沈臻懿

數字化在成為社會未來發(fā)展主流趨勢的同時，也帶動了數據信息存儲技術的發(fā)展與變革。無論是在十余年前處于絕對壟斷地位的3.5英寸軟盤，還是如今不斷更新換代的信息存儲技術，都詮釋著人們對于信息保存時間更為長久、保存方式更為安全、保存介質更為穩(wěn)定、保存成本更為低廉的不懈追求。與此同時，科學家們也在不斷探索數據信息存儲技術的新方式，以進一步增強信息存儲的時間、容量與安全穩(wěn)定性。

鏡頭下的信息存儲新技術探索

《墨鏡》作為一部英國科幻電視連續(xù)劇，出現過一幕經過藝術加工與夸張的信息存儲新技術畫面。在這部影片中，未來的人類都可以在頭部植入一塊記憶存儲芯片，其經歷過的所有事情都會以視頻形式予以存儲，并可隨時調取、觀看與回放。

這一關于信息存儲技術的畫面，雖帶有較大的藝術夸張成分，卻折射出了人類社會對于信息存儲新技術的探索愿景。從石壁上的巖畫、泥板上的刻字，到造紙術的問世，再到如今的計算機存儲，人類社會在進化與發(fā)展的數千年歷程中，一直采用各類手段來儲存信息并記錄歷史。對于當代人而言，不少人幾乎每天都要與計算機、智能手機親密接觸。這些信息化設備在廣泛應用的同時，各類信息化數據的存儲技術也在悄然發(fā)生著巨變。

不曾停歇的信息存儲技術發(fā)展

計算機自誕生之日起，信息儲存技術就在其中扮演著不可或缺的角色。存儲介質也從最初的穿孔紙帶、數據磁帶，逐漸演變?yōu)闄C械硬盤、軟盤、光盤、閃存、U盤、固態(tài)硬盤等。對于任何一名有著十余年網齡的互聯網用戶而言，必然都感受并經歷過不曾停歇的信息儲存技術大變革。

20世紀末時，人們普遍拿著一張3.5英寸軟盤來存儲文件資料。3.5英寸軟盤是U盤問世前，個人計算機中最早使用的可移動存儲介質。誠然，其讀寫速度極為緩慢，一分多鐘的時間內僅能復制1M大小左右的數據；容量也小得可憐，僅為1.44MB左右。但3.5英寸軟盤也曾是個人計算機的標準配置，有過極為輝煌的歷史，且在可移動存儲技術中占據了十余年的絕對壟斷地位。直至2002年U盤問世后，3.5英寸軟盤才退出歷史舞臺。如今，信息存儲技術的更新換代，使得存儲介質的體積越來越小，容量則越來越大，且讀寫速度也更為迅速。目前，128GB的U盤已隨處可見；不少臺式電腦中都裝配了4TB容量的機械硬盤；較為高端的智能手機與平板電腦則擁有256GB的內存空間。

1956年，人類歷史上首款硬盤驅動器問世。其外觀近乎一臺洗衣機，重量更是達到了龐大的一噸之重，售價則每臺超過5000美元。但更為驚人的是，如此龐然大物的存儲容量僅僅只有5MB。半個多世紀后的今天，市場上常見的機械硬盤多為3.5英寸的臺式機硬盤或者2.5英寸的筆記本硬盤。其體積相較于初代設備幾乎可忽略不計，但單塊容量可達到4TB以上，其存儲容量足足擴大了100萬倍左右，可輕松裝下數千部高清電影。

不過，即使是在體積和容量上已發(fā)生了翻天覆地的變化，硬盤存儲技術仍未停下其前行的腳步。曾幾何時，機械硬盤一直占據著硬盤存儲技術的壟斷主導地位。但近兩年來，原本作為高端產品的固態(tài)硬盤已逐步走下“神壇”，并動搖了機械硬盤的絕對壟斷地位。相較于機械硬盤而言，固態(tài)硬盤不僅更為穩(wěn)定，且體積更小，讀寫速度更快！隨著各項技術的成熟以及應用的不斷普及，固態(tài)硬盤在容量持續(xù)擴容的同時，價格也在不斷向著“親民化”的方向發(fā)展，并為越來越多的普通民眾所使用。

除了機械硬盤、固態(tài)硬盤等計算機需要使用的存儲介質外，閃存卡的進化則代表了智能手機領域中信息存儲技術的飛速發(fā)展。1987年，日本東芝公司研發(fā)的首款閃存卡，容量僅僅只有40MB。如今，作為閃存卡技術之一的micro SD卡僅有指甲蓋大小，并出現了400GB容量的高速閃存卡。其傳輸速度高達每秒100MB，1分鐘內即可傳輸1200張照片之巨！

信息存儲新技術的不斷涌現與未來變革

數字化時代在成為社會未來發(fā)展主流趨勢的同時，也帶動了數據信息存儲技術的發(fā)展與變革?？茖W家們不斷探索數據信息存儲的新方式，以便能夠進一步拓展信息存儲的時間與容量。在這些新技術、新手段中，有的側重于新型存儲介質的探索，有的則側重于數據信息存儲條件的研究。

DNA生物介質存儲新技術

“DNA是否可以對數據信息進行編碼、儲存？”對于這一設想，很多人或許都會認為其只是一個玩笑。但在不久的將來，DNA或許就會如同U盤一般用來存儲信息?？茖W研究表明，紙質書籍載體上的信息可以保存數百年；竹簡上的信息可保存兩千年；石頭上的信息則可以保存一萬年之久。但對于DNA生物介質而言，理論上其對于信息的保存可持續(xù)至物種滅亡為止！

除可長期保存的性能外，DNA生物存儲新技術的主要發(fā)展優(yōu)勢，還在于DNA所具有的穩(wěn)定性高、耐用性好以及密度大的特點。DNA是一種優(yōu)良的存儲介質。一克重量DNA的存儲容量高達驚人的200PB，約等于10萬塊2TB容量的移動硬盤的總和。據統(tǒng)計，全世界范圍內所保存的數字化信息容量約為16萬億GB，由超過300個大型數據中心予以存儲。不過，若是使用DNA生物介質存儲技術來保存這些海量數據信息，可能僅僅只需要三個小盒子大小的DNA就足以保存全部數字化信息。

從原理上而言，DNA存儲技術是用人工合成的脫氧核糖核酸（DNA）作為存儲介質，以存儲文檔、錄音、視頻、圖片文件等數字化信息，并可完整讀取的技術。DNA雙螺旋結構上存在4個化學基團，即核堿基。其依照特定順利排列以組成遺傳信息。利用DNA來存儲信息的核心在于DNA堿基?？茖W家需要利用這些堿基，來研發(fā)出專門的編碼技術。在將信息存儲于DNA中時，需要將“0”和“1”數據轉換為4種核苷酸，即由堿基所組成的序列。譬如，當需要拷貝一份計算機文檔材料時，DNA信息存儲系統(tǒng)首先會將計算機硬盤信息中的二進制數“翻譯”為特定的代碼，并借助于DNA合成器來制造出對應的堿基序列。該序列由多個重復片段所組成，每一個片段中都會各自攜帶部分索引信息。不過，DNA存儲也并非易事，尤其是DNA的合成過程尤為艱難。DNA在合成過程中，有時會隨機損失掉一個DNA。針對這一難題，科學家采用了特殊的編碼技術來傳輸數字化信息，以適應連接中斷的情形發(fā)生。在測試過程中，科學家選取了一部需要保存的視頻資料。利用DNA編碼技術，獲得了該部視頻的完整DNA序列。隨后，其利用基因可編輯方式，將這部視頻資料的DNA序列插入到一個腸道細菌的基因之中。令人倍感神奇的是，這種方式并未改變腸道細菌的活性，其仍可照樣生長與繁殖。在經過不斷的分裂之后，這個腸道細菌的后代中仍存儲有該部視頻。最后，進行測試的科學家們獲得了極為驚人的900億部復制的視頻資料！endprint

對于編碼技術、代碼可靠性等問題，科學家已經一一攻克難題。但DNA生物介質存儲技術規(guī)模化應用仍面臨著一大障礙，即高昂的成本。這一新技術在研究伊始，DNA合成與DNA編排的成本均極為高昂。誠然，納米微孔技術在DNA編排技術中的引入與應用，使得其成本已然大幅降低。但DNA合成的成本依然很昂貴。若DNA合成的成本能夠下降，DNA生物介質存儲技術在未來將有更大的應用空間。

除了昂貴的成本問題外，DNA生物介質存儲技術的研發(fā)還面臨著其他一些難關需要攻克。利用DNA所存儲的數字化信息，如欲盡可能保存更長時間，則需要采用一定附加手段對DNA加以固定?？脊叛芯恐?，人們已經可以從琥珀中包裹的恐龍同時期的生物體內提取DNA信息，也能夠從遠古洞穴中發(fā)現的40萬年前的古人類骨骼中提取DNA，并進行基因重建。對于自然界和生物界中的基因物質而言，其可以固定、保存在動植物化石和人類、動物骨骼之中。但對于合成的存儲有數據信息的DNA而言，其往往并不穩(wěn)定。若是將其合成后直接放置于實驗室中，可能僅僅只在一年之后，DNA中所存儲的數據信息就會毀損。故如何對合成的存儲有數據信息的DNA進行固定，以達到理想狀態(tài)下可以近乎永恒狀態(tài)下的保存，仍需要科學家們進一步探索。

得以保存百萬年之久的鎢晶片存儲介質

信息存儲技術的發(fā)展，已然令人們能夠保存超大容量的數據資料。但如何能讓數據信息得以超長時間保存，甚至為未來的智慧生命體留下人類的“聲音”，就顯得尤為困難了。為了保證存儲信息不丟失，且能夠盡可能長時間地保存，就需要尋找一種特有的存儲介質與存儲方式，來實現將信息保存數百萬年甚至更久的目標。

科學家在經過不斷嘗試和探索后，研發(fā)出了一種獨特的光學存儲介質。其是用金屬鎢所制成的晶片材料。鎢具有熔點高、硬度高的特點，常溫下不會受到空氣侵蝕，且能耐受極端溫度環(huán)境。數據信息在被存儲的過程中，首先會采用蝕刻技術在鎢晶片表面進行信息的“書寫”，并以QR二維碼的形式蝕刻至鎢晶片表面。隨后，蝕刻上數據信息的鎢晶片需要用氮化硅進行封裝。

為了測試數據信息保存的穩(wěn)定與可靠程度，科學家通過高溫條件下的人為老化實驗，來對已蝕刻數據信息的鎢晶片存儲介質進行了測試?？茖W研究表明，若存儲介質能夠在200攝氏度的條件下存放一小時，就意味著其在正常環(huán)境下至少能存放一百萬年?？茖W家利用高溫進行測試后，發(fā)現鎢晶片存儲介質并未有出現明顯老化現象，仍可輕易讀取蝕刻的QR二維碼信息。不過，當溫度持續(xù)上升，超過400攝氏度后，鎢雖然尚未受到影響，但其上所蝕刻的QR二維碼信息的讀取就變得尤為困難了。因此，在應用這一新型信息存儲技術的同時，還需要有更為穩(wěn)定和安全的地點來存放氮化硅封裝后的鎢晶片。

五維數據存儲的“5D盤片”

體積小、容量大、保存時間久、安全性能可靠，是數據信息存儲技術未來發(fā)展的主流趨勢。根據這一設想，一支英國的研究團隊設計出了一款五維數據存儲的“5D盤片”。當前信息存儲技術多采用的是2D存儲方式，而這一全新技術，采用了納米技術和玻璃材質，利用五維數據存儲方式來進行信息的存儲與保存。簡言之，即是在玻璃盤片中嵌入五維的納米結構，并利用玻璃中的微型納米結構進行信息的編碼。

相較現今主流的存儲介質，5D玻璃盤片的面積僅有一枚硬幣大小，但其卻可以在將近200攝氏度的高溫環(huán)境下穩(wěn)定保存138億年，這一數值也是當前宇宙的壽命！眾所周知，玻璃作為一類較為堅固的材料，不易受到化學物質的腐蝕，且能防水，唯有高溫環(huán)境下才能令玻璃發(fā)生融化或者變形。此外，玻璃自身所具有的極為穩(wěn)定的化學性質，也能保證利用五維納米結構存儲在其內部的數據信息不會丟失。

不同于CD、DVD等在存儲介質表面進行刻錄，并將數據信息予以保存的2D存儲方式，5D玻璃盤片則是將數據信息保存在其內部結構之中。具體而言，存有數據信息的CD、DVD光盤表面有著諸多凹凸不平的線條，其可以被激光所讀取。當激光發(fā)現有凸起時，即代表“1”這一數據，若未發(fā)現有凸起，則代表“0”這一數據。基于該二維數據表達方式，光盤可以用于存儲各類數據信息。不過，這些凸起點均位于光盤表面，這也使得其極為脆弱。無論是物理磕碰，還是暴露在惡劣環(huán)境下，都會對其存儲的數據信息造成破壞。與此同此，采用五維數據存儲的“5D盤片”使用了盤片內的納米物理結構，即“納米格柵”來存儲數據信息。其通過折射的激光，可讀取并表達激光折射的強度、納米格柵的方向及X、Y、Z軸分別表示的空間位置等五種不同的數據狀態(tài)。這也使得5D玻璃盤片不用擔心磨損、劃傷等原因而對存儲的數據造成破壞。同時，從2D存儲方式到5D存儲方式，使用該盤片在相同面積上的存儲容量更為驚人，其數據信息存儲的密度也更大，可輕松存儲下數百TB容量的數據信息。

數據信息存儲的新地點

科學家在對新型信息存儲技術不斷研發(fā)的同時，也在思索如何將存有數據信息的服務器放置于更為安全、可靠的地點。有科學研究團隊經過諸多測試，選擇將數據信息存儲的新地點安置于廢棄的地下礦井之中，并認為其是數據信息存儲基地的最佳地點。

龐大的數據信息存儲中心的有效維持，需要不間斷持續(xù)的低濕與低溫環(huán)境。若在地面上建立這樣一個數據信息存儲中心，勢必會帶來大量的能源損耗。但科學家將廢棄的地下礦井經過改造后，將其設置為數據信息存儲基地。利用地下礦井的自身特性，可實現持續(xù)的低濕與低溫環(huán)境的數據信息存儲要求。endprint