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全息存储技术以和产品的全面了解

watchstor.com  佚名丨2009-08-08 17:07 标签:机房 

在今天的计算机系统中,磁存储和光存储是我们记录数据的两大主要手段,近两年这两大领域都有较大的发展,如垂直记录技术成为硬盘发展的新方向,蓝光DVD和HD DVD让HDTV离我们越来越近。不过,容量更高、速度更快、可靠性更强是我们永远的目标,现有磁存储和光存储技术始终无法克服机械结构所带来的容量/性能提升缓慢、可靠性不佳的缺陷。最近,一种名为全息存储的新技术引起了人们的广泛关注,据说采用这种技术后,一块方糖大小的立方体可以存储高达1TB的数据。全息存储技术真的有这么神奇吗?

什么是全息存储技术

全息存储(Holographic Memory)是利用全息照相的原理来实现数据的记录。这一概念是Dennis Gabor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。

全息照相技术原理

我们知道,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,景象都是平面(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。

接下来我们再来看看怎样将刚才记录的信息还原。相对于记录来说,还原要简单一些,我们只须借助一束参考光从一定角度照射全息照片,眼前就会出现非常逼真的立体场景。而且参考光所照射的角度不同,呈现在我们面前的立体图形侧面场景也将不同。注意,此处的参考光是与记录时完全相同的一束光。

全息存储系统如何运作

与全息照相技术一样,全息存储技术也需要激光束的帮忙。全息存储在写入数据的时候,通过分光镜将一束激光分成两束,这样就可以保证两束光是相干光。当物光通过一个名为SLM(Spatial Light Modulator,立体光调制器)的装置时,SLM会将二进制数据以二维的方式调制在物光上,然后物光就会带上我们所要储存的信息,在记录介质处与参考光相干形成相干图纹,当这些图纹被存储材料捕获并以全息图像的方式固定后,就完成了数据的记录工作。

而在读取数据时,一束与写数据时波长相同的参考光照射到存储材料中保存的全息图像,由于衍射作用,全息图像产生散射激光,这束包含调制信息的激光再经由一组透镜后聚焦到CCD传感器,由于CCD的分辨率与SLM的分辨率相同,这样前者就能将调制光信号转换为相应的电信号,经过放大处理后再交由专门的信号处理器进行解调,这样数据就被完整地还原了。

在全息存储存储系统中,读写操作的基本单位是“数据页(Page)”。数据页和常规的线性结构不一样,它是以二维平面的形式存在(如640×640bit、1024×1024bit等),数据页的大小由SLM光信号调制器和CCD传感器共同决定。SLM负责将原始数据转变为二维结构的矩阵,而CCD的分辨率必须与SLM的相同,这样它才能将光信号转变为对应格式的电信号加以解调还原。也就是说,全息存储系统是以页面为单位来读写数据。只要SLM的运算速度够快、CCD分辨率够高,数据页面的尺寸就可以不断增加。相比之下,现有磁存储或光存储一次只能操作1bit数据的读写速度那就太慢了,全息存储技术完成一次读写操作的速度相当于磁存储/光存储的数百万倍。据专家预计,一旦全息存储系统成熟,其数据读写速度可以达到惊人的10GB/s!

最后我们来看看全息存储为什么具有“海量”的容量。通过全息存储系统,我们可以改变光束与介质的入射角度,这样一来,相干叠加产生的图纹便会不同。因为相位是描述光的一个量,所以这些不同的图纹将与光束的相位信息紧紧地联系在一起!而相位又是由入射角决定的,因此我们可以通过在同一块存储介质上从不同的角度射入含有不同信息的光束,达到信息间的独立储存。换言之,介质上的任何一块区域都是一只很大的“盒子”,我们可以将东西一层一层地放进去,而不会破坏其中任一层上的数据,在不考虑分辨率的情况下,这个盒子可以是无限大的!我们还可以通过激光器或其他设备来改变光的波长,这样便可实现在同一块介质区域上储存不同的信息!从官方公布的数据我们可以看到全息存储技术的优势:在邮票大小的存储介质上可储存10GB数据,而一张CD大小的介质容量更达到150GB!

全息存储的产品化步伐

尽管全息存储技术尚未步入应用阶段,但它的光明前景毋庸置疑,未来10年它将取代目前磁存储和光存储的主流地位。面对如此诱人的一块大蛋糕,全息存储技术领域的各大厂商早已摩拳擦掌,而在这一争夺战中,美国的InPhase公司和日本的Optware公司扮演了先行者的角色。

1.Optware——实用化的领先者

早在2003年的ODS(光存储系统会议)会议上,Optware就向外界公布了对全息光盘的测试数据。在测试过程中Optware首次使用了能够商用化的全息存储系统。进入2004年,Optware便将这套系统命名为HVD(Holographic Versatile Disc,全息通用光盘)。根据HVD的最新标准,使用全息记录技术的HVD光盘(直径为12cm)的容量可提升至1TB,这将是目前DVD标准容量(4.7GB)的200倍。而且在数据传输率方面,也将到达1GB/s,远高于现有的硬盘水平,是目前DVD主流速度(16×,约22MB/s)的40倍。Optware表示未来还可进一步提升HVD的存储容量和速度。

Optware的全息产品广泛应用了一种称为同线全息存储技术的关键(实际上就是在一个光束中整合了一束参考激光与一束信号激光)。借助这项技术,Optware可以大大简化全息成像系统的设计难度和体积,并进一步实现HVD驱动器与DVD和CD的兼容。

现阶段Optware已经开始向商业用户销售200GB容量HVD产品,并表示在短期内还将把存储容量提升到1TB。不过,初期HVD产品的售价也高得惊人——一部HVD驱动器的价格在2万美元左右,每张光盘的成本则为100美元!不过,随着技术的成熟和生产规模不断扩大,到2007年以后,HVD驱动器的成本会迅速下降。

2.InPhase——高容量的追求者

相对于Optware快速的全息商品化步伐,来自美国的InPhase公司也毫不示弱。在2005年4月的NAB2005展会上,InPhase公司首次展出了其商品化的全息驱动器。相对于HVD来说,InPhase的产品被称作全息卡可能更为合适。HVD的外形和一张DVD无异,但是InPhase的全息光盘产品则在光盘外面多了个长方形的保护盒,使得产品的外观和我们曾经使用的MO有几分相似。

为了和Optware一较高下,在2005年4月的展会上,InPhase就联合万胜公司拿出了单次可写入的全息光盘产品。相对于Optware在实现写入方面遇到的困难,InPhase似乎有更多的优势。在实现写入的同时,InPhase还同时将旗下全息光盘的存储密度提升到200Gbit/平方英寸。这一存储密度已经超过了包含硬盘在内的现有存储介质。而在此密度下,InPhase推出的第一代全息存储设备单光盘的容量成功地达到了300GB,比Optware第一代产品多出了整整100GB。尽管容量提升,但InPhase的全息方案在读取速度方面却遇到了一些困扰。数据传输速度目前在投产时将达到160Mb/s(即20MB/s)左右。

尽管有比较明显的容量领先优势,但InPhase没有停止在容量方面的探索。2006年3月27日,InPhase宣布成功进行了存储密度达515Gbit/平方英寸的全息光存储演示,这意味着InPhase可以在12cm的光盘上实现超过1.6TB的存储容量。要知道目前最高容量硬盘的存储密度也仅为214Gbit/平方英寸。

总结

全息存储技术尽管拥有容量大、速度快等近乎完美的特性。但全息技术的发展却并非一帆风顺。全息技术要面对的头号挑战就是信号的干扰问题。由于全息采用的是用激光曝光光盘上的图像,然后用物镜捕捉进行解码。这样的工作原理,就导致了全息驱动器对于光的干涉和其他噪音的干扰非常敏感。现阶段,无论是Optware还是InPhase都不得不通过更为复杂的纠错和编码方式来保证数据的准确性。这种做法的“副作用”就是全息存储驱动器的读写速度无法提升。按照22MB/s的读写速度,要写满一张1TB容量的全息光盘所耗费的时间实在惊人。

全息存储遇到的第二个难题就是对震动和温度特性相当敏感。在全息驱动器工作时,一点点的震动就会导致全息成像出现偏差。与此同时,全息驱动器依然需要主轴电机旋转光盘来读取数据,光盘的旋转不可避免地会带来震动。因此全息驱动器必须拥有更为复杂的避震系统和更为庞大的体积。这也是全息驱动器成本居高不下的重要原因之一。

尽管面对众多的困难,但全息存储技术必将会在信息量迅猛增长的未来扮演举足轻重的角色。许多光存储业界厂商都认为,由于全息存储技术的突飞猛进,蓝光光盘的市场寿命很可能会因此而缩短。

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