全息存储技术

2004年国际光存储技术展览会上，日本Optware公司展出 了一张直径12厘米，容量达300GB的光盘。据Optware公司 称，这种光盘采用了“同线偏振全息技术(polarized collinear holography)”其刻录和播放性能已经很好，完全 能够满足刻录机和播放器的实际应用的要求。此外还称采 用“同线偏振全息技术”的存储介质，在不使用“复用技 术”提高存储密度的条件下，其位误差率已经非常低，低 于10-6 。 Optware公司称力争在2005年的夏季之前能够推出一 款能够在一张12厘米的光盘上刻录200-300GB容量数据的 商用产品，并在该产品推出后，公司还计划在2006年底前 推出相关的家用消费产品。
• 目前，计算机的主要应用模式已经 转化成数据的存储和访问。受机械 部件的限制，磁盘数据访问时间平 均每年只能提高7%—10%，数据传 输率也只能以每年20%的速度发展， 而同时现代微处理器和内存系统正 以平均每年50%—100%的速度增长， 处理器和磁盘之间的性能差距已经 越来越明显。
Hale Waihona Puke 60年代末发现光折射变效应以后。在光折 变晶体中全息存储曾一度成为热点，并提 出过许多设计精巧的存储方案。 1975年，英国RCA公司首次报道了在1cm3的 铌酸锂晶体中存储500幅全息图的实验。
目前GE的光盘设计有20个体全 息层，并且以405nm的标准蓝 光波长刻录。这种光盘架构的 主要优点之一是读出简单。光 盘读取头的外观（乃至成本） 与现有的蓝光读取头几乎完全 一样，并且不需要专门的温度 /振动补偿解决方案。这是与 以往基于页面的（page-based） 架构的一个主要区别。
同线偏振 全息技术 (polarized collinear holography)
2009年4月，一张500G的全息光盘在GE公司的 实验室诞生。但由于读写速度太慢而停留于实 验室中，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。 最近，GE公司已经开发出了一个新版本，其能 够支持和标准蓝光光盘同样的读写速度（约 20MB/s）。
InPhase在2005年4月就实现了 200Gbit/平方英寸的存储密度，06年 初它们则做出了存储密度达到了 515Gbit/平方英寸，容量可达360GB全 息光盘。 2007年1月全息驱动器和光盘投入生产， 目前已投放市场。目前由于价格昂贵， 目前的用户只有一些政府机构和大型 企业，其中包括美国地质调查局、洛 克希德·马丁、时代华纳旗下的 Turner Broadcasting等等，而德意志 银行、欧洲航天局、西门子医疗、大 众汽车等也都有意向采用这种新技术。
1、数字信息
增长速度将 超过储存装 置扩展速度
• 每年创建的数字信息量从2009年 到2020年增长44倍，声音、电视、 广播、打印等所有主要的媒体形 式都将完成从模拟到数字的转变。 • 当前创造出来的数字信息量比现 有的存储容量多出35%。这一数字 在未来几年将跃升到60%。
2、高昂 的数据存 储费用
单纯空间复用技术的主要缺点是 不能充分利用存储材料的厚度来 增加系统的存储容量，因此没有 充分利用全息存储技术的潜力实 现最大存储容量。 为了弥补空间复用技术的缺陷， 人们提出了体积复用技术。
体积复用技术分为三种：
角度复用 位相复用 波长复用
这是一种使用最早，研究最为充分的复用技术，它 利用了体积全息图的角度选择性，使不同的信息页 面可以互不相干地叠加在同一个空间区域内。每幅 全息图在记录和读出时所采用的物光和参考光的夹 角都各不相同，但采用的激光波长是固定的。对角 度的调整可以通过旋转反光镜或声光偏转器来实现。 角度复用技术可以有效地增大存储容量，提高存储 密度。但角度复用存储的全息图数目越多，平均衍 射效率就越低，并且由于串抗干扰的叠加将导致读 出数据的信噪比下降，这些因素也影响和限制了角 度复用技术可以实现的存储容量。
由于全息图的再现对读出光的波长也 十分敏感，所以波长复用也是全息光 存储的主要复用方式之一。波长复用 也是基于全息光存储所具有的布喇格 角选择性，只是此时每幅存储的全息 图是与一个特定的光源波长相对应， 记录和读出过程中参考光和物光之间 的夹角保持不变。
混合复用技术就是将上述几种复用 方法结合使用，以便充分利用各种 复用方法的优点，提高系统的存储 容量。主要的几种混合复用技术包 括稀疏波长—角度复用、空间—角 度复用以及空间—位相复用等等
容量
300GB
每GB价格
约0.4美元
目前常用的存储方式：
磁存储：硬盘、磁带
光存储：CD、DVD、BD 半导体存储：闪存、固态硬盘
1G || 0.38 圆
1G || 0.25圆
DVD-5 (12 cm, 单面／单层) 0.23圆/GB 4.37 GB DVD-9 (12 cm, 单面／双层) 0.38圆/GB 7.95 GB DVD-10 (12 cm, 双面/单层) …… 8.74 GB DVD-14 (12 cm, 双面/混层) …… 12.32 GB
• 一家公司的IT支出中有75%用于数 据存储，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。
3、I/O成 为新的性 能瓶颈
全息存储 是啥？
激光全息存储技术是一种利用激光全息摄影原理将图文 等信息记录在感光介质上的大容量信息存储技术，它有 可能取代磁存储和光学存储技术，成为下一代的高容量 数据存储技术。传统的存储方式将每一个比特都记为记 录介质表面磁或光的变化，而全息存储中将信息记录在 介质的体积内，而且利用不同角度的光线可以在同样的 区域内记录多个信息图像。
非常高的数据传输率 和很快的存取时间?
存储中的复用技术是全息光存储 所特有的技术特征，采用合理的 复用技术可以有效地增加系统的 存储容量，提高存储系统的性能。 全息光存储中的复用技术主要包 括空间复用、体积复用和混合复 用三大类。
空间复用技术是将记录介质的二维平面划分成不同 的区域，在每一个区域中单独存储一幅全息图。空 间复用技术是发展得最早的复用技术，主要适合于 平面型记录材料，存储材料中的存储格式类似于硬 盘和光盘。 空间复用技术的优点：由于相邻的全息图在空间并 不重叠，因此再现出的页面之间可以完全避免串扰 噪声，每个全息图的衍射效率也都可以达到单个全 息图所能达到的最大衍射效率。此外，由于存储的 所有全息图都可以采用相同的参考光角度，因此系 统的光路设计和构架相对简单。
当时半导体存储技术和磁存储技术发展得非常迅 速并能满足计算机输入/输出的要求，再加上后来 发展的光盘存储技术又以其与磁存储技术相兼容 的优势而使全息存储技术一度发展迟缓，实用化 的研究停滞不前。在中国，许多研究人员也放弃 了这项技术的研究。进入80年代后，光计算的热 潮又重新激发起对光全息存储的研究兴趣。全息 存储技术在光计算领域中有广阔的应用前景。这 一时期的研究工作主要是集中在存储方法和存储 材料方面，同时，全息存储器（系统）也开始向 实用化迈进。
高的存储容量？
包括光强和相位信息 只有 0和1两个值 （以灰度形式表现）
高的冗余度？
每一信息单元都存储在全息 图的整个表面或体积上，记 录介质局部的缺陷和损伤不 会引起信息的丢失。
高的冗余度？
高的冗余度？
非常高的数据传输率 和很快的存取时间?
全息图采用面向页面的数据存储方式，即数据是以 页面的形式存储和恢复的。一页中的所有位都并行 地记录和读出，而不是像光盘那样，数据位以串行 的方式逐点存取。而每一页上的数据容量惊人，所 以读取速度应该是很惊人的。 但是实际上，全息页面的读出数据取决于探测器的 响应时间。全息存储不一定要用磁盘盒光盘存储系 统中的机电式读写头，而可以用无惯性的光束偏转， 参考光束的空间位相调制或波长调谐等手段，使寻 址速度加快。
为了克服角度复用技术串扰噪声较大的缺点，人们又提出了正 交位相编码复用技术。在这种复用技术中，参考光的波长和光 束角度都是固定的，而位相编码一般使用确定性位相编码中的 正交位相编码。 正交位相编码的概念是——每个全息图的参考光都是由一组平 面波束的集合组成，对其中每个光束都进行纯位相调制，即相 对位相延迟非0即π。每组这样的光束集合代表一个存储图像的 地址，且和其它所有地址都正交。读出信息时，只有该地址参 考光束对应的全息图的衍射效率最大，而对于其它全息图则是 相消干涉，理论上其衍射效率均为零。因此，位相复用技术可 以提高读出过程中全息图的衍射效率，增加读出数据的信噪比， 并且可以使对存储数据的寻址通过改变光束的位相而不是改变 光束的方向来实现，从而使寻址过程更快。
1、数字信息
增长速度将 超过储存装 置扩展速度
• 2010年5月5日，全球信息基础架构解决 方案的领导者(NYSE：EMC)宣布了题为 《数字宇宙十年--你是否准备好？》的 研究结果。 • 在2009年经济大萧条时期，数字信息量 比2008年增长了62%，达到8000亿 GB(0.8ZB)。1ZB等于1万亿GB。2010年 产生的数字信息量达到1.2ZB
英国Northrop公司于1991年在1cm3掺铁铌酸锂晶 体中存储并高保真再现了500幅高分辨率军用车辆 全息图。1992年，又在同样的铌酸锂晶体中存储 1000页的数字数据，并无任何错误地复制到数字 计算机的存储器中。 这些研究表明，全息存储具有足够的保真度，可 用于数字计算机的存储。全息存储器可望存储几 千亿字节数的数据，并以等于或大于108 bit/s的 速度传送数据，可在100μs或更短的时间内随机 选择一个数据页面。
全息存储好在哪？
高的存储容量 高的冗余度
非常高的数据传输率和很快的
存取时间 信息不易丢失，保存时间长。
高的存储容量？
全息存储数据是在一个三维的空间而不是通常的二 维的平面，即使用记录介质的“体”来存储，而不 仅仅是表面。如果采用500nm的光波长在折射率为 2.0的介质上存储，其存储密度的光学极限为 6.4×1013bit/cm3（8TB/cm3），全息采用面向页面 的数据存储方式，一个全息数据页面的容量可达 106bit(128KB)，利用空间复用和共同体积复用相结 合的技术可以在介质上存储500000个全息页面，总 的存储容量可达63GB。若在采用频率选择技术可将 存储维数扩展到4维，存储容量还可进一步提高。
1、数字信息
增长速度将 超过储存装 置扩展速度
• 相当于： • 全地球所有男女老少连续不断发 100年微博所产生的数字信息 • 750亿只16GB iPad的总容量（可 以摆满伦敦温布利体育场41次， 意大利和法国之间通过阿尔卑斯 山的勃朗峰隧道84次，欧洲等离 子物理研究所的大型强子对撞器 隧道151次，北京国家体育场15.5 次，台北101塔23次。）
InPhase 盘片价格 驱动器价格 读/写速度 约180美元
GE I
Optware 约120美元 约3000美元 125MB/s
don’t 约18000美元 20MB/s(Gen 1) know 80MB/s(Gen 2) 120MB/s(Gen 3) 300GB(Gen 1) 800GB(Gen 2) 1.6TB(Gen 3) 约0.6美元 ……
1、数字信息
增长速度将 超过储存装 置扩展速度
• 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年投入运转的LSST望远镜，一个 晚上就会产生多达30000GB的数据。 • 全球的数码相机已经超过了4亿部，具有 视频功能的手机为6亿部，数字音乐播放 器为5.5亿部，计算机已经超过9亿部。 • 2010年之前，由于价格逐步下降，数码便 携式摄像机和数码相机分辨率迅速提高。