在今天的計算機(jī)系統(tǒng)中，磁存儲和光存儲是我們記載數(shù)據(jù)的兩大要緊手段，近兩年這兩大土地都有較大的發(fā)展，如鉛直記載技術(shù)成為硬盤發(fā)展的新方向，藍(lán)光DVD和HD DVD讓HDTV離我們越來越近。只是，容量更高、速度更快、可靠性更強(qiáng)是我們短暫的目標(biāo)，現(xiàn)有磁存儲和光存儲技術(shù)始終無法克服機(jī)械結(jié)構(gòu)所帶來的容量/性能提升緩慢、可靠性不佳的缺陷。最近，一種名為全息存儲的新技術(shù)引起了人們的廣泛注目，據(jù)說采用這種技術(shù)后，一塊方糖大小的立方體可以存儲高達(dá)1TB的數(shù)據(jù)。全息存儲技術(shù)確實有那么神奇嗎？
什麼是全息存儲技術(shù)
全息存儲（Holographic Memory）是使用全息照相的原理來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的記載。這一概念是Dennis Gabor在1984年為提高電子顯微鏡的辨別率而提出的（注：全息表達(dá)物體發(fā)出光波的全部信息，例如振幅、強(qiáng)度、相位等）。全息存儲技術(shù)的最大優(yōu)點就是超高密度，例如，我們可以在一個糖塊大小的特殊立方體中存儲超過1TB（1TB=1024GB）大小的數(shù)據(jù)，這相當(dāng)于1500張CD光盤的數(shù)據(jù)總和。不僅如此，全息存儲技術(shù)還具有極大的提升潛力，只要控制芯片具有足夠強(qiáng)的數(shù)據(jù)處置能力，全息存儲技術(shù)甚至可以提供高達(dá)1000TB的容量。相比之下，目前硬盤的最大容量才750GB，那個容量只相當(dāng)于全息存儲技術(shù)的“立方體糖塊”的一個小碎片所提供的存儲能力。
全息照相技術(shù)原理
我們在線知道，傳統(tǒng)照相技術(shù)是使用光照引起感光乳膠發(fā)生化學(xué)變化的原理來記錄影像，感光乳膠的化學(xué)變化強(qiáng)度和入射光波的強(qiáng)度一一對應(yīng)。換句話說，我們在線在拍照時只是記錄了圖像的光強(qiáng)信息，我們在線所獲得的照片不管成像多麼清晰、多麼逼真，景象基本上平面（二維）的。而全息照相就突破了這種限制，它使用光的幹涉原理和特殊的感光材料，不僅可以記錄被攝物體發(fā)射或透射光波強(qiáng)度的信息，還能將光波的相位精確地保存下來，從而獲得真實的立體圖像。
用于全息照相的拍攝設(shè)備並不是一般相機(jī)，而是一臺激光器。該激光器産生的激光束被分光鏡一分爲(wèi)二，其中一束直接照射到被拍攝的物體（形成的反照光稱爲(wèi)“物光”），另一束直接照射到感光膠片上（稱爲(wèi)“參考光”），物光和參考光最終會在感光膠片中相遇，這兩種光的波長雷同，只是相位有差異，因此它們在感光膠片上相遇時會産生幹涉現(xiàn)象。
根據(jù)物理學(xué)知識可知，當(dāng)兩束相幹光疊加時，就會産生相幹圖紋，這時我們在線將記錄介質(zhì)放在相幹圖紋中，就可以記錄下相幹信息（注重：此時記錄的是兩束光的協(xié)同信息）。雖然參考光沒含有任何信息，但它的作用非常關(guān)鍵，因爲(wèi)有了這束參考光，我們在線就可以在介質(zhì)上記錄下完整的光束信息，包括相位信息。
接下來我們在線再來看看怎樣將剛才記錄的信息還原。相對于記錄來說，還原要簡單一些，我們在線只須借助一束參考光從一定角度照射全息照片，眼前就會出現(xiàn)非常逼確實立體場景。同時參考光所照射的角度不同，呈現(xiàn)在我們在線面前的立體圖形側(cè)面場景也將不同。注重，此處的參考光是與記錄時完全雷同的一束光。
全息存儲系統(tǒng)如何運作
與全息照相技術(shù)一樣，全息存儲技術(shù)也需要激光束的幫助。全息存儲在寫入數(shù)據(jù)的時候，通過分光鏡將一束激光分成兩束，如此就可以保證兩束光是相干光。當(dāng)物光通過一個名為SLM（Spatial Light Modulator，立體光調(diào)制器）的裝置時，SLM會將二進(jìn)制數(shù)據(jù)以二維的方法調(diào)制在物光上，接著物光就會帶上我們所要儲存的信息，在記載介質(zhì)處與參考光相干形成相干圖紋，當(dāng)這些圖紋被存儲材料捕捉并以全息圖像的方法固定后，就完成了數(shù)據(jù)的記載工作。
而在讀取數(shù)據(jù)時，一束與寫數(shù)據(jù)時波長雷同的參考光照射到存儲材料中保存的全息圖像，由于衍射作用，全息圖像產(chǎn)生散射激光，這束包含調(diào)制信息的激光再經(jīng)由一組透鏡后聚焦到CCD傳感器，由于 CCD的辨別率與SLM的辨別率雷同，如此前者就能將調(diào)制光信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，通過膨脹處置后再交由專門的信號處置器進(jìn)行解調(diào)，如此數(shù)據(jù)就被完整地還原了。
在全息存儲存儲系統(tǒng)中，讀寫操作的基本單位是“數(shù)據(jù)頁（Page）”。數(shù)據(jù)頁和常規(guī)的線性結(jié)構(gòu)不比樣，它是以二維平面的形式存在（如640×640bit、1024×1024bit等），數(shù)據(jù)頁的大小由SLM光信號調(diào)制器和 CCD傳感器協(xié)同決定。SLM擔(dān)負(fù)將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S結(jié)構(gòu)的矩陣，而CCD的辨別率必須與SLM的雷同，如此它才能將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)格式的電信號加以解調(diào)還原。也就是說，全息存儲系統(tǒng)是以頁面為單位來讀寫數(shù)據(jù)。只要SLM的運算速度夠快、CCD辨別率夠高，數(shù)據(jù)頁面的尺寸就可以不斷增加。相比之下，現(xiàn)有磁存儲或光存儲一次只能操作1bit數(shù)據(jù)的讀寫速度那就太慢了，全息存儲技術(shù)完成一次讀寫操作的速度相當(dāng)于磁存儲/光存儲的數(shù)百萬倍。據(jù)專家預(yù)計，一旦全息存儲系統(tǒng)成熟，其數(shù)據(jù)讀寫速度可以達(dá)成驚人的10GB/s!
最後我們在線來看看全息存儲爲(wèi)什麼具有“海量”的容量。通過全息存儲系統(tǒng)，我們在線可以改變光束與介質(zhì)的入射角度，這樣一來，相幹疊加産生的圖紋便會不同。因爲(wèi)相位是描述光的一個量，因此這些不同的圖紋將與光束的相位信息緊緊地聯(lián)系在一起！而相位又是由入射角決定的，因此我們在線可以通過在同一塊存儲介質(zhì)上從不同的角度射入含有不同信息的光束，達(dá)到信息間的獨立儲存。換言之，介質(zhì)上的任何一塊區(qū)域基本上一只很大的“盒子”，我們在線可以將東西一層一層地放進(jìn)去，而不會破壞其中任一層上的數(shù)據(jù)，在不考慮辨別率的情況下，這個盒子可以是無限大的！我們在線還可以通過激光器或其他設(shè)備來改變光的波長，這樣便可實現(xiàn)在同一塊介質(zhì)區(qū)域上儲存不同的信息！從官方公布的數(shù)據(jù)我們在線可以看到全息存儲技術(shù)的優(yōu)勢：在郵票大小的存儲介質(zhì)上可儲存10GB數(shù)據(jù)，而一張CD大小的介質(zhì)容量更達(dá)到150GB!
全息存儲的國產(chǎn)產(chǎn)品化步履
盡管全息存儲技術(shù)尚未步入應(yīng)用階段，但它的光明前景無須置疑，未來10年它將取代目前磁存儲和光存儲的主流地位。面對如此誘人的一塊大蛋糕，全息存儲技術(shù)領(lǐng)域的各大廠商早已摩拳擦掌，而在這一爭奪戰(zhàn)中，美國的InPhase公司和日本的Optware公司飾演了先行者的角色。
1.Optware——實用化的領(lǐng)先者
早在2003年的ODS（光存儲系統(tǒng)會議）會議上，Optware就向外界公布了對全息光盤的測試數(shù)據(jù)。在測試過程中Optware首次使用了能夠商用化的全息存儲系統(tǒng)。進(jìn)入2004年，Optware便將這套系統(tǒng)命名為HVD（Holographic Versatile Disc，全息通用光盤）。依據(jù)HVD的最新標(biāo)準(zhǔn)，使用全息記載技術(shù)的HVD光盤（直徑為12cm）的容量可提升至1TB，這將是目前DVD標(biāo)準(zhǔn)容量 （4.7GB）的200倍。同時在數(shù)據(jù)傳輸率方面，也將到達(dá)1GB/s，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的硬盤水平，是目前DVD主流速度（16×，約22MB/s）的40 倍。Optware表達(dá)未來還可進(jìn)一步提升HVD的存儲容量和速度。
Optware的全息國產(chǎn)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用了一種稱爲(wèi)同線全息存儲技術(shù)的關(guān)鍵（實際上就是在一個光束中整合了一束參考激光與一束信號激光）。借助這項技術(shù)，Optware可以大大簡化全息成像系統(tǒng)的設(shè)計難度和體積，並進(jìn)一步實現(xiàn)HVD驅(qū)動器與DVD和CD的兼容。
現(xiàn)階段Optware已經(jīng)開始向商業(yè)用戶銷售200GB容量HVD國產(chǎn)產(chǎn)品，並表達(dá)在短期內(nèi)還將把存儲容量提升到1TB。不過，前期HVD國產(chǎn)產(chǎn)品的售價也高得驚人——一部HVD驅(qū)動器的價格在2萬美元左右，每張光盤的成本則爲(wèi)100美元！不過，隨著技術(shù)的成熟和生産規(guī)模不斷擴(kuò)大，到2007年以後，HVD驅(qū)動器的成本會敏捷下降。
2.InPhase——高容量的追求者
相對于Optware快速的全息商品化步履，來自美國的InPhase公司也毫不示弱。在2005年4月的NAB2005展會上，InPhase公司首次展出了其商品化的全息驅(qū)動器。相對于HVD來說，InPhase的國產(chǎn)產(chǎn)品被稱作全息卡也許更爲(wèi)合適。HVD的外形和一張DVD無異，但是InPhase的全息光盤國產(chǎn)產(chǎn)品則在光盤外頭多了個長方形的保護(hù)盒，使得國產(chǎn)產(chǎn)品的外觀和我們在線曾經(jīng)使用的MO有幾分類似。
為了和Optware一較高下，在2005年4月的展會上，InPhase就聯(lián)合萬勝公司拿出了單次可寫入的全息光盤產(chǎn)品。相關(guān)于 Optware在實現(xiàn)寫入方面碰到的困難，InPhase似乎有更多的優(yōu)勢。在實現(xiàn)寫入的同時，InPhase還同時將旗下全息光盤的存儲密度提升到 200Gbit/平方英寸。這一存儲密度差不多超過了包含硬盤在內(nèi)的現(xiàn)有存儲介質(zhì)。而在此密度下，InPhase推出的第一代全息存儲設(shè)備單光盤的容量成功地達(dá)成了300GB，比Optware第一代產(chǎn)品多出了整整100GB。盡管容量提升，但I(xiàn)nPhase的全息方案在讀取速度方面卻碰到了一些困擾。數(shù)據(jù)傳輸速度目前在投產(chǎn)時將達(dá)成160Mb/s（即20MB/s）左右。
盡管有比較明顯的容量領(lǐng)先優(yōu)勢，但I(xiàn)nPhase沒有制止在容量方面的探索。2006年3月27日，InPhase公布成功進(jìn)行了存儲密度達(dá) 515Gbit/平方英寸的全息光存儲演示，這意味著InPhase可以在12cm的光盤上實現(xiàn)超過1.6TB的存儲容量。要知道目前最高容量硬盤的存儲密度也僅為214Gbit/平方英寸。
總結(jié)
全息存儲技術(shù)盡管擁有容量大、速度快等近乎完美的特征。但全息技術(shù)的發(fā)展卻并非一帆風(fēng)順。全息技術(shù)要面對的頭號挑戰(zhàn)就是信號的干擾問題。由于全息采用的是用激光曝光光盤上的圖像，接著用物鏡捕捉進(jìn)行解碼。如此的工作原理，就導(dǎo)致了全息驅(qū)動器關(guān)于光的干涉和其他噪音的干擾非常敏銳，F(xiàn)時期，無論是 Optware依然InPhase都不得不通過更為龐大的糾錯和編碼方法來保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。這種做法的“副作用”就是全息存儲驅(qū)動器的讀寫速度無法提升。比照22MB/s的讀寫速度，要寫滿一張1TB容量的全息光盤所消耗的時間實在驚人。
全息存儲碰到的第二個難題就是對震動和溫度特征相當(dāng)敏銳。在全息驅(qū)動器工作時，一點點的震動就會導(dǎo)致全息成像出現(xiàn)偏差。與此同時，全息驅(qū)動器依然需要主軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)光盤來讀取數(shù)據(jù)，光盤的旋轉(zhuǎn)不可幸免地會帶來震動。因此全息驅(qū)動器必須擁有更爲(wèi)複雜的避震系統(tǒng)和更爲(wèi)龐大的體積。這也是全息驅(qū)動器成本居高不下的重要原因之一。
盡管面對衆(zhòng)多的困難，但全息存儲技術(shù)必將會在信息量迅猛增長的未來飾演舉足輕重的角色。許多光存儲業(yè)界廠商都認(rèn)爲(wèi)，由于全息存儲技術(shù)的突飛猛進(jìn)，藍(lán)光光盤的市場壽命很也許會因此而縮短。
