的成果，則展示了利用聚集誘導發(fā)光（AIE）超分子水凝膠實(shí)現信息大量存儲的可能。

“AIE超分子水凝膠是以信息碼技術(shù)為基礎，結合AIE分子、超分子凝膠的優(yōu)良性能，集光、通信和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)為一體的新型存儲技術(shù)?！奔獣苑嬖V《中國科學(xué)報》，“它與傳統磁介質(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)良的載體從而實(shí)現了信息的大量存儲?！?/p>

因此，或許在不久的將來(lái)，AIE超分子水凝膠作為信息碼材料存儲的信息量能夠和硬盤(pán)媲美。

近年來(lái)，DNA存儲技術(shù)領(lǐng)域也屢屢取得新進(jìn)展。不少科學(xué)家認為，從地球生命誕生至今，DNA已經(jīng)進(jìn)化到可以以極高的密度存儲大量信息，“理論上一個(gè)裝滿(mǎn)DNA的咖啡杯就可以存儲世界上所有的數據”。作為存儲介質(zhì)，DNA穩定、存儲密度高、耗費能量少等特點(diǎn)讓其廣受追捧。

中國科學(xué)院化學(xué)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(shí)際應用還有不小距離，目前的技術(shù)路線(xiàn)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(shuō)，“無(wú)論傳統的光、電、磁介質(zhì)存儲還是功能分子、DNA存儲，一項能夠實(shí)際應用的技術(shù)，除了存取密度、速度、使用壽命和安全性外，還要考慮其穩定性、方便性和成本?！?/p>

產(chǎn)研合作加速產(chǎn)業(yè)化

“現在確實(shí)面臨一個(gè)問(wèn)題?！睏罡暾f(shuō)，“我們生活在一個(gè)信息化的社會(huì )，對數據的需求越來(lái)越多，產(chǎn)生的數據量越來(lái)越大。比如，騰訊、阿里、字節跳動(dòng)等信息技術(shù)公司，在能源價(jià)格低廉的偏遠省區建了很多數據中心，但能源消耗仍然是個(gè)大問(wèn)題。而且，現在的主流存儲方式都有其物理上的限制，人們迫切需要尋找新的存儲技術(shù)?！?/p>

楊戈介紹說(shuō)，DNA存儲技術(shù)用構成遺傳密碼的4種核苷酸（即腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥(niǎo)嘌呤和胞嘧啶）將信息編碼在DNA中。其基本原理是一次寫(xiě)入、多次讀出，是一種長(cháng)期存儲的技術(shù)。目前DNA存儲技術(shù)雖然有很多不同的實(shí)現方式，但基本的技術(shù)路線(xiàn)是一致的。

借助現代生命科學(xué)領(lǐng)域的成熟技術(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、因美納等數據存儲和生物技術(shù)公司還成立了DNA存儲技術(shù)聯(lián)盟，共同推動(dòng)該技術(shù)的發(fā)展。

楊戈認為，數據存儲技術(shù)有很多種，單就DNA存儲技術(shù)來(lái)說(shuō)也有多種實(shí)現方式，將來(lái)誰(shuí)做得比較好，誰(shuí)可能就會(huì )闖出一條路來(lái)。美國加入DNA存儲技術(shù)聯(lián)盟的公司和大學(xué)已經(jīng)有三四十家，“從長(cháng)遠看，這有可能又會(huì )成為一項關(guān)鍵技術(shù)”。

“DNA作為數據存儲材料具有存儲量大、存儲密度高、存儲周期長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)?！惫饘氄f(shuō)，“然而，該技術(shù)在當前面臨的挑戰還很大，如合成成本高、讀取過(guò)程復雜等，并且其相關(guān)研究主要停留在實(shí)驗室層面，距離真正的應用還有很長(cháng)的路要走?！?/p>

截至目前，我國在DNA存儲上已經(jīng)形成了一批隊伍，中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心、天津大學(xué)、南方科技大學(xué)等單位都有課題組在做相關(guān)研究。

“我們目前在基礎研究方面已經(jīng)有了不錯的積累，在納米技術(shù)方面也走在了國際前列?！睏罡暾f(shuō)，“但在實(shí)驗室里做出一個(gè)原理性的東西、發(fā)幾篇論文，與投入實(shí)際應用還有很長(cháng)一段距離，其中有很多復雜的工程問(wèn)題需要解決。下一步，希望能夠成立技術(shù)聯(lián)盟，通過(guò)研究機構和企業(yè)的合作，加速技術(shù)產(chǎn)業(yè)化?！?/p>

來(lái)源：《中國科學(xué)報》