Project Silica 玻璃儲存技術的重大進展

重點概覽

• 微軟研究院（Microsoft Research）在《自然》（Nature）期刊發表了一項玻璃數據儲存的突破性技術，可將資訊保存長達 10,000 年。

• 新技術將應用範圍從昂貴的熔融石英擴展到廚房炊具中常見的普通硼矽酸鹽玻璃。

• 創新技術實現了更快的並行寫入、簡化的讀取器（僅需一個攝像頭而非三個）以及更簡易的製造流程。

• 相位體素（Phase voxel）方法僅需單次雷射脈衝，顯著降低了複雜性與成本。

長期保存數位資訊一直是檔案管理員和數據中心的挑戰，因為磁帶和硬碟會在數十年內退化。現有的檔案儲存解決方案媒體壽命有限，對於為後代子孫保存資訊而言並不理想。

現在，我們很高興能報告 Project Silica（在新分頁開啟） 的重大進展。這是我們致力於使用飛秒雷射在玻璃中編碼數據的計畫，該技術可將資訊保存 10,000 年。玻璃是一種永久性的數據儲存材料，具有防水、耐熱和防塵的特性。

在發表於《自然》Nature（在新分頁開啟） 的研究結果中，我們描述了一項突破，將該技術從昂貴的熔融石英擴展到普通的硼矽酸鹽玻璃。這是一種隨處可見且成本較低的介質，與廚房炊具和烤箱門中使用的材料相同。這項進展解決了商業化的關鍵障礙：儲存介質的成本與取得性。我們解開了並行高速寫入的科學原理，並開發了一種技術，可對寫入的玻璃進行加速老化測試，結果顯示數據應可保持完整至少 10,000 年。

使用 飛秒（在新分頁開啟） 雷射脈衝將數據儲存在玻璃內部，是目前少數具有持久、不可變且長壽命儲存潛力的前瞻技術之一。雖然我們多年來一直引領 此類儲存技術的創新，但在這項研究之前，該技術僅適用於純熔融石英玻璃，這種玻璃製造相對困難，且供應來源有限。

在論文中，我們展示了數據如何儲存在硼矽酸鹽玻璃中。新技術與以往方法一樣，能在僅 2 毫米薄的玻璃中儲存數百層數據，但有重大改進。現在玻璃讀取器僅需一個攝像頭，而非三個或四個，從而降低了成本和體積。此外，寫入設備所需的零件更少，使其更易於製造和校準，並能更快地編碼數據。

Azure AI Foundry Labs

透過微軟研究院的這些實驗性技術，一窺 AI 未來的潛在發展方向。

Azure AI Foundry

關鍵科學發現

《自然》論文詳細介紹了幾項關鍵的新科學發現：

雙折射體素（在新分頁開啟） 寫入的進展：針對先前在熔融石英玻璃中使用雙折射（即偏振）體素的數據儲存方式，我們開發了一種技術，將形成體素所需的脈衝數量從多個減少到僅兩個，並關鍵性地證明了第一個脈衝的偏振對於所形成體素的偏振並不重要。我們進一步將其發展為「偽單脈衝寫入」，即單個脈衝在設定偏振後可以被拆分，同時作為一個體素的第一個脈衝（偏振無關緊要）和另一個體素的第二個脈衝（設定偏振至關重要）。我們展示了如何利用這種偽單脈衝寫入，透過光束在介質上的掃描實現快速寫入。

相位體素，一種新的儲存方法：我們發明了一種名為「相位體素」的新型玻璃數據儲存方式，它修改的是玻璃的相位變化而非偏振，並證明僅需單個脈衝即可產生相位體素。我們證實了這些相位體素也可以在硼矽酸鹽玻璃中形成，並設計了一種技術來讀取編碼在該材料中的相位體素資訊。我們還展示了相位體素中更高水平的三維符號間干擾（ISI），可以透過機器學習分類模型來緩解。

並行寫入能力：透過結合玻璃內預熱和後熱的數學模型與多光束傳輸系統的發明，我們展示了可以在玻璃中同時寫入多個相鄰的數據體素，顯著提高了寫入速度。我們解釋了一種利用發光（體素形成的副作用）進行靜態校準和動態控制的方法，以全面支持自動化寫入操作。

優化與壽命測試：我們開發了一種使用機器學習優化符號編碼的新方法，以及在評估新數位儲存系統時，能更好理解錯誤率、錯誤保護和錯誤恢復之間權衡的方法。我們還創造了一種新的 非破壞性光學方法（在新分頁開啟） 來識別玻璃內數據儲存體素的老化情況，並利用此方法結合標準加速老化技術，支持數據保存 10,000 年。我們還擴展了業界標準的格雷碼（Gray codes），使其適用於非 2 的冪次方的符號數量。

• 一塊已寫入數據的 Project Silica 儲存介質。
• 用於創下玻璃高速數據寫入紀錄的研究級寫入器（Writer）。
• 用於從玻璃中檢索數據的研究級讀取器（Reader）。
• 寫入器的近距離特寫，展示雷射脈衝上的高速多光束數據編碼。

技術展示

作為一項研究倡議，Project Silica 已透過多項概念驗證展示了這些進展，包括 將華納兄弟的《超人》電影儲存在石英玻璃上（在新分頁開啟）、與 Global Music Vault（在新分頁開啟） 合作 在冰層下保存音樂 10,000 年（在新分頁開啟），以及與學生合作開展 「黃金唱片 2.0」計畫（在新分頁開啟）——這是一個數位策展的影像、聲音、音樂和語言檔案庫，透過群眾外包來代表並保存人類數千年的多樣性。

展望未來

研究階段現已完成，我們將繼續參考 Project Silica 的經驗，探索對永續、長期數位資訊保存的持續需求。我們已將這篇論文加入我們的 已發表著作 中，以便他人在此基礎上繼續發展。

相關工作

Project Silica 在玻璃雷射直接寫入（LDW）之外的多個領域也取得了科學進展，包括檔案儲存系統設計、檔案工作負載分析、數據中心機器人技術、糾刪碼（erasure coding）、空間光學元件，以及儲存系統中基於機器學習的符號解碼方法。其中許多創新已在我們 2025 年的 ACM Transactions on Storage 出版物（在新分頁開啟） 中進行了描述。

這篇文章 Project Silica’s advances in glass storage technology 最初發佈於 Microsoft Research。