CD давно умер. Но его трёхмерный потомок может вернуться в дата-центры
Исследователи разработали трёхмерную оптическую память, которая записывает в одну точку не один бит, а сразу десять. В экспериментах метод позволил различать 1024 уровня сигнала с надёжностью выше 99,99%, а расчётная ёмкость диска размером с DVD достигла около 400 Тбит, или 50 ТБ. Такая технология рассчитана не на возвращение компакт-дисков в домашние компьютеры, а прежде всего на долговременное хранение огромных массивов данных.
Главное отличие новой оптической памяти от CD, DVD и Blu-ray скрывается не столько в размере записываемых точек, сколько в количестве информации внутри каждой из них. Обычная цифровая запись различает два состояния, ноль и единицу. Новый материал даёт 1024 устойчиво различимых уровня яркости, поэтому одна точка кодирует 10 бит информации.
Данные при этом располагаются не только по поверхности. Лазер формирует точки на разных глубинах материала, превращая плоскую дорожку привычного оптического диска в многослойную трёхмерную структуру. Чем больше слоёв удаётся разместить друг над другом и чем больше состояний различает каждая точка, тем выше итоговая плотность записи.
Для хранения информации исследователи использовали карбонизированные полимерные точки, которые лазер создаёт непосредственно внутри носителя. При считывании такие участки начинают светиться. В основе процесса лежит антистоксова фотолюминесценция с участием фононов: материал поглощает инфракрасный свет и часть энергии тепловых колебаний своей кристаллической решётки, после чего испускает фотон с большей энергией. Такой механизм позволил получить яркий сигнал при очень низком уровне фонового шума.
Авторы также упростили саму оптическую систему. Для записи и чтения можно использовать по одному монохроматическому лазерному лучу вместо сложных схем с несколькими точно совмещёнными пучками. Исследователи показали высокоскоростную лазерную запись и параллельное считывание сразу большой области, что особенно важно для хранилища: огромная ёмкость мало полезна, если заполнение диска занимает неприемлемо много времени.
Цифра в 400 Тбит пока не означает, что исследователи полностью записали и считали готовый 50-терабайтный диск. Команда экспериментально продемонстрировала многослойную запись с 1024 уровнями, а полную ёмкость носителя размером с DVD рассчитала из достигнутой плотности. Такое различие важно для оценки технологии, которой ещё предстоит пройти путь от лабораторной установки до серийной системы хранения.
Потенциал метода на 400 Тбит не заканчивается. Если сократить расстояние между слоями с 5 до 1 мкм и увеличить число различимых уровней примерно до десяти тысяч, расчётная ёмкость может вырасти примерно до 20 Пбит, то есть около 2,5 ПБ на один диск. Авторы рассматривают такое развитие как дальнейшее направление работы, а не как уже достигнутый результат.
Трёхмерные оптические носители развиваются уже несколько десятилетий. В 2024 году другая группа исследователей показала петабитную запись с сотнями слоёв и точками меньше дифракционного предела. Для такой системы требовалась более сложная схема взаимодействия лазеров с фоточувствительным материалом. Новая работа делает акцент на многоуровневом кодировании, когда ёмкость растёт не только за счёт количества и размера точек, но и за счёт объёма информации в каждой из них.
Практическая ниша подобных дисков находится прежде всего в архивах и дата-центрах. Большая часть накопленных данных редко меняется, но должна храниться годами. Оптическому носителю после записи не требуется постоянное питание для сохранения информации, поэтому высокая плотность, долговечность и сравнительно простое чтение могут сделать трёхмерные диски альтернативой жёстким дискам и магнитной ленте для холодных архивов. Пока новая технология остаётся экспериментальной, однако привычная идея диска с лазерным чтением получила гораздо более вместительного трёхмерного потомка.