超级光盘来了！它到底能存多少东西？

最近，新闻媒体纷纷报道：存储容量是普通光盘上万倍、普通硬盘上百倍的“超级光盘”。然而，普通硬盘和光盘的存储容量，很多朋友并不知晓，自然也就不太清楚超级光盘的容量有多少。今天，咱们就来探究一下这个超级光盘的存储容量到底是多少。

01

信息的最小单位

新闻中提到，超级光盘的单盘等效容量达Pb量级，无数人看到这个Pb量级后，马上就认为它的存储容量就是大众熟知的1000TB量级，然而事实并不是。

为说明这个问题，咱们先简单回顾一下计算机储存和计算的最小单元——比特（英语：bit）。

电脑处理的数据是二进制，要么“0”，要么“1”。这里的“0”就是1比特，这里的“1”也是1比特。因此，信息的最小单位就是1比特。

二进制“1011”，其大小就是4比特，即4b。注意不是4B。

说完了比特，再来看一个更大的单位，字节（英语：Byte）。

1字节等于8比特。即：1B=8b

而1000个字节，就是大家熟知的1KB。

1000个KB，就是大家熟知的1MB，也就是1兆。一张普通照片的大小通常为几兆。

1000个兆，就是1GB。通常写成1G。当下手机的储存容量在100G上下。

1000个GB，就是1TB，通常写成1T。

1000个TB，就是1PB。

02

是Pb不是PB

很多人看到超级光盘的存储容量为Pb量级后，就以为存储容量高达1000TB以上。但通过上面的单位换算，事实并非如此。

因为1PB才是1000TB，而1000Pb……，它到底等于多少TB呢？

根据：1B=8b

所以：1PB=8Pb=1000TB

因此，1Pb容量，实际上就是1000TB的八分之一，也就是125T。

截图来自新华社视频新闻。

到这里，可能有网友会想，是不是搞错了？或者是视频新闻中，字幕标注错了，本来是PB量级的，打成Pb量级了？

论文截图

“超级光盘”相关论文由上海理工大学光子芯片研究院顾敏院士、中国科学院上海光学精密机械研究所阮昊研究员、上海理工大学光电信息与计算机工程学院文静教授等合作撰写，发表在今年2月的《自然》杂志上。

通过论文截图，可以看到，标题中为“petabit”，也就是Pb。而非petabyte，即PB。

论文通常是很严谨的，所以，确确实实就是Pb量级了。

有媒体报道“超级光盘”的存储容量为1.6Pb。那么，将其除以8，也就是0.2PB，即200TB，或者是200000GB存储容量。

虽然超级光盘并非大家所认为的160万GB，但一张光盘的存储容量高达20万GB，也已经是很大很大的了。

一部手机的存储容量如果是200GB的话，则一张超级光盘的存储容量相当于1000部手机的存储容量之和。

超级光盘，图片来自新华社。

问题来了，一张薄薄的，甚至是半透明的光盘，它的存储容量为何会这般大？光盘的存储原理到底又是什么？

03

光盘存储原理

计算机读取的数据是二进制，而二进制，要么是“0”，要么是“1”。为讲解光盘存储原理，我们不妨举一个例子，如下：

篮球场上，5个成年人并排站着，他们每个人手里面都拿着一个火把，我们规定，火把点燃的状态表示“1”，火把熄灭的状态表示“0”，那么……

图片来自作者合成。

上图就表示了这样的二进制数字，即：00001。

图片来自作者合成。

上图状态表示的二进制数字就是“00101”

你看，只要定义了火把点燃和熄灭所代表的二进制位，则我们就能使用火把的熄灭与否来传达“0”“1”信号了。

有趣的问题来了，这个固定大小的篮球场上，怎样才能传达出更多的“0”“1”信号？

答案简单粗暴，就是增加更多举着火把的人即可。

比如说让篮球场上最多站着300个成年人。于是，我们就能表示300个比特信息了。

还能表示更多吗？可以的。

将球场上的胖子全都换成瘦子，于是，最多又能站满380个人了。

还能表示更多吗？可以的。

把380个成年人全部换成3岁小孩……

综上，我们能用火把（光）的熄灭与否来表示大量的“1”和“0”。可问题又来了，光盘不会发光，怎么办呢？

没关系，光盘是不发光，但其必然会反射光。再有，我们可以使用相应工艺，让其做到部分反光，以及部分不反光，这并不难。

因此，我们只要向其照射激光，若激光产生反射信号，就让其表示“0”，不反射激光信号，就表示二进制“1”，于是，我们只要使用激光在光盘上刻上很多凹坑就好了，此时……

图片来自作者自制。

你可以定义光盘上的平地表示“0”，凹坑表示“1”，或者反过来定义也行。

总之，你只要想办法产生这样的效果就行了，即：

当光驱发射的激光照射到平地时会反射激光，此时获取到反射激光，而反射激光就是一个信号，让其表示“0”；照射到凹坑时，没有产生反射信号，此时，让其表示“1”。

这只是一种实现方式。还有其他的实现方式，例如：

上面我们说了，光盘上有平地和凹坑，但凹坑中，也可以有平地。此时，我们可以定义其他的不同，比如平地与凹坑的边缘处，可以用它来表示“1”。

图片来自作者自制。

当光驱发射的激光从平地扫到凹坑边缘时，反射激光会短暂的因为相位差，导致激光消失，或者大幅变暗，此时表示“熄灭”，同时代表“1”。而当激光越过边缘，照射到凹坑内部的平地时，没有产生相位差，此时接收到反射信号，表示“0”。

显微镜下，CD、DVD、蓝光光盘（Blu-ray）的不同。图片来自Wikipedia，作者：Ben Krasnow

你看，光盘存储二进制数据的过程，是否就像是篮球场上，站着一些举着火把的人一样？

CD光盘相当于篮球场上站满大胖子，坑位比较大。故CD存储容量最小。

DVD光盘相当于是篮球场上全站着瘦子，坑位增加一倍以上，容量比较大。

而蓝光光盘，相当于篮球场上全是站着小孩，坑位最多。

而超级光盘呢，其相当于是篮球场上，全是密密麻麻的萤火虫，黑夜里，有的萤火虫一直发光，有的一直不发光。这就是无数的比特信息了。

那么，超级光盘上的“萤火虫”，其尺寸到底有多小呢？根据新华网的报道，超级光盘突破了光学衍射极限的限制，点尺寸为54纳米、道间距为70纳米。

将“萤火虫”按照想要的顺序放到“篮球场”上的过程，相当于光盘的数据写入，物理过程就是激光雕刻。

使用接收光信号的仪器，也就是“光驱”检测“篮球场”上的“萤火虫”发光与否的过程，就相当于数据读取。

如果你能将“篮球场”上的“萤火虫”一口气全吹掉，且不伤害“篮球场”地面，那么之后你再次放入密密麻麻的“萤火虫”，这种过程就相当于光盘具备多次写入功能。

04

超级光盘的意义

水洗光盘，图片来自Wikipedia。

在存储上，光盘有一些自身的优势，比如不怕水，这个大家容易想到，光盘是可以水洗的。

另外一个优势就是数据安全，由于光盘信息只能通过激光束访问，所以它没有内部控制电路，继而也不包含恶意硬件。

还有就是，因为光盘的特性，恶意软件入侵的概率也极低。

最后一个优势就是寿命长，中国研究人员研发的这种超级光盘，经过老化加速测试后发现，光盘介质寿命大于40年。

超级光盘的高容量、长寿命等优势，对我国实现数字经济的可持续发展具有重大意义。

作者：寒木钓萌 科普作家、科技部“全国优秀科普作品奖”获得者

审核：兰名荥 北京邮电大学数字媒体与设计艺术学院副教授

出品：科普中国

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