点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:新型数据存储仍待突破“最后一公里”
首页> 科普频道> 科普头条 > 正文

新型数据存储仍待突破“最后一公里”

来源:《中国科学报》2021-10-28 09:31

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  图片来源:unsplash

  ■记者 张双虎

  信息的“洪流”可能很快就会超过硬盘的承载能力。

  大数据正像发动机一样赋能千行百业,随之而来的是数据体量的爆炸式增长。然而,当前用于存储数据的设备,比如光、电、磁介质和闪存,使用寿命通常不到 20 年,并且还需要消耗大量能量来维护。

  尽管科学家们始终在探索以高密度和无能耗的方式来存储信息的新方法,比如 DNA或其他分子聚合物存储技术,但其相对成本高、读写速度慢等瓶颈问题仍未突破。近期,几项关于存储技术的新进展给数据存储带来了一线曙光。

  新的光学分子存储

  近日,哈佛大学化学与化学生物系教授 George Whitesides 团队及其合作者,开发了一种全新且原理简单的光学分子存储方法。他们使用荧光染料分子编码二进制信息,成功将各类文字、图像信息写入并读取出来,其读、写速度分别达到每秒128比特和 469 比特,甚至可以读写视频或其他信息。相关研究已在《ACS核心科学》上发表。

  光学分子存储技术不需要对分子内部的结构或序列进行复杂编码,且在理论上具有较高的存储密度、无需能耗维护。然而,长期以来读、写速度慢,读取次数有限等问题也制约着其进步发展。

  为解决此类问题,Whitesides 等人使用荧光分子将目标信息编码成二进制并存储,并使用荧光显微镜来读取信息。使用这种方法,他们成功在一块小至 7.2 平方毫米的基板上存储了约 14KB 的信息,空间信息密度达到每平方毫米271.5 字节。此外,通过重复读取信息 1000 次以上,研究团队发现荧光信号强度的损失较少(低于 20%),且每次都能成功读取。

  “Whitesides团队的存储方法原理简单、概念新颖,在信息存储方面具有一定的意义。”华中科技大学化学与化工学院教授吉晓帆告诉《中国科学报》。

  中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室研究员杨戈同样认为,“这是一个创新的方法”。

  “它实际上是基于化学荧光分子的存储技术。”杨戈对《中国科学报》说,“但它用喷墨打印来实现,存储密度、读取速度可能会受到影响。此外,通过荧光标记的方式,会面临荧光分子的发光衰减问题,从而可能限制读取次数。”

  按需开发存储材料

  “信息存储手段多种多样,不同存储手段有不同的优点,可以应用于不同场景。”北京化工大学材料科学与工程学院教授郭金宝告诉《中国科学报》,“人们可以根据自己的需求,如存储信息的内容、安全性等,选择存储手段,开发不同的存储材料。”

  近日,郭金宝团队在《先进功能材料》发表论文,使用具有可重写荧光图案和可重构3D形状的液晶弹性体材料来实现多重信息存储与加密。他们利用材料特性产生的两种信息存储方式,进一步拓展了存储信息的数据量;另一方面,该体系在读取信息时需要两步不同的解密方式,使存储信息的安全性大大提高。

  “需要指出的是,我们这个工作属于基础研究,旨在拓展液晶弹性体在信息存储方面的应用,距离实际应用还存在较大差距,仍需进一步探索。”郭金宝说。

  而吉晓帆团队在线发表于《先进材料》的成果,则展示了利用聚集诱导发光(AIE)超分子水凝胶实现信息大量存储的可能。

  “AIE超分子水凝胶是以信息码技术为基础,结合AIE分子、超分子凝胶的优良性能,集光、通信和网络技术为一体的新型存储技术。”吉晓帆告诉《中国科学报》,“它与传统磁介质、光介质、DNA存储均不一样。AIE超分子水凝胶是一种有机介质,为信息码提供了优良的载体从而实现了信息的大量存储。”

  因此,或许在不久的将来,AIE超分子水凝胶作为信息码材料存储的信息量能够和硬盘媲美。

  近年来,DNA存储技术领域也屡屡取得新进展。不少科学家认为,从地球生命诞生至今,DNA已经进化到可以以极高的密度存储大量信息,“理论上一个装满DNA的咖啡杯就可以存储世界上所有的数据”。作为存储介质,DNA稳定、存储密度高、耗费能量少等特点让其广受追捧。

  中国科学院化学研究所研究员宋延林认为,尽管DNA存储技术相关研究已经有些年头了,但离实际应用还有不小距离,目前的技术路线并不清楚。

  “DNA存储在理论上有很多优势,但它还有很多关键技术难题需要解决。” 宋延林说,“无论传统的光、电、磁介质存储还是功能分子、DNA存储,一项能够实际应用的技术,除了存取密度、速度、使用寿命和安全性外,还要考虑其稳定性、方便性和成本。”

  产研合作加速产业化

  “现在确实面临一个问题。”杨戈说,“我们生活在一个信息化的社会,对数据的需求越来越多,产生的数据量越来越大。比如,腾讯、阿里、字节跳动等信息技术公司,在能源价格低廉的偏远省区建了很多数据中心,但能源消耗仍然是个大问题。而且,现在的主流存储方式都有其物理上的限制,人们迫切需要寻找新的存储技术。”

  杨戈介绍说,DNA存储技术用构成遗传密码的4种核苷酸(即腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶)将信息编码在DNA中。其基本原理是一次写入、多次读出,是一种长期存储的技术。目前DNA存储技术虽然有很多不同的实现方式,但基本的技术路线是一致的。

  借助现代生命科学领域的成熟技术,比如合成和测序等,DNA存储技术得到快速发展。美国微软、因美纳等数据存储和生物技术公司还成立了DNA存储技术联盟,共同推动该技术的发展。

  杨戈认为,数据存储技术有很多种,单就DNA存储技术来说也有多种实现方式,将来谁做得比较好,谁可能就会闯出一条路来。美国加入DNA存储技术联盟的公司和大学已经有三四十家,“从长远看,这有可能又会成为一项关键技术”。

  “DNA作为数据存储材料具有存储量大、存储密度高、存储周期长等优点。”郭金宝说,“然而,该技术在当前面临的挑战还很大,如合成成本高、读取过程复杂等,并且其相关研究主要停留在实验室层面,距离真正的应用还有很长的路要走。”

  截至目前,我国在DNA存储上已经形成了一批队伍,中国科学院国家纳米科学中心、天津大学、南方科技大学等单位都有课题组在做相关研究。

  “我们目前在基础研究方面已经有了不错的积累,在纳米技术方面也走在了国际前列。”杨戈说,“但在实验室里做出一个原理性的东西、发几篇论文,与投入实际应用还有很长一段距离,其中有很多复杂的工程问题需要解决。下一步,希望能够成立技术联盟,通过研究机构和企业的合作,加速技术产业化。”

[ 责编:武玥彤 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 彭丽媛会见德国伯乐中文合唱团师生代表

  • 明前茶飘香

独家策划

推荐阅读
见证大国底气从“核”来
2024-03-29 14:15
人工智能可以取代人力勾绘农作物地块,快速完成耕地识别,工作效率相比人工作业提升数十倍。在他看来,我国在星上智能处理和地面遥感AI大模型技术上同步发力,推进人工智能遥感技术发展,太空中的卫星将变得越来越“聪明”。
2024-03-29 09:36
3月27日发表于《自然》的一项分析预测,融化的冰盖正在减缓地球的自转速度,以至于下一个闰秒将被推迟3年。论文作者之一、美国斯克里普斯海洋研究所地球物理学家Duncan Agnew说:“融冰足以使海平面上升,以至于我们可以看到地球自转速度受到了影响。
2024-03-29 09:33
胡新立表示,研究团队将进一步探讨生理性乳酸水平变化对机体代谢的意义,以及恶病质中骨骼肌萎缩与乳酸的直接关系。
2024-03-29 09:31
近日,日本小林制药保健品事件持续发酵。小林制药此前表示,该公司的红曲原料中可能含有导致消费者出现肾功能不良状态的非预期成分。小林制药出产的红曲原料除用于自家生产保健品外,还出售给其他公司,用于酿酒及食品制造等。
2024-03-29 09:22
朱雀三号可重复使用垂直起降回收验证火箭在酒泉卫星发射中心圆满完成试验任务。2023年12月,蓝箭航天朱雀二号遥三液氧甲烷运载火箭在酒泉发射中心圆满完成发射任务,将三颗商业卫星顺利送入预定轨道。
2024-03-29 09:30
记者28日从南京大学获悉,由该校物理学院杜灵杰教授领衔的国际团队利用极端条件下的偏振光散射技术,在砷化镓量子阱中对分数量子霍尔效应的集体激发进行了测量,在世界上首次观察到引力子激发,即引力子在凝聚态物质中的新奇准粒子。
2024-03-29 08:38
世界卫生组织27日发布新闻公报说,已启用“冠状病毒网络”(CoViNet),以促进和协调全球的专业知识和能力,及早准确地检测、监测和评估新冠病毒、中东呼吸综合征冠状病毒和其他可能新出现的冠状病毒。
2024-03-29 08:38
万兆元年,谁来领航?是更智慧AI,是更领先的Advance,是刷新极限的速度,还是升级多维的体验?中国移动5G-A商用发布会,重新定义数智新时代,邀您共同见证!3月28日15:00-16:00
2024-03-28 12:36
作为中国大科学装置之一,高能同步辐射光源是由中国科学院、北京市共建的怀柔科学城大科学装置集群的核心装置。
2024-03-28 09:54
2022年8月15日,国际天文学联合会小天体命名工作组发布公告,将国际永久编号为192353号的小行星命名为“王大中星”。围绕大学的根本任务是育才造士这一核心要义,王大中归纳并紧抓建设一流大学的三大要素:大师、大楼和大学精神。
2024-03-28 09:34
坎潘特强调,最新观测表明,精确的星震学技术可用于探测表面温度低至4200℃(比太阳表面低约1000℃)的矮星,为天体物理观测开辟了一个新领域。这一最新结果表明,星震学技术有望详细表征这些恒星及其宜居行星的细节,而精确确定附近冷矮星的年龄对于阐释系外行星上发现的生物特征可能至关重要。
2024-03-28 09:33
记者从自然资源部3月27日召开的例行新闻发布会上获悉:今年是极地考察40周年,自然资源部将开展一系列活动纪念这一重要时间节点。7月北极黄河站建站20周年时,在黄河站举办招待会、研讨会等相关活动,中国第四十一次南极考察期间将在长城站、中山站举行招待会、研讨会等相关活动,“雪龙”号、“雪龙2”号船停靠外港时举行公众开放日活动。
2024-03-28 09:32
联合国教科文组织执行局27日批准18处地质公园列入世界地质公园网络名录,其中包括中国的6个地质公园,分别是长白山世界地质公园、恩施大峡谷-腾龙洞世界地质公园、临夏世界地质公园、龙岩世界地质公园、武功山世界地质公园、兴义世界地质公园。
2024-03-28 09:31
据介绍,除了服务于中国探月工程四期,后续鹊桥二号中继星还可为国内外月球探测提供中继通信支持。
2024-03-28 09:25
涂白防虫、修剪树枝、引水灌溉……每当春天到来,在祖国西北边陲新疆托里县老风口,生态造林工作就紧锣密鼓地开始了。
2024-03-27 10:22
今年我国纪念“世界水日”“中国水周”的活动主题为“精打细算用好水资源,从严从细管好水资源”。
2024-03-27 10:21
在齐齐哈尔市甘南县宝山乡巨宏村,村民苑忠国正在准备春耕,多年来通过参与县里的培训,春耕物资的采购对他来说已是轻车熟路。
2024-03-27 10:20
在开展调查监测,评估新污染物环境风险状况方面,《行动方案》提出建立化学物质环境信息调查制度、建立新污染物环境调查监测制度、建立化学物质环境风险评估制度、动态发布重点管控新污染物清单等具体措施。
2024-03-27 10:18
一群“麦哲伦”式的实验物理学家正在高能物理的版图上开疆拓土。而玻色子的发现,正在指向新的“盛宴”。
2024-03-27 10:16
加载更多