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信息的“洪流”可能很快就會超過硬盤的承載能力。

大數(shù)據(jù)正像發(fā)動機(jī)一樣賦能千行百業(yè)，隨之而來的是數(shù)據(jù)體量的爆炸式增長。然而，當(dāng)前用于存儲數(shù)據(jù)的設(shè)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維護(hù)。

盡管科學(xué)家們始終在探索以高密度和無能耗的方式來存儲信息的新方法，比如 DNA或其他分子聚合物存儲技術(shù)，但其相對成本高、讀寫速度慢等瓶頸問題仍未突破。近期，幾項關(guān)于存儲技術(shù)的新進(jìn)展給數(shù)據(jù)存儲帶來了一線曙光。

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(tuán)隊及其合作者，開發(fā)了一種全新且原理簡單的光學(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，成功將各類文字、圖像信息寫入并讀取出來，其讀、寫速度分別達(dá)到每秒128比特和 469 比特，甚至可以讀寫視頻或其他信息。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(nèi)部的結(jié)構(gòu)或序列進(jìn)行復(fù)雜編碼，且在理論上具有較高的存儲密度、無需能耗維護(hù)。然而，長期以來讀、寫速度慢，讀取次數(shù)有限等問題也制約著其進(jìn)步發(fā)展。

為解決此類問題，Whitesides 等人使用熒光分子將目標(biāo)信息編碼成二進(jìn)制并存儲，并使用熒光顯微鏡來讀取信息。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(dá)到每平方毫米271.5 字節(jié)。此外，通過重復(fù)讀取信息 1000 次以上，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)熒光信號強(qiáng)度的損失較少（低于 20%），且每次都能成功讀取。

“Whitesides團(tuán)隊的存儲方法原理簡單、概念新穎，在信息存儲方面具有一定的意義。”華中科技大學(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)院自動化研究所模式識別國家重點實驗室研究員楊戈同樣認(rèn)為，“這是一個創(chuàng)新的方法”。

“它實際上是基于化學(xué)熒光分子的存儲技術(shù)。”楊戈對《中國科學(xué)報》說，“但它用噴墨打印來實現(xiàn)，存儲密度、讀取速度可能會受到影響。此外，通過熒光標(biāo)記的方式，會面臨熒光分子的發(fā)光衰減問題，從而可能限制讀取次數(shù)。”

按需開發(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，可以應(yīng)用于不同場景。”北京化工大學(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(jù)自己的需求，如存儲信息的內(nèi)容、安全性等，選擇存儲手段，開發(fā)不同的存儲材料。”

近日，郭金寶團(tuán)隊在《先進(jìn)功能材料》發(fā)表論文，使用具有可重寫熒光圖案和可重構(gòu)3D形狀的液晶彈性體材料來實現(xiàn)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(shù)據(jù)量；另一方面，該體系在讀取信息時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，我們這個工作屬于基礎(chǔ)研究，旨在拓展液晶彈性體在信息存儲方面的應(yīng)用，距離實際應(yīng)用還存在較大差距，仍需進(jìn)一步探索。”郭金寶說。

而吉曉帆團(tuán)隊在線發(fā)表于《先進(jìn)材料》的成果，則展示了利用聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）超分子水凝膠實現(xiàn)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(chǔ)，結(jié)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)。”吉曉帆告訴《中國科學(xué)報》，“它與傳統(tǒng)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(jī)介質(zhì)，為信息碼提供了優(yōu)良的載體從而實現(xiàn)了信息的大量存儲。”

因此，或許在不久的將來，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媲美。

近年來，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(rèn)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，“理論上一個裝滿DNA的咖啡杯就可以存儲世界上所有的數(shù)據(jù)”。作為存儲介質(zhì)，DNA穩(wěn)定、存儲密度高、耗費(fèi)能量少等特點讓其廣受追捧。

中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員宋延林認(rèn)為，盡管DNA存儲技術(shù)相關(guān)研究已經(jīng)有些年頭了，但離實際應(yīng)用還有不小距離，目前的技術(shù)路線并不清楚。

“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，“無論傳統(tǒng)的光、電、磁介質(zhì)存儲還是功能分子、DNA存儲，一項能夠?qū)嶋H應(yīng)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(wěn)定性、方便性和成本。”

產(chǎn)研合作加速產(chǎn)業(yè)化

“現(xiàn)在確實面臨一個問題。”楊戈說，“我們生活在一個信息化的社會，對數(shù)據(jù)的需求越來越多，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量越來越大。比如，騰訊、阿里、字節(jié)跳動等信息技術(shù)公司，在能源價格低廉的偏遠(yuǎn)省區(qū)建了很多數(shù)據(jù)中心，但能源消耗仍然是個大問題。而且，現(xiàn)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)。”

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

借助現(xiàn)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(shù)據(jù)存儲和生物技術(shù)公司還成立了DNA存儲技術(shù)聯(lián)盟，共同推動該技術(shù)的發(fā)展。

楊戈認(rèn)為，數(shù)據(jù)存儲技術(shù)有很多種，單就DNA存儲技術(shù)來說也有多種實現(xiàn)方式，將來誰做得比較好，誰可能就會闖出一條路來。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，“從長遠(yuǎn)看，這有可能又會成為一項關(guān)鍵技術(shù)”。

“DNA作為數(shù)據(jù)存儲材料具有存儲量大、存儲密度高、存儲周期長等優(yōu)點。”郭金寶說，“然而，該技術(shù)在當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)還很大，如合成成本高、讀取過程復(fù)雜等，并且其相關(guān)研究主要停留在實驗室層面，距離真正的應(yīng)用還有很長的路要走。”

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(chǔ)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。”楊戈說，“但在實驗室里做出一個原理性的東西、發(fā)幾篇論文，與投入實際應(yīng)用還有很長一段距離，其中有很多復(fù)雜的工程問題需要解決。下一步，希望能夠成立技術(shù)聯(lián)盟，通過研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的合作，加速技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。”

來源：《中國科學(xué)報》