在今天的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，磁存儲(chǔ)和光存儲(chǔ)是我們記錄數(shù)據(jù)的兩大主要手段，近兩年這兩大領(lǐng)域都有較大的發(fā)展，如垂直記錄技術(shù)成為硬盤發(fā)展的新方向，藍(lán)光DVD和HD DVD讓HDTV離我們?cè)絹碓浇２贿^，容量更高、速度更快、可靠性更強(qiáng)是我們永遠(yuǎn)的目標(biāo)，現(xiàn)有磁存儲(chǔ)和光存儲(chǔ)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(chǔ)的新技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注，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(chǔ)高達(dá)1TB的數(shù)據(jù)。全息存儲(chǔ)技術(shù)真的有這么神奇嗎？
什么是全息存儲(chǔ)技術(shù)
全息存儲(chǔ)（Holographic Memory）是利用全息照相的原理來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄。這一概念是Dennis Gabor在1984年為提高電子顯微鏡的分辨率而提出的（注：全息表示物體發(fā)出光波的全部信息，例如振幅、強(qiáng)度、相位等）。全息存儲(chǔ)技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)就是超高密度，例如，我們可以在一個(gè)糖塊大小的特殊立方體中存儲(chǔ)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(chǔ)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)處理能力，全息存儲(chǔ)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，這個(gè)容量只相當(dāng)于全息存儲(chǔ)技術(shù)的“立方體糖塊”的一個(gè)小碎片所提供的存儲(chǔ)能力。
全息照相技術(shù)原理
我們知道，傳統(tǒng)照相技術(shù)是利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(duì)應(yīng)。換句話說，我們?cè)谂恼諘r(shí)只是記錄了圖像的光強(qiáng)信息，我們所得到的照片不管成像多么清晰、多么逼真，景象都是平面（二維）的。而全息照相就突破了這種限制，它利用光的干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(shí)的立體圖像。
用于全息照相的拍攝設(shè)備并不是普通相機(jī)，而是一臺(tái)激光器。該激光器產(chǎn)生的激光束被分光鏡一分為二，其中一束直接照射到被拍攝的物體（形成的反射光稱為“物光”），另一束直接照射到感光膠片上（稱為“參考光”），物光和參考光最終會(huì)在感光膠片中相遇，這兩種光的波長相同，只是相位有差異，因此它們?cè)诟泄饽z片上相遇時(shí)會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。
根據(jù)物理學(xué)知識(shí)可知，當(dāng)兩束相干光疊加時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生相干圖紋，這時(shí)我們將記錄介質(zhì)放在相干圖紋中，就可以記錄下相干信息（注意：此時(shí)記錄的是兩束光的共同信息）。雖然參考光沒含有任何信息，但它的作用非常關(guān)鍵，因?yàn)橛辛诉@束參考光，我們就可以在介質(zhì)上記錄下完整的光束信息，包括相位信息。
接下來我們?cè)賮砜纯丛鯓訉偛庞涗浀男畔⑦€原。相對(duì)于記錄來說，還原要簡單一些，我們只須借助一束參考光從一定角度照射全息照片，眼前就會(huì)出現(xiàn)非常逼真的立體場(chǎng)景。而且參考光所照射的角度不同，呈現(xiàn)在我們面前的立體圖形側(cè)面場(chǎng)景也將不同。注意，此處的參考光是與記錄時(shí)完全相同的一束光。
全息存儲(chǔ)系統(tǒng)如何運(yùn)作
與全息照相技術(shù)一樣，全息存儲(chǔ)技術(shù)也需要激光束的幫忙。全息存儲(chǔ)在寫入數(shù)據(jù)的時(shí)候，通過分光鏡將一束激光分成兩束，這樣就可以保證兩束光是相干光。當(dāng)物光通過一個(gè)名為SLM（Spatial Light Modulator，立體光調(diào)制器）的裝置時(shí)，SLM會(huì)將二進(jìn)制數(shù)據(jù)以二維的方式調(diào)制在物光上，然后物光就會(huì)帶上我們所要儲(chǔ)存的信息，在記錄介質(zhì)處與參考光相干形成相干圖紋，當(dāng)這些圖紋被存儲(chǔ)材料捕獲并以全息圖像的方式固定后，就完成了數(shù)據(jù)的記錄工作。
而在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，一束與寫數(shù)據(jù)時(shí)波長相同的參考光照射到存儲(chǔ)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的分辨率與SLM的分辨率相同，這樣前者就能將調(diào)制光信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)過放大處理后再交由專門的信號(hào)處理器進(jìn)行解調(diào)，這樣數(shù)據(jù)就被完整地還原了。
在全息存儲(chǔ)存儲(chǔ)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)不一樣，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(hào)調(diào)制器和 CCD傳感器共同決定。SLM負(fù)責(zé)將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S結(jié)構(gòu)的矩陣，而CCD的分辨率必須與SLM的相同，這樣它才能將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)格式的電信號(hào)加以解調(diào)還原。也就是說，全息存儲(chǔ)系統(tǒng)是以頁面為單位來讀寫數(shù)據(jù)。只要SLM的運(yùn)算速度夠快、CCD分辨率夠高，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(chǔ)或光存儲(chǔ)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(chǔ)技術(shù)完成一次讀寫操作的速度相當(dāng)于磁存儲(chǔ)/光存儲(chǔ)的數(shù)百萬倍。據(jù)專家預(yù)計(jì)，一旦全息存儲(chǔ)系統(tǒng)成熟，其數(shù)據(jù)讀寫速度可以達(dá)到驚人的10GB/s!
最后我們來看看全息存儲(chǔ)為什么具有“海量”的容量。通過全息存儲(chǔ)系統(tǒng)，我們可以改變光束與介質(zhì)的入射角度，這樣一來，相干疊加產(chǎn)生的圖紋便會(huì)不同。因?yàn)橄辔皇敲枋龉獾囊粋€(gè)量，所以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，因此我們可以通過在同一塊存儲(chǔ)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(dú)立儲(chǔ)存。換言之，介質(zhì)上的任何一塊區(qū)域都是一只很大的“盒子”，我們可以將東西一層一層地放進(jìn)去，而不會(huì)破壞其中任一層上的數(shù)據(jù)，在不考慮分辨率的情況下，這個(gè)盒子可以是無限大的！我們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(shí)現(xiàn)在同一塊介質(zhì)區(qū)域上儲(chǔ)存不同的信息！從官方公布的數(shù)據(jù)我們可以看到全息存儲(chǔ)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：在郵票大小的存儲(chǔ)介質(zhì)上可儲(chǔ)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(chǔ)的產(chǎn)品化步伐
盡管全息存儲(chǔ)技術(shù)尚未步入應(yīng)用階段，但它的光明前景毋庸置疑，未來10年它將取代目前磁存儲(chǔ)和光存儲(chǔ)的主流地位。面對(duì)如此誘人的一塊大蛋糕，全息存儲(chǔ)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公司扮演了先行者的角色。
1.Optware——實(shí)用化的領(lǐng)先者
早在2003年的ODS（光存儲(chǔ)系統(tǒng)會(huì)議）會(huì)議上，Optware就向外界公布了對(duì)全息光盤的測(cè)試數(shù)據(jù)。在測(cè)試過程中Optware首次使用了能夠商用化的全息存儲(chǔ)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）。根據(jù)HVD的最新標(biāo)準(zhǔn)，使用全息記錄技術(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。而且在數(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表示未來還可進(jìn)一步提升HVD的存儲(chǔ)容量和速度。
Optware的全息產(chǎn)品廣泛應(yīng)用了一種稱為同線全息存儲(chǔ)技術(shù)的關(guān)鍵（實(shí)際上就是在一個(gè)光束中整合了一束參考激光與一束信號(hào)激光）。借助這項(xiàng)技術(shù)，Optware可以大大簡化全息成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和體積，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)HVD驅(qū)動(dòng)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產(chǎn)品，并表示在短期內(nèi)還將把存儲(chǔ)容量提升到1TB。不過，初期HVD產(chǎn)品的售價(jià)也高得驚人——一部HVD驅(qū)動(dòng)器的價(jià)格在2萬美元左右，每張光盤的成本則為100美元！不過，隨著技術(shù)的成熟和生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，到2007年以后，HVD驅(qū)動(dòng)器的成本會(huì)迅速下降。
2.InPhase——高容量的追求者
相對(duì)于Optware快速的全息商品化步伐，來自美國的InPhase公司也毫不示弱。在2005年4月的NAB2005展會(huì)上，InPhase公司首次展出了其商品化的全息驅(qū)動(dòng)器。相對(duì)于HVD來說，InPhase的產(chǎn)品被稱作全息卡可能更為合適。HVD的外形和一張DVD無異，但是InPhase的全息光盤產(chǎn)品則在光盤外面多了個(gè)長方形的保護(hù)盒，使得產(chǎn)品的外觀和我們?cè)?jīng)使用的MO有幾分相似。
為了和Optware一較高下，在2005年4月的展會(huì)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。相對(duì)于 Optware在實(shí)現(xiàn)寫入方面遇到的困難，InPhase似乎有更多的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)現(xiàn)寫入的同時(shí)，InPhase還同時(shí)將旗下全息光盤的存儲(chǔ)密度提升到 200Gbit/平方英寸。這一存儲(chǔ)密度已經(jīng)超過了包含硬盤在內(nèi)的現(xiàn)有存儲(chǔ)介質(zhì)。而在此密度下，InPhase推出的第一代全息存儲(chǔ)設(shè)備單光盤的容量成功地達(dá)到了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遇到了一些困擾。數(shù)據(jù)傳輸速度目前在投產(chǎn)時(shí)將達(dá)到160Mb/s（即20MB/s）左右。
盡管有比較明顯的容量領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，但I(xiàn)nPhase沒有停止在容量方面的探索。2006年3月27日，InPhase宣布成功進(jìn)行了存儲(chǔ)密度達(dá) 515Gbit/平方英寸的全息光存儲(chǔ)演示，這意味著InPhase可以在12cm的光盤上實(shí)現(xiàn)超過1.6TB的存儲(chǔ)容量。要知道目前最高容量硬盤的存儲(chǔ)密度也僅為214Gbit/平方英寸。
總結(jié)
全息存儲(chǔ)技術(shù)盡管擁有容量大、速度快等近乎完美的特性。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(duì)的頭號(hào)挑戰(zhàn)就是信號(hào)的干擾問題。由于全息采用的是用激光曝光光盤上的圖像，然后用物鏡捕捉進(jìn)行解碼。這樣的工作原理，就導(dǎo)致了全息驅(qū)動(dòng)器對(duì)于光的干涉和其他噪音的干擾非常敏感。現(xiàn)階段，無論是 Optware還是InPhase都不得不通過更為復(fù)雜的糾錯(cuò)和編碼方式來保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。這種做法的“副作用”就是全息存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器的讀寫速度無法提升。按照22MB/s的讀寫速度，要寫滿一張1TB容量的全息光盤所耗費(fèi)的時(shí)間實(shí)在驚人。
全息存儲(chǔ)遇到的第二個(gè)難題就是對(duì)震動(dòng)和溫度特性相當(dāng)敏感。在全息驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)，一點(diǎn)點(diǎn)的震動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致全息成像出現(xiàn)偏差。與此同時(shí)，全息驅(qū)動(dòng)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)不可避免地會(huì)帶來震動(dòng)。因此全息驅(qū)動(dòng)器必須擁有更為復(fù)雜的避震系統(tǒng)和更為龐大的體積。這也是全息驅(qū)動(dòng)器成本居高不下的重要原因之一。
盡管面對(duì)眾多的困難，但全息存儲(chǔ)技術(shù)必將會(huì)在信息量迅猛增長的未來扮演舉足輕重的角色。許多光存儲(chǔ)業(yè)界廠商都認(rèn)為，由于全息存儲(chǔ)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，藍(lán)光光盤的市場(chǎng)壽命很可能會(huì)因此而縮短。
