最近，新聞媒體紛紛報道：存儲容量是普通光盤上萬倍、普通硬盤上百倍的“超級光盤”。然而，普通硬盤和光盤的存儲容量，很多朋友并不知曉，自然也就不太清楚超級光盤的容量有多少。今天，咱們就來探究一下這個超級光盤的存儲容量到底是多少。
01
信息的最小單位
新聞中提到，超級光盤的單盤等效容量達Pb量級，無數人看到這個Pb量級后，馬上就認為它的存儲容量就是大眾熟知的1000TB量級，然而事實并不是。
為說明這個問題，咱們先簡單回顧一下計算機儲存和計算的最小單元——比特（英語：bit）。
電腦處理的數據是二進制，要么“0”，要么“1”。這里的“0”就是1比特，這里的“1”也是1比特。因此，信息的最小單位就是1比特。
二進制“1011”，其大小就是4比特，即4b。注意不是4B。
說完了比特，再來看一個更大的單位，字節（英語：Byte）。
1字節等于8比特。即：1B=8b
而1000個字節，就是大家熟知的1KB。
1000個KB，就是大家熟知的1MB，也就是1兆。一張普通照片的大小通常為幾兆。
1000個兆，就是1GB。通常寫成1G。當下手機的儲存容量在100G上下。
1000個GB，就是1TB，通常寫成1T。
1000個TB，就是1PB。
02
是Pb不是PB
很多人看到超級光盤的存儲容量為Pb量級后，就以為存儲容量高達1000TB以上。但通過上面的單位換算，事實并非如此。
因為1PB才是1000TB，而1000Pb……，它到底等于多少TB呢？
根據：1B=8b
所以：1PB=8Pb=1000TB
因此，1Pb容量，實際上就是1000TB的八分之一，也就是125T。
截圖來自新華社視頻新聞。
到這里，可能有網友會想，是不是搞錯了？或者是視頻新聞中，字幕標注錯了，本來是PB量級的，打成Pb量級了？
論文截圖
“超級光盤”相關論文由上海理工大學光子芯片研究院顧敏院士、中國科學院上海光學精密機械研究所阮昊研究員、上海理工大學光電信息與計算機工程學院文靜教授等合作撰寫，發表在今年2月的《自然》雜志上。
通過論文截圖，可以看到，標題中為“petabit”，也就是Pb。而非petabyte，即PB。
論文通常是很嚴謹的，所以，確確實實就是Pb量級了。
有媒體報道“超級光盤”的存儲容量為1.6Pb。那么，將其除以8，也就是0.2PB，即200TB，或者是200000GB存儲容量。
雖然超級光盤并非大家所認為的160萬GB，但一張光盤的存儲容量高達20萬GB，也已經是很大很大的了。
一部手機的存儲容量如果是200GB的話，則一張超級光盤的存儲容量相當于1000部手機的存儲容量之和。
超級光盤，圖片來自新華社。
問題來了，一張薄薄的，甚至是半透明的光盤，它的存儲容量為何會這般大？光盤的存儲原理到底又是什么？
03
光盤存儲原理
計算機讀取的數據是二進制，而二進制，要么是“0”，要么是“1”。為講解光盤存儲原理，我們不妨舉一個例子，如下：
籃球場上，5個成年人并排站著，他們每個人手里面都拿著一個火把，我們規定，火把點燃的狀態表示“1”，火把熄滅的狀態表示“0”，那么……
圖片來自作者合成。
上圖就表示了這樣的二進制數字，即：00001。
圖片來自作者合成。
上圖狀態表示的二進制數字就是“00101”
你看，只要定義了火把點燃和熄滅所代表的二進制位，則我們就能使用火把的熄滅與否來傳達“0”“1”信號了。
有趣的問題來了，這個固定大小的籃球場上，怎樣才能傳達出更多的“0”“1”信號？
答案簡單粗暴，就是增加更多舉著火把的人即可。
比如說讓籃球場上最多站著300個成年人。于是，我們就能表示300個比特信息了。
還能表示更多嗎？可以的。
將球場上的胖子全都換成瘦子，于是，最多又能站滿380個人了。
還能表示更多嗎？可以的。
把380個成年人全部換成3歲小孩……
綜上，我們能用火把（光）的熄滅與否來表示大量的“1”和“0”。可問題又來了，光盤不會發光，怎么辦呢？
沒關系，光盤是不發光，但其必然會反射光。再有，我們可以使用相應工藝，讓其做到部分反光，以及部分不反光，這并不難。
因此，我們只要向其照射激光，若激光產生反射信號，就讓其表示“0”，不反射激光信號，就表示二進制“1”，于是，我們只要使用激光在光盤上刻上很多凹坑就好了，此時……
圖片來自作者自制。
你可以定義光盤上的平地表示“0”，凹坑表示“1”，或者反過來定義也行。
總之，你只要想辦法產生這樣的效果就行了，即：
當光驅發射的激光照射到平地時會反射激光，此時獲取到反射激光，而反射激光就是一個信號，讓其表示“0”；照射到凹坑時，沒有產生反射信號，此時，讓其表示“1”。
這只是一種實現方式。還有其他的實現方式，例如：
上面我們說了，光盤上有平地和凹坑，但凹坑中，也可以有平地。此時，我們可以定義其他的不同，比如平地與凹坑的邊緣處，可以用它來表示“1”。
圖片來自作者自制。
當光驅發射的激光從平地掃到凹坑邊緣時，反射激光會短暫的因為相位差，導致激光消失，或者大幅變暗，此時表示“熄滅”，同時代表“1”。而當激光越過邊緣，照射到凹坑內部的平地時，沒有產生相位差，此時接收到反射信號，表示“0”。
顯微鏡下，CD、DVD、藍光光盤（Blu-ray）的不同。圖片來自Wikipedia，作者：Ben Krasnow
你看，光盤存儲二進制數據的過程，是否就像是籃球場上，站著一些舉著火把的人一樣？
CD光盤相當于籃球場上站滿大胖子，坑位比較大。故CD存儲容量最小。
DVD光盤相當于是籃球場上全站著瘦子，坑位增加一倍以上，容量比較大。
而藍光光盤，相當于籃球場上全是站著小孩，坑位最多。
而超級光盤呢，其相當于是籃球場上，全是密密麻麻的螢火蟲，黑夜里，有的螢火蟲一直發光，有的一直不發光。這就是無數的比特信息了。
那么，超級光盤上的“螢火蟲”，其尺寸到底有多小呢？根據新華網的報道，超級光盤突破了光學衍射極限的限制，點尺寸為54納米、道間距為70納米。
將“螢火蟲”按照想要的順序放到“籃球場”上的過程，相當于光盤的數據寫入，物理過程就是激光雕刻。
使用接收光信號的儀器，也就是“光驅”檢測“籃球場”上的“螢火蟲”發光與否的過程，就相當于數據讀取。
如果你能將“籃球場”上的“螢火蟲”一口氣全吹掉，且不傷害“籃球場”地面，那么之后你再次放入密密麻麻的“螢火蟲”，這種過程就相當于光盤具備多次寫入功能。
04
超級光盤的意義
水洗光盤，圖片來自Wikipedia。
在存儲上，光盤有一些自身的優勢，比如不怕水，這個大家容易想到，光盤是可以水洗的。
另外一個優勢就是數據安全，由于光盤信息只能通過激光束訪問，所以它沒有內部控制電路，繼而也不包含惡意硬件。
還有就是，因為光盤的特性，惡意軟件入侵的概率也極低。
最后一個優勢就是壽命長，中國研究人員研發的這種超級光盤，經過老化加速測試后發現，光盤介質壽命大于40年。
超級光盤的高容量、長壽命等優勢，對我國實現數字經濟的可持續發展具有重大意義。
作者：寒木釣萌 科普作家、科技部“全國優秀科普作品獎”獲得者
審核：蘭名滎 北京郵電大學數字媒體與設計藝術學院副教授
出品：科普中國
監制：中國科學技術出版社有限公司、中科數創（北京）數字傳媒有限公司
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