全息数据存储:下一个大事件还是崩溃?

为什么要用全息图来存储?

全息存储——有时也被称为3D存储——是一种体积存储系统，使用激光读取和写入数据，类似于其他存储系统光存储．然而，像cd、dvd和硬盘这样的媒体只能在媒体的表面存储数据，这将其容量限制在二维存储。全息存储使用整个卷，使得在更小的空间中存储更多的数据，提高数据的读写速度成为可能。

宝丽来的研究人员Pieter J. van Heerden在20世纪60年代早期首次提出全息数据存储，就在激光发明后不久。到21世纪初，工业界和学术界的研究团队已经在展示这项技术的潜力方面取得了重大进展。宝丽来拆分出来的Aprilis和贝尔实验室拆分出来的InPhase Technologies是两项重要的努力。两家公司都试图将全息存储引入市场。然而最终，两家公司都没有取得商业上的成功。道康宁收购了Aprilis, InPhase最终申请破产。

还有许多其他的努力，但没有一个能够扭转全息数据存储的潮流。这些尝试大多集中在使用类似于cd或dvd的循环媒体来支持一次写，多次读(WORM)操作，但全息存储与更成熟的技术竞争，后者本身也在进步。

例如，hdd变得更快、密度更大，而ssd变得更便宜、更耐用。同时，对云计算的依赖也在增加，这带来了可伸缩的存储以及广泛的流媒体功能。

尽管有这些趋势，对创新存储平台的需求仍在持续增长。根据微软的数据，到2024年，全球每年将产生125 zb字节的数据。企业和云服务提供商必须设计出经济的方式来存储这些数据，并满足其必要的性能、可用性和持久性要求。

当前的存储技术不足以维护这么多数据。例如，hdd就受到其机械特性的限制。ssd的大规模实现仍然相对昂贵，而且并不总是提供必要的持久性。

HSD项目采用全息存储

为了帮助解决未来的存储需求，微软推出了项目全息存储设备(HSD)合作研究工作这又回到了全息技术，但这次的想法是提供云规模的存储来支持热数据。

HSD项目是位于英国剑桥的微软研究实验室的微软光学云小组的一部分。该小组的另一项努力是二氧化硅项目，该项目用使用晶体提供长期档案存储。然而，Project Silica只关注WORM操作，就像全息数据存储的传统方法一样。HSD项目使擦除和重写数据成为可能，并将提供更快的读写吞吐量。

根据微软的说法，该项目的任务是“设计无机械移动、高耐久性、性能和成本效益俱佳的云存储。”微软还表示，该项目已经完成实现了密度比以前的体全息数据存储高1.8倍。该团队致力于进一步提高密度，实现更快的访问速率。

为了帮助实现这些承诺，HSD项目使用了商品组件，如当今智能手机中的高分辨率摄像头和显示屏。该项目还使用机器学习和深度学习进一步提高精度和性能。因此，该团队减少了光学扭曲和制造公差的要求。它利用软件在运行时对系统进行补偿和校准。

用于存储介质的材料也使HSD项目有别于其他全息数据存储尝试。许多其他项目使用聚合物来存储材料的永久变化，这就是为什么它们仅限于WORM操作。

相比之下，HSD项目将全息图存储在电光晶体材料中。该项目将每个全息图存储为电子密度分布的空间变化，它可以通过将介质暴露在特定波长的光下来改变。通过将晶体材料暴露在紫外线下，全息图也可以被抹去。

尽管微软抛弃了传统的全息存储，但读写数据的基本方法基本相同。存储过程首先是将一束激光分成两个信号。其中一束将数据传送到存储介质．携带数据的光束——也被称为数据、物体或信号光束——通过一种称为特殊光调制器的设备，然后在对应于二进制1和0的点上通过或阻断光。然后，被调制的数据光束继续到达晶体材料。

第二光束称为参考光束。光束不通过光调制器，而是从镜子反射回来，并被重新定向到存储介质，在那里它与数据光束相交，在光学材料中创建一个3D干涉图案。

该模式形成了一个微小的全息图，它代表一个数据页，可以保存数百千字节的数据。数据页占用光学材料内的一个小卷或区域。一个区域可以包含多个页面，存储介质可以包含多个区域。

全息存储装置通过衍射参考光束离开存储介质中的全息图来读取数据。此操作不需要数据波束。相机捕捉衍射图像，这使得重建原始数据页成为可能。全息存储系统可以通过改变参考光束的角度来读取不同的全息图，或者可以用紫外光擦掉全息图，从而使重写数据成为可能。

全息数据存储提供了一种高效、及时地回答特定业务问题的低成本方法。

用于全息数据存储

在使用晶体材料时，HSD项目利用了光学中固有的平行性。它使数据能够并行地写入和从存储介质中读取，从而提高总体吞吐量。该项目的方法还需要更少的机械部件，比如hdd中的那些部件。相反，它限制移动来调整激光束的角度;所有其他部件保持固定。此外，全息存储可以使用介质的整个体积，而不仅仅是其表面，这比目前的光存储提供了更大的密度。

传统的全息存储方法集中在数据归档支持WORM操作。HSD项目的目标是同时支持读写操作的热数据，这可能有利于云提供商和企业数据中心。与支持重要业务应用程序的数据相比，Warm数据通常访问和更新的频率较低，而且很少进行实时维护，尽管它通常需要更大的可伸缩性。性能需求可能会有所不同，这取决于所支持的工作负载。

全息数据存储提供了一种高效、及时地回答特定业务问题的低成本方法。它的快速读取性能和数据更新能力使其非常适合数据仓库，大数据分析以及整合了预测分析或人工智能等先进技术的应用。

需要生成定期报告(如每周呼叫中心统计数据或每月销售数据)的组织可以从全息数据存储中受益。全息存储还可以支持不那么重要的操作，比如为支持人员提供他们需要的背景信息，以帮助他们的客户。

我们离全息存储还有多远?

尽管全息存储前景广阔，但从研究阶段到企业能够购买商业产品，全息存储还有很长的路要走。制造商将不得不建立全新的环境来构建存储设备，这将需要高度的精度，以确保组件之间的适当对齐。此外，关于Project HSD的大部分研究都集中在单个区域的读写上。团队仍然面临跨多个区域交付相同水平的性能的挑战。另一个问题是要确保无意中暴露在紫外线下不会抹去数据。

因为全息数据存储是一项有很多错误开始的技术，所以微软避免对这项技术的商业应用做出预测也就不足为奇了。与此同时，还有许多其他的努力来取悦这个行业，包括内存存储类DNA存储。