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全息存储技术要来了 光盘的“肚量”又大了(组图)

发布时间:2019-05-21 16:02 来源:未知 编辑:admin

  一封1.1M的电子邮件,从发送到接收,需要占用51.5M的存储空间。美国2010年即将投入运转的LSST望远镜,一个晚上就会产生多达30000GB的数据——数字时代对数据存储的需求超乎人们想象。

  “要知道,一家公司的IT支出中有75%用于数据存储,”日立环球的工程师余军说,“这其中包括设备成本和开启、冷却设备的电费。”2010年,全球数据中心能耗导致的花费将达115亿美元。

  如果按照电源的实际使用率在50%左右计算,仅100台服务器每天24小时、每年365天运行的耗电量将达到54万度。

  然而,这些昂贵、耗能的服务器中的绝大部分数据大多时候都是静静地躺在那里,难得被叫出来工作一次。既然如此,何不将这些不常被访问的数据存储在体积小、节能的介质上呢?

  是时候拔掉大型数据中心那些耗电的硬盘了。它们费钱、笨重,又不环保!然后呢?刻盘呗!500G一张的全息光盘。

  2009年4月,一张500G的全息光盘在GE公司的实验室诞生。此前,市面上光盘存储的容量上限不超过30G。

  GE的500GB全息光盘还停留在实验室阶段。他们希望该技术在2011年或2012年左右走向市场,服务于电影公司、电视台、医疗机构这样的单位,能够用于存储超高清电影原始拷贝、大脑扫描图像等大容量数据。

  全息光盘并不是一个新的概念。早在1963年,宝丽来的科学家彼得范希尔顿就提出了光盘全息存储这一构想。整个构想说起来并不难理解——传统的光存储技术使用激光读写光盘上的“坑”,每个“坑”表示一个0或1的数字信号。而全息存储则可以在一个位置上保存一个全息图案,通过激光相位的不同读出多个数据单元,从而成倍提高存储密度。

  虽然说来如此简单,但真正要将其付诸实际,却并非易举。首先面临的问题是如何才能找到合适的存储介质。研究显示,一张光碟厚1毫米,而存储数据的感光层不过几十纳米。科学家曾希望通过增加反射层数来增大光盘容量,但未果。理由很简单,光盘层数越靠里激光的反射强度就越低,就会导致信号错误超出可读范围。“即便是在实验室,最佳效果也仅停留在16层。”GE实验室研究员托德阿尔哈特说。

  2008年,另一家研究全息存储技术的公司,InPhaseTechnologies公司找到了一种双聚合混合物。他们将这种混合物涂覆在磁盘上,模拟磁光存储介质的大小和形状,推出了首款全息存储系统,但其售价高达1.8万美元,而单张300GB的全息光盘售价180美元。

  不同于InPhaseTechnologies公司,GE实验室找到了一种整体反光且适合写入的介质。“很多整体反光材料会过于敏感,数据写入不稳定。而我们发现的材料拥有一定的阈值,只有光超过一定强度后,信号才会被读写。GE将全息存储技术应用到这款材料上,可识别约1微米直径信号仅仅1%的反射率,可以轻易读取到内里20层,也完全可以在一张普通的光盘上存储超过500GB容量数据。

  陈杰是工商银行IT中心的系统工程师,他非常看好全息光盘的前景。“银行多用的是IBM或者Oracle的数据库,很费电也很占地方。如果是全息光盘,则可以把大量的数据存储在很小的空间里,而且检索的速度要快许多。”Gartner存储分析师张瑾则认为,未来存储技术革新的核心目标是降低成本。在这方面全息光盘是一个突破。与目前的存储技术相比,全息存储在降低成本、增大容量、提高速度和更优的可靠性方面都极具发展潜力。

  “全息存储技术有望成为下一代存储技术有力的竞争者,”InPhaseTechnologies公司首席技术官兼创办人凯文库蒂斯说,“美国很多医院的系统工程师都是全息存储技术的拥护者。全息存储技术能够搞定日益增大的数据量,尤其是医疗图像和X光片。根据美国相关法案的规定,这些图像和X光片都是必须留存的内容。”田纳西州一家医疗中心的系统分析师曾说过,为了存储达到48TB的数据,他使用了EMC的Centera、CopanSystems的Revolution200T和一种大型DVD光盘机。如果是全息光盘,一切会简单得多。“这种技术也非常适合存储医疗记录、金融机构的数据、广播媒体中使用的高清晰度视频等内容。”凯文库蒂斯补充道。

  另外,灵活的技术可以带来多种存储产品的诞生。从个人用的手持设备到企业用的存储产品,在单个的碟片上能够存储50个小时的高清晰视频,在一张邮票上能够存储50000首歌。“到医院检查,整个病历资料都存储在一枚小光盘上,光盘可以作为装饰佩戴在手腕上。它没有想象中那么遥不可及。”托德阿尔哈特说。

  有了合适的材料,并不意味着全息存储很快就能实现。全息技术上的突飞猛进固然大大加快了光盘存储量,但即使是最先在全息存储中有所作为的,从贝尔实验室分拆出去的InPhaseTechnologies,尽管已经在这一技术上钻研了15年,依旧在全息光碟写入机制上有所存疑。

  全息光碟的写入需要两束激光在晶体上相交来改变材料的光学特性,这大大降低了写入速度。GE项目组的思路是先将光碟预格式化,也就是将光盘内的数据全部改成1,写入的时候再将是0的地方还原,工作量由此降低,速度提高,但这项技术还在研发中。

  价格和通用性也是不可忽略的因素。2008年,InPhaseTechnologies公司宣布了首款全息存储系统,但售价高达1.8万美元,配套光盘是180美元每张。并且,他们的全息光盘比普通光盘略厚略大,需要用专门的驱动器读取。另外,由于全息存储系统需要复杂的机械结构,建立一个制造平台也要1亿美元左右,还必须开发新的供应商和新的测试设备。相比之下,较晚发布的GE的全息存储技术在通用性上就要好很多。他们对存储用的全息图案进行了简化,缩小体积,称之为“微全息”存储。GE的全息光盘大小、厚度和普通光盘无异,并且读写机制仍旧用蓝光实现,也就是说,新的驱动器完全可以兼容蓝光光碟和普通光碟。但GE的光盘尚在实验室阶段,要等到2011年才可能推向市场。

  与传统硬盘不一样,全息光盘不需要任何移动部件,数据读写操作为非接触式,使用寿命、数据可靠性、安全性都达到理想的状况。相对于普通存储介质来说,全息存储几乎可以永久保存数据,在切断电能供应的条件下,数据可在感光介质中保存数百年之久。尽管如此,银行以及其他企业级用户习惯选择成熟的技术,不会轻易更改存储设备。“虽然InPhaseTechnologies声称他们可以将数据至少保存50年,但谁知道呢,而且它目前的容量也很一般。”陈杰说。

  存储容量每18个月增长一倍,但是数据的增长却是更惊人的:用于传统工作负载的数据库中的结构化数据的增长率是32%;诸如用户文件、医学图像、Web和富媒体内容的非结构化数据的增长率是63%;出于备份、归档和业务分析等目的而被复制的数据的增长率是49%,到2010年全世界创建的数字信息总量将达到988EB(1EB=10亿GB),约是2006年的6倍。

  秘密在于使用两束激光。与一般的光盘读取方式不同,全息存储在写入数据时,会利用分光设备将一束光分成两束——数据光和索引光。数据光会被导入由很多微型透镜组成的空间光调制器(SLM)。它能将电子信号以像素为单元进行编译,编译后的数据就带在数据光上,准备刻入光盘。另一束索引光最后会和数据光汇聚在光盘上的一点,交汇记录下一个三维结构的全息图像。

  读取的时候不需要两束光,只需要索引光。用索引光照射全息图像,就可以重新得到数据光。光驱内置的CCD感光设备和解码设备能够将数据光中携带的数据再次解码,导入电脑后我们就可以利用这些数据了。

  理论上,只要改变光盘的角度,或者改变索引光的入射角度,就可以在光盘任一点上叠放若干幅图像,在一立方厘米左右的立方体上就能够存储1000G的数据。

  全息存储(HolographicMemory)是利用全息照相的原理来实现数据的记录。这一概念是DennisGabor在1984年为提高电子显微镜的分辨率而提出的(注:全息表示物体发出光波的全部信息,例如振幅、强度、相位等)。全息存储技术的最大优点就是超高密度,例如,我们可以在一个糖块大小的特殊立方体中存储超过1TB(1TB=1024GB)大小的数据,这相当于1500张CD光盘的数据总和。不仅如此,全息存储技术还具有极大的提升潜力,只要控制芯片具有足够强的数据处理能力,全息存储技术甚至可以提供高达1000TB的容量。相比之下,目前硬盘的最大容量才750GB,这个容量只相当于全息存储技术的“立方体糖块”的一个小碎片所提供的存储能力。

  传统照相技术是利用光照引起感光乳胶发生化学变化的原理来记录影像,感光乳胶的化学变化强度和入射光波的强度一一对应。换句话说,我们在拍照时只是记录了图像的光强信息,我们所得到的照片不管成像多么清晰、多么逼真,景像都是平面(二维)的。而全息照相就突破了这种限制,它利用光的干涉原理和特殊的感光材料,不仅可以记录被摄物体发射或透射光波强度的信息,还能将光波的相位精确地保存下来,从而获得真实的立体图像。

  用于全息照相的拍摄设备并不是普通相机,而是一台激光器。该激光器产生的激光束被分光镜一分为二,其中一束直接照射到被拍摄的物体(形成的反射光称为“物光”),另一束直接照射到感光胶片上(称为“参考光”),物光和参考光最终会在感光胶片中相遇,这两种光的波长相同,只是相位有差异,因此它们在感光胶片上相遇时会产生干涉现象。

  根据物理学知识可知,当两束相干光叠加时,就会产生相干图纹,这时我们将记录介质放在相干图纹中,就可以记录下相干信息(注意:此时记录的是两束光的共同信息)。虽然参考光没含有任何信息,但它的作用非常关键,因为有了这束参考光,我们就可以在介质上记录下完整的光束信息,包括相位信息。

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