当我们谈论数据存储的未来时，往往关注的是容量提升和速度优化，但有一类需求被长期忽视 —— 如何让数据安全保存数千年？微软研究院的 Project Silica 项目正试图回答这个问题。该技术使用飞秒激光在石英玻璃内部刻写数据，实现了无需电力即可保存数万年的归档存储方案。本文将从工程实现角度，解析这一技术的核心环节：写入工艺、数据结构设计、读取机制以及自动化存储系统的构建。
飞秒激光写入：如何在玻璃内部雕刻数据
Project Silica 的核心写入技术依赖于超快激光与玻璃介质的非线性相互作用。与传统的磁盘写入或闪存不同，这种方式并非在介质表面记录数据，而是将信息直接 “雕刻” 在玻璃体积内部。写入所使用的激光脉宽约为 100 飞秒量级，单脉冲峰值功率可达到太瓦级别。当这种超短脉冲激光被精确聚焦到玻璃内部某一点时，焦点处的物质会吸收大量光子能量，产生局域等离子体效应，导致该区域的折射率发生永久性微改性。这种改性极为微小 —— 仅改变玻璃的局部光学特性，而不会在材料内部产生可见的物理损伤。
写入所采用的玻璃介质主要为高纯度石英玻璃或硼硅酸盐玻璃，这两种材料都具有化学惰性强、抗辐射、耐高温的特性。选择石英玻璃的核心原因在于其出色的光学透明度和长期稳定性：玻璃不会像磁带或硬盘那样因磁介质老化而发生数据衰减，也不会因氧化而失效。实验数据表明，石英玻璃在高达约 290 摄氏度的环境下模拟超过 10000 年后，内部存储的数据仍可被完整读取。这种稳定性为千年归档存储提供了物理基础。
在写入控制层面，研究团队使用高速振镜和精密运动平台来实现激光焦点在玻璃内部的三维扫描。每个数据体素由单个激光脉冲或少数脉冲写入，为提高写入效率，团队已实现四束并行光束写入技术。目前写入速度在数十兆比特每秒量级，虽然远低于固态硬盘，但考虑到这是面向归档场景的写入一次、多次读取（WORM）介质，这一速度已经能够满足大规模数据归档的系统级吞吐量需求。
多层数据结构：六维编码的高密度存储
Project Silica 的数据结构设计是其高密度存储的技术核心。与传统二进制存储不同，玻璃内部的数据编码充分利用了空间和光学两个维度的自由度，形成了一种多维编码体系。
从空间维度来看，数据被分布在玻璃厚度方向的数百个独立层面上。在一个典型的 120 毫米 ×120 毫米 ×2 毫米玻璃片中，研究团队实现了 301 层的数据存储。每层之间保持足够间距以避免热串扰和应力叠加，确保各层数据互不干扰。这种三维体素阵列的组织方式，使得单位体积内的数据承载能力远超传统二维存储介质。
在光学维度上，每个体素携带的不仅是 “有或无” 的二元信息，更是多比特的状态编码。具体而言，单个体素的光学特性包括：折射率变化幅度（对应信号强度或调制度等级）、双折射方向（光轴方位角）、以及可能的偏振态等额外自由度。研究论文中实现了约 6 维编码方案 ——3 个空间维度加上多个光学自由度 —— 这意味着单个体素可以承载多位信息，极大提升了有效存储密度。据 Nature 报道，在上述尺寸的玻璃片中实现了约 4.8TB 的总容量，体密度达到 1.59 Gbit/mm³；而 DVD 尺寸、2mm 厚的玻璃片可达到 7TB 级别的存储密度，超过了当前磁带的原始容量。
在逻辑数据组织层面，用户数据经历以下处理流程：首先进行压缩和分块，然后使用前向纠错码（FEC）增加冗余以应对老化、噪声和读出误差，最后将编码后的比特序列映射为体素属性向量 —— 包括位置坐标（层号、x/y 索引）和光学状态（相位级别、偏振角度）。这种映射机制确保了数据在物理层面的可靠存储和逻辑层面的可恢复性。
偏振光学读取：机器视觉解码玻璃数据
写入是单向的，但读取需要解决如何在不破坏玻璃的前提下准确识别数千层中每一个微小区块的问题。Project Silica 采用偏振敏感显微镜作为核心读取设备，该设备从不同偏振角度采集玻璃内部体素的图像，通过识别每个体素的存在、位置和光学参数来还原数据。
读取过程按照写入时的空间组织轨迹进行 —— 通常采用逐层扫描或逐行扫描方式。由于每个体素的尺寸极小且深度跨越数百层，简单的光学成像无法一次完成全部数据的读取，因此需要精确的焦深控制和多角度图像采集。偏振显微镜能够检测体素的双折射特性，这正是写入时通过控制激光偏振方向或扫描方向所预设的信息载体。
获取原始图像后，系统使用机器学习模型（通常为卷积神经网络）或传统图像处理算法来识别每个体素的存在和光学参数。这些参数被量化为对应的符号序列，再通过 FEC 解码器校正识别误差和材料老化导致的偏移，最终恢复原始比特流。解码过程采用 LDPC、RS 等纠错码，确保在低信噪比条件下仍能实现 “位完美” 的数据恢复。
值得注意的是，读取过程使用的是低功率可见光或近红外光学系统，这种功率水平远不足以修改玻璃内部已写入的体素结构。这意味着读取操作本身是物理上不可逆的 —— 只能读取，无法重写，从而在技术上保证了 WORM 属性的天然实现。
机器人自动化库：归档存储的系统工程
将实验室技术转化为可部署的存储系统，需要解决介质管理、自动化取放和长期维护等一系列工程问题。Project Silica 构建了一套完整的机器人自动化媒体库系统，实现了无人值守的归档数据管理。
在媒体库设计中，玻璃片被放置在标准化的托架或片盒中，由机械臂根据读取请求从存储架上取下，送入读取装置。完成读取后，机械臂将玻璃片放回原位或转移至空闲槽位。这种自动化操作使得海量玻璃存储介质可以被有效管理，同时避免了人工干预带来的误差和效率瓶颈。
该系统的另一关键设计是物理隔离：写入装置和读取装置在空间上严格分离，机械臂的物理路径只能将玻璃片送入读取器而无法进入写入器。这一设计从机械层面杜绝了已写入数据被意外覆盖的可能性，实现了真正的气隙隔离。对于需要长期安全归档的数据而言，这种物理级的安全保障比纯逻辑级的写保护更为可靠。
在能耗方面，玻璃介质本身无需电力维持数据，仅在读取时需要光学系统和机械运动供电。相较于需要持续通电以维持磁化状态的硬盘或需要定期通电刷新以防止数据衰减的闪存，玻璃存储的长期持有成本极低。这对于超大规模冷数据归档场景具有重要的经济意义。
技术路径与产业启示
Project Silica 的技术路径展示了从材料科学到系统工程的完整创新链条：选择石英玻璃作为存储介质利用其化学稳定性，飞秒激光写入利用其精确的能量沉积特性，多层六维编码最大化存储密度，偏振光学读取实现非破坏性数据恢复，机器人自动化库则解决了实际部署的运维问题。这一协同设计思路 —— 从底层材料到上层应用垂直整合 —— 对于下一代存储技术研发具有借鉴意义。
尽管目前该技术仍处于研究阶段，尚未进入大规模商业部署，但其展现的技术潜力已经为归档存储提供了一个全新的技术方向。对于拥有海量需要保存数十年甚至数百年的冷数据的企业和机构而言，玻璃存储有望成为磁带之外更具长期可持续性的选择。
资料来源
- Microsoft Research Project Silica 官方页面：https://www.microsoft.com/en-us/research/project/project-silica/
- Nature 文章 "Laser writing in glass for dense, fast and efficient archival data storage" (2025)