微软2.02T登Nature：把字刻在石头上量子位

《三体》里，人类为文明选择的“亿年级”存档方案，是最原始的“把字刻在石头上”。

最近微软真把数据刻在了玻璃里。

Nature最新研究，展示了一种名为Silica的三维光学玻璃存储技术：

在一块巴掌大120mm×120mm、仅2mm厚的玻璃片中，微软研究团队实现了301层数据的三维写入。数据密度达到1.59 Gbit·mm⁻³，总容量4.84TB，单光束写入通量25.6 Mbit·s⁻¹，每bit能耗仅10.1nJ。

相当于能存下近500万本1MB大小的电子书、约100万张5MB大小的照片。

更惊人的是，针对相位体素编码方案（对应2.02T可用容量），加速老化实验外推结果显示，290℃高温下其特征寿命可达10000年。

为什么人类需要“玻璃硬盘”？

要知道，人类产生数据的速度在指数级增长，总量大约每三年翻一番，其中大量数据必须保存数十年甚至数百年。但现有的磁带和硬盘通常几年就开始退化，数据不得不定期“搬家”到新介质上，时间、设备、能源成本都不低。

玻璃是一种天然适合长期存储的材料——热稳定、化学稳定、不怕潮、不怕电磁干扰。用飞秒激光在玻璃内部写入数据的思路此前已有不少研究，但大多只做了某个单一环节的优化，没有把写入、存储、读取、解码整条链路完整跑通。

而Silica在所有关键存储指标上均表现达标，并且展示了写入、读取和解码全流程可靠运行的方案。

有关详情，我们接着往下看。

数据是怎么被写进玻璃里的？

Silica系统的整体架构如下图所示。

把数据写进玻璃，需要用到的一种核心技术是飞秒激光。

飞秒是时间单位，1飞秒等于一千万亿分之一秒。这种激光脉冲极短、能量极集中，打在玻璃内部时，能在微观层面改变玻璃的光学性质，形成一个个极其微小的光学“标记点”，名叫体素（voxel），可以理解为三维空间里的像素。

每个体素表示多级符号，而非单一二进制位。

具体怎么编码呢？微软团队开发了两种方式。

第一种叫双折射体素，写在高纯度石英玻璃上。

激光在玻璃内部制造出极小的拉长形纳米空洞，空洞的朝向由激光的偏振方向决定。改变偏振方向，就改变了空洞的朝向，相当于写入了不同的符号。论文中使用了8个不同的方位角等级，也就是说一个体素可实现8种状态编码，对应3bit。

这种方式有一个巧妙的写入技巧：

每个激光脉冲被分成两部分，一部分负责“打地基”（形成初始的空洞种子），另一部分负责把上一个脉冲留下的种子“拉长定型”成数据体素。这样每来一个脉冲，就有一个体素被“定型完成”，体素的生成速率接近激光重复频率量级，论文中使用的飞秒激光重复频率为10 MHz。

PS：因为每个体素存储的用户bit数还要扣除纠错冗余，所以论文最终报告的用户数据写入吞吐量低于理论峰值。

第二种叫相位体素，写在硼硅酸盐玻璃上（就是日常实验室常见的那种耐热玻璃，成本更低）。

这种方式更简单粗暴：通过调节激光脉冲的能量强弱来改变玻璃局部的折射率，能量不同，折射率变化不同，对应不同的数据符号。

团队利用声光调制器（AOM）对光束能量进行调制。

每个体素只需要一个脉冲就能写完，因此体素可在10 MHz的激光重复频率下完成写入。

两种方式产生的光学变化都非常微弱，好处是散射和串扰都很低，所以可以在玻璃内部叠多层。

接下来问题来了，写入质量如何保证？

激光系统里有很多光学元件，任何一个元件的微小波动都会影响写入质量。团队为此设计了一套双重质量控制系统。

第一层是离线标定（Offline Flattening）。写数据之前，先把整个光路里的各种不均匀性（比如扫描器不同面的反射率差异、物镜在不同深度的表现差异）全部测一遍，算出补偿参数存起来，写数据时自动叠加补偿。

第二层是闭环控制（Closed-loop Control）。激光打在玻璃上形成体素的瞬间，会产生等离子体发光。系统通过摄像头实时捕捉这个发光信号，如果发光强度偏离目标值，就立刻通过调制器调整激光功率，把能量拉回正轨。这就像一个持续运转的“自动纠偏器”，保证每个体素的质量始终稳定。

数据怎么读出来？