信息存储技术的前行之路

沈臻懿

数字化在成为社会未来发展主流趋势的同时，也带动了数据信息存储技术的发展与变革。无论是在十余年前处于绝对垄断地位的3.5英寸软盘，还是如今不断更新换代的信息存储技术，都诠释着人们对于信息保存时间更为长久、保存方式更为安全、保存介质更为稳定、保存成本更为低廉的不懈追求。与此同时，科学家们也在不断探索数据信息存储技术的新方式，以进一步增强信息存储的时间、容量与安全稳定性。

镜头下的信息存储新技术探索

《墨镜》作为一部英国科幻电视连续剧，出现过一幕经过艺术加工与夸张的信息存储新技术画面。在这部影片中，未来的人类都可以在头部植入一块记忆存储芯片，其经历过的所有事情都会以视频形式予以存储，并可随时调取、观看与回放。

这一关于信息存储技术的画面，虽带有较大的艺术夸张成分，却折射出了人类社会对于信息存储新技术的探索愿景。从石壁上的岩画、泥板上的刻字，到造纸术的问世，再到如今的计算机存储，人类社会在进化与发展的数千年历程中，一直采用各类手段来储存信息并记录历史。对于当代人而言，不少人几乎每天都要与计算机、智能手机亲密接触。这些信息化设备在广泛应用的同时，各类信息化数据的存储技术也在悄然发生着巨变。

不曾停歇的信息存储技术发展

计算机自诞生之日起，信息储存技术就在其中扮演着不可或缺的角色。存储介质也从最初的穿孔纸带、数据磁带，逐渐演变为机械硬盘、软盘、光盘、闪存、U盘、固态硬盘等。对于任何一名有着十余年网龄的互联网用户而言，必然都感受并经历过不曾停歇的信息储存技术大变革。

20世纪末时，人们普遍拿着一張3.5英寸软盘来存储文件资料。3.5英寸软盘是U盘问世前，个人计算机中最早使用的可移动存储介质。诚然，其读写速度极为缓慢，一分多钟的时间内仅能复制1M大小左右的数据；容量也小得可怜，仅为1.44MB左右。但3.5英寸软盘也曾是个人计算机的标准配置，有过极为辉煌的历史，且在可移动存储技术中占据了十余年的绝对垄断地位。直至2002年U盘问世后，3.5英寸软盘才退出历史舞台。如今，信息存储技术的更新换代，使得存储介质的体积越来越小，容量则越来越大，且读写速度也更为迅速。目前，128GB的U盘已随处可见；不少台式电脑中都装配了4TB容量的机械硬盘；较为高端的智能手机与平板电脑则拥有256GB的内存空间。

1956年，人类历史上首款硬盘驱动器问世。其外观近乎一台洗衣机，重量更是达到了庞大的一吨之重，售价则每台超过5000美元。但更为惊人的是，如此庞然大物的存储容量仅仅只有5MB。半个多世纪后的今天，市场上常见的机械硬盘多为3.5英寸的台式机硬盘或者2.5英寸的笔记本硬盘。其体积相较于初代设备几乎可忽略不计，但单块容量可达到4TB以上，其存储容量足足扩大了100万倍左右，可轻松装下数千部高清电影。

不过，即使是在体积和容量上已发生了翻天覆地的变化，硬盘存储技术仍未停下其前行的脚步。曾几何时，机械硬盘一直占据着硬盘存储技术的垄断主导地位。但近两年来，原本作为高端产品的固态硬盘已逐步走下“神坛”，并动摇了机械硬盘的绝对垄断地位。相较于机械硬盘而言，固态硬盘不仅更为稳定，且体积更小，读写速度更快！随着各项技术的成熟以及应用的不断普及，固态硬盘在容量持续扩容的同时，价格也在不断向着“亲民化”的方向发展，并为越来越多的普通民众所使用。

除了机械硬盘、固态硬盘等计算机需要使用的存储介质外，闪存卡的进化则代表了智能手机领域中信息存储技术的飞速发展。1987年，日本东芝公司研发的首款闪存卡，容量仅仅只有40MB。如今，作为闪存卡技术之一的micro SD卡仅有指甲盖大小，并出现了400GB容量的高速闪存卡。其传输速度高达每秒100MB，1分钟内即可传输1200张照片之巨！

信息存储新技术的不断涌现与未来变革

数字化时代在成为社会未来发展主流趋势的同时，也带动了数据信息存储技术的发展与变革。科学家们不断探索数据信息存储的新方式，以便能够进一步拓展信息存储的时间与容量。在这些新技术、新手段中，有的侧重于新型存储介质的探索，有的则侧重于数据信息存储条件的研究。

DNA生物介质存储新技术

“DNA是否可以对数据信息进行编码、储存？”对于这一设想，很多人或许都会认为其只是一个玩笑。但在不久的将来，DNA或许就会如同U盘一般用来存储信息。科学研究表明，纸质书籍载体上的信息可以保存数百年；竹简上的信息可保存两千年；石头上的信息则可以保存一万年之久。但对于DNA生物介质而言，理论上其对于信息的保存可持续至物种灭亡为止！

除可长期保存的性能外，DNA生物存储新技术的主要发展优势，还在于DNA所具有的稳定性高、耐用性好以及密度大的特点。DNA是一种优良的存储介质。一克重量DNA的存储容量高达惊人的200PB，约等于10万块2TB容量的移动硬盘的总和。据统计，全世界范围内所保存的数字化信息容量约为16万亿GB，由超过300个大型数据中心予以存储。不过，若是使用DNA生物介质存储技术来保存这些海量数据信息，可能仅仅只需要三个小盒子大小的DNA就足以保存全部数字化信息。

从原理上而言，DNA存储技术是用人工合成的脱氧核糖核酸（DNA）作为存储介质，以存储文档、录音、视频、图片文件等数字化信息，并可完整读取的技术。DNA双螺旋结构上存在4个化学基团，即核碱基。其依照特定顺利排列以组成遗传信息。利用DNA来存储信息的核心在于DNA碱基。科学家需要利用这些碱基，来研发出专门的编码技术。在将信息存储于DNA中时，需要将“0”和“1”数据转换为4种核苷酸，即由碱基所组成的序列。譬如，当需要拷贝一份计算机文档材料时，DNA信息存储系统首先会将计算机硬盘信息中的二进制数“翻译”为特定的代码，并借助于DNA合成器来制造出对应的碱基序列。该序列由多个重复片段所组成，每一个片段中都会各自携带部分索引信息。不过，DNA存储也并非易事，尤其是DNA的合成过程尤为艰难。DNA在合成过程中，有时会随机损失掉一个DNA。针对这一难题，科学家采用了特殊的编码技术来传输数字化信息，以适应连接中断的情形发生。在测试过程中，科学家选取了一部需要保存的视频资料。利用DNA编码技术，获得了该部视频的完整DNA序列。随后，其利用基因可编辑方式，将这部视频资料的DNA序列插入到一个肠道细菌的基因之中。令人倍感神奇的是，这种方式并未改变肠道细菌的活性，其仍可照样生长与繁殖。在经过不断的分裂之后，这个肠道细菌的后代中仍存储有该部视频。最后，进行测试的科学家们获得了极为惊人的900亿部复制的视频资料！endprint

对于编码技术、代码可靠性等问题，科学家已经一一攻克难题。但DNA生物介质存储技术规模化应用仍面临着一大障碍，即高昂的成本。这一新技术在研究伊始，DNA合成与DNA编排的成本均极为高昂。诚然，纳米微孔技术在DNA编排技术中的引入与应用，使得其成本已然大幅降低。但DNA合成的成本依然很昂贵。若DNA合成的成本能够下降，DNA生物介质存储技术在未来将有更大的应用空间。

除了昂贵的成本问题外，DNA生物介质存储技术的研发还面临着其他一些难关需要攻克。利用DNA所存储的数字化信息，如欲尽可能保存更长时间，则需要采用一定附加手段对DNA加以固定。考古研究中，人们已经可以从琥珀中包裹的恐龙同时期的生物体内提取DNA信息，也能够从远古洞穴中发现的40万年前的古人类骨骼中提取DNA，并进行基因重建。对于自然界和生物界中的基因物质而言，其可以固定、保存在动植物化石和人类、动物骨骼之中。但对于合成的存储有数据信息的DNA而言，其往往并不稳定。若是将其合成后直接放置于实验室中，可能仅仅只在一年之后，DNA中所存储的数据信息就会毁损。故如何对合成的存储有数据信息的DNA进行固定，以达到理想状态下可以近乎永恒状态下的保存，仍需要科学家们进一步探索。

得以保存百万年之久的钨晶片存储介质

信息存储技术的发展，已然令人们能够保存超大容量的数据资料。但如何能让数据信息得以超长时间保存，甚至为未来的智慧生命体留下人类的“声音”，就显得尤为困难了。为了保证存储信息不丢失，且能够尽可能长时间地保存，就需要寻找一种特有的存储介质与存储方式，来实现将信息保存数百万年甚至更久的目标。

科学家在经过不断尝试和探索后，研发出了一种独特的光学存储介质。其是用金属钨所制成的晶片材料。钨具有熔点高、硬度高的特点，常温下不会受到空气侵蚀，且能耐受极端温度环境。数据信息在被存储的过程中，首先会采用蚀刻技术在钨晶片表面进行信息的“书写”，并以QR二维码的形式蚀刻至钨晶片表面。随后，蚀刻上数据信息的钨晶片需要用氮化硅进行封装。

为了测试数据信息保存的稳定与可靠程度，科学家通过高温条件下的人为老化实验，来对已蚀刻数据信息的钨晶片存储介质进行了测试。科学研究表明，若存储介质能够在200摄氏度的条件下存放一小时，就意味着其在正常环境下至少能存放一百万年。科学家利用高温进行测试后，发现钨晶片存储介质并未有出现明显老化现象，仍可轻易读取蚀刻的QR二维码信息。不过，当温度持续上升，超过400摄氏度后，钨虽然尚未受到影响，但其上所蚀刻的QR二维码信息的读取就变得尤为困难了。因此，在应用这一新型信息存储技术的同时，还需要有更为稳定和安全的地点来存放氮化硅封装后的钨晶片。

五维数据存储的“5D盘片”

体积小、容量大、保存时间久、安全性能可靠，是数据信息存储技术未来发展的主流趋势。根据这一设想，一支英国的研究团队设计出了一款五维数据存储的“5D盘片”。当前信息存储技术多采用的是2D存储方式，而这一全新技术，采用了纳米技术和玻璃材质，利用五维数据存储方式来进行信息的存储与保存。简言之，即是在玻璃盘片中嵌入五维的纳米结构，并利用玻璃中的微型纳米结构进行信息的编码。

相较现今主流的存储介质，5D玻璃盘片的面積仅有一枚硬币大小，但其却可以在将近200摄氏度的高温环境下稳定保存138亿年，这一数值也是当前宇宙的寿命！众所周知，玻璃作为一类较为坚固的材料，不易受到化学物质的腐蚀，且能防水，唯有高温环境下才能令玻璃发生融化或者变形。此外，玻璃自身所具有的极为稳定的化学性质，也能保证利用五维纳米结构存储在其内部的数据信息不会丢失。

不同于CD、DVD等在存储介质表面进行刻录，并将数据信息予以保存的2D存储方式，5D玻璃盘片则是将数据信息保存在其内部结构之中。具体而言，存有数据信息的CD、DVD光盘表面有着诸多凹凸不平的线条，其可以被激光所读取。当激光发现有凸起时，即代表“1”这一数据，若未发现有凸起，则代表“0”这一数据。基于该二维数据表达方式，光盘可以用于存储各类数据信息。不过，这些凸起点均位于光盘表面，这也使得其极为脆弱。无论是物理磕碰，还是暴露在恶劣环境下，都会对其存储的数据信息造成破坏。与此同此，采用五维数据存储的“5D盘片”使用了盘片内的纳米物理结构，即“纳米格栅”来存储数据信息。其通过折射的激光，可读取并表达激光折射的强度、纳米格栅的方向及X、Y、Z轴分别表示的空间位置等五种不同的数据状态。这也使得5D玻璃盘片不用担心磨损、划伤等原因而对存储的数据造成破坏。同时，从2D存储方式到5D存储方式，使用该盘片在相同面积上的存储容量更为惊人，其数据信息存储的密度也更大，可轻松存储下数百TB容量的数据信息。

数据信息存储的新地点

科学家在对新型信息存储技术不断研发的同时，也在思索如何将存有数据信息的服务器放置于更为安全、可靠的地点。有科学研究团队经过诸多测试，选择将数据信息存储的新地点安置于废弃的地下矿井之中，并认为其是数据信息存储基地的最佳地点。

庞大的数据信息存储中心的有效维持，需要不间断持续的低湿与低温环境。若在地面上建立这样一个数据信息存储中心，势必会带来大量的能源损耗。但科学家将废弃的地下矿井经过改造后，将其设置为数据信息存储基地。利用地下矿井的自身特性，可实现持续的低湿与低温环境的数据信息存储要求。endprint