全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)已經(jīng)討論了幾十年。它曾經(jīng)被認(rèn)為是下一代光存儲(chǔ)，它承諾比現(xiàn)在的藍(lán)光光盤具有更高的密度和訪問(wèn)速度。

多年來(lái)，很多研究團(tuán)隊(duì)試圖構(gòu)建全息系統(tǒng)，以滿足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。然而，除偶爾的原型外，這些團(tuán)隊(duì)幾乎沒(méi)有取得什么具體成果。但是，他們的努力并沒(méi)有白費(fèi)。微軟通過(guò)Project HSD為全息存儲(chǔ)注入新的活力，Project HSD是微軟劍橋研究院和Microsoft Azure的合作項(xiàng)目，其目標(biāo)是將全息技術(shù)應(yīng)用于云規(guī)模存儲(chǔ)。

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為什么使用全息圖進(jìn)行存儲(chǔ)?

全息存儲(chǔ)(有時(shí)也稱為3D存儲(chǔ))是一種體積存儲(chǔ)系統(tǒng)，它使用激光讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)，類似于其他光存儲(chǔ)。但是，CD、DVD和硬盤等介質(zhì)只能在介質(zhì)表面存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，將其容量限制為二維存儲(chǔ)。而全息存儲(chǔ)可使用整個(gè)卷，這使得可以在更小的空間中存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)，并提高數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和讀取速度。

在1960 年代初，寶利來(lái)公司研究人員Pieter J. van Heerden首次提出全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，這是在激光發(fā)明的不久后。到2000年代初，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究團(tuán)隊(duì)成功展示該技術(shù)的潛力。寶麗來(lái)分拆的Aprilis和貝爾實(shí)驗(yàn)室分拆的InPhase Technologies帶來(lái)兩項(xiàng)突出的成果。這兩家公司都試圖將全息存儲(chǔ)推向市場(chǎng)。然而，最終都沒(méi)有取得商業(yè)上的成功。Dow Corning收購(gòu)了Aprilis，而InPhase最終申請(qǐng)破產(chǎn)。

還有很多其他努力，但都沒(méi)能扭轉(zhuǎn)全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的形勢(shì)。大多數(shù)這些嘗試都集中在使用類似于CD或DVD的循環(huán)介質(zhì)來(lái)支持一次寫(xiě)入多次讀取 (WORM) 操作，但全息存儲(chǔ)面對(duì)的是更成熟的技術(shù)-這些技術(shù)本身也已經(jīng)取得進(jìn)步。

例如，HDD變得更快、更密集，而SSD變得更便宜、更耐用。與此同時(shí)，對(duì)云計(jì)算的依賴增加，帶來(lái)可擴(kuò)展的存儲(chǔ)和廣泛的流媒體功能。

盡管有這些趨勢(shì)，對(duì)創(chuàng)新存儲(chǔ)平臺(tái)的需求仍在繼續(xù)增長(zhǎng)。據(jù)微軟稱，到2024年，全球每年將產(chǎn)生125澤字節(jié)的數(shù)據(jù)。企業(yè)和云服務(wù)提供商必須設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)的方式來(lái)存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，并滿足其必要的性能、可用​​性和持久性要求。

當(dāng)前的存儲(chǔ)技術(shù)不足以維護(hù)如此大量的數(shù)據(jù)。例如，HDD受其機(jī)械性質(zhì)的限制。SSD的大規(guī)模部署仍然相對(duì)昂貴，并且并不總是提供必要的耐用性。

Project HSD計(jì)劃采用全息存儲(chǔ)

為了幫助滿足未來(lái)的存儲(chǔ)需求，微軟推出了Project Holographic Storage Device (HSD)計(jì)劃，這是一項(xiàng)重新審視全息技術(shù)的合作研究工作，但這次的想法是提供云級(jí)存儲(chǔ)來(lái)支持暖數(shù)據(jù)。

Project HSD計(jì)劃屬于微軟研究實(shí)驗(yàn)室的Optics for the Cloud group小組，該實(shí)驗(yàn)室位于英國(guó)劍橋。該小組的另一項(xiàng)努力是 Project Silica，該計(jì)劃嘗試使用晶體來(lái)提供長(zhǎng)期檔案存儲(chǔ)。但是，Project Silica僅關(guān)注WORM操作，例如全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的傳統(tǒng)方法。Project HSD使擦除和重寫(xiě)數(shù)據(jù)成為可能，并將提供更快的讀寫(xiě)吞吐量。

根據(jù)微軟的說(shuō)法，該項(xiàng)目的目的是“設(shè)計(jì)既高性能又經(jīng)濟(jì)高效的無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)、高耐用性的云存儲(chǔ)。”微軟還表示，該項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)現(xiàn)比早期體積全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)高1.8倍的密度。該團(tuán)隊(duì)致力于進(jìn)一步提高密度并實(shí)現(xiàn)更快的訪問(wèn)速度。

為了幫助實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，Project HSD使用了商品組件，例如當(dāng)今智能手機(jī)中的高分辨率相機(jī)和顯示屏。該項(xiàng)目還使用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)來(lái)進(jìn)一步提高精度和性能。因此，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)降低光學(xué)失真和制造公差要求。他們使用軟件在運(yùn)行時(shí)補(bǔ)償和校準(zhǔn)系統(tǒng)。

Project HSD用于存儲(chǔ)介質(zhì)的材料也使其與其他全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)分開(kāi)來(lái)。很多其他項(xiàng)目使用聚合物來(lái)存儲(chǔ)材料中的永久性變化，這就是它們僅限于WORM操作的原因。

相比之下，Project HSD將全息圖存儲(chǔ)在電光晶體材料中。該項(xiàng)目將每個(gè)全息圖存儲(chǔ)為電子密度分布中的空間變化，它可以通過(guò)將介質(zhì)暴露在特定波長(zhǎng)的光下來(lái)改變。全息圖也可以通過(guò)將晶體材料暴露在紫外線下來(lái)擦除。

盡管微軟背離傳統(tǒng)的全息存儲(chǔ)，但讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的基本方法差不多。存儲(chǔ)過(guò)程首先將激光束分成兩個(gè)信號(hào)。光束之一將數(shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)介質(zhì)。承載數(shù)據(jù)的光束(也稱為數(shù)據(jù)、對(duì)象或信號(hào)光束)通過(guò)稱為特殊光調(diào)制器的設(shè)備，然后在對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制1和0的點(diǎn)處通過(guò)或阻擋光。調(diào)制后的數(shù)據(jù)束然后繼續(xù)到達(dá)晶體材料。

第二光束被稱為參考光束。該光束不通過(guò)光調(diào)制器，而是從反射鏡上反彈并重新定向到存儲(chǔ)介質(zhì)，在那里它與數(shù)據(jù)光束相交以在光學(xué)材料中產(chǎn)生3D干涉圖樣。

該圖案形成一個(gè)微小的全息圖，代表單個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)，可以容納數(shù)百千字節(jié)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)頁(yè)在光學(xué)材料中占據(jù)很小的體積或區(qū)域。一個(gè)區(qū)域可以包含多個(gè)頁(yè)面，而存儲(chǔ)介質(zhì)可以包含多個(gè)區(qū)域。

全息存儲(chǔ)設(shè)備通過(guò)從存儲(chǔ)介質(zhì)中的全息圖衍射參考光束來(lái)讀取數(shù)據(jù)。此操作不需要數(shù)據(jù)束。相機(jī)捕獲衍射圖像，這使得重建原始數(shù)據(jù)頁(yè)成為可能。全息存儲(chǔ)系統(tǒng)可以通過(guò)改變參考光束的角度來(lái)讀取不同的全息圖，或者可以用紫外線擦除全息圖，從而可以重寫(xiě)數(shù)據(jù)。

全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的用例

在使用晶體材料時(shí)，Project HSD利用了光學(xué)中固有的平行性。它使數(shù)據(jù)能夠并行寫(xiě)入和讀取存儲(chǔ)介質(zhì)，從而提高整體吞吐量。該項(xiàng)目的方法還需要更少的機(jī)械部件，例如硬盤驅(qū)動(dòng)器中的機(jī)械部件。相反，它限制移動(dòng)以重新調(diào)整激光束的角度;所有其他組件保持固定。此外，全息存儲(chǔ)可以使用介質(zhì)的整個(gè)體積，而不僅僅是其表面，這可提供比當(dāng)前類型的光存儲(chǔ)更高的密度。

傳統(tǒng)的全息存儲(chǔ)方法側(cè)重于數(shù)據(jù)歸檔和支持WORK操作。而Project HSD的目標(biāo)是支持讀取和寫(xiě)入操作的暖數(shù)據(jù)，這可以使云計(jì)算提供商和企業(yè)數(shù)據(jù)中心受益。暖數(shù)據(jù)的訪問(wèn)和更新頻率通常低于支持重要業(yè)務(wù)應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，并且很少實(shí)時(shí)維護(hù)，盡管它通常需要更高的可擴(kuò)展性。性能要求可能會(huì)有所不同，具體取決于所支持的工作負(fù)載。

全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有望以一種經(jīng)濟(jì)高效且及時(shí)的方式來(lái)回答特定的業(yè)務(wù)問(wèn)題。其快速讀取性能和更新數(shù)據(jù)的能力使其非常適合數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、大數(shù)據(jù)分析以及結(jié)合預(yù)測(cè)分析或人工智能等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用。

那些需要生成定期報(bào)告(例如每周呼叫中心統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或每月銷售數(shù)據(jù))的企業(yè)可以從全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中受益。全息存儲(chǔ)還可以支持不太重要的操作，例如為支持人員提供幫助客戶所需的背景信息。

我們離全息存儲(chǔ)還有多遠(yuǎn)?

盡管全息存儲(chǔ)很有前景，但從研究階段到企業(yè)可以購(gòu)買商業(yè)產(chǎn)品還有很長(zhǎng)的路要走。制造商必須為構(gòu)建存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)置全新的環(huán)境，這將需要高度的精度以確保組件間的正確對(duì)齊。此外，大多數(shù)關(guān)于HSD項(xiàng)目的研究都集中在單個(gè)區(qū)域的寫(xiě)入和讀取上。該團(tuán)隊(duì)仍然面臨著跨多個(gè)區(qū)域提供相同性能水平的挑戰(zhàn)。另一個(gè)問(wèn)題是確保無(wú)意中暴露在紫外線下而不會(huì)擦除數(shù)據(jù)。

由于全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是一項(xiàng)開(kāi)始有很多錯(cuò)誤的技術(shù)，因此我們并不奇怪看到，微軟避免對(duì)該技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用做出預(yù)測(cè)。與此同時(shí)，還有很多其他的存儲(chǔ)努力，從存儲(chǔ)類內(nèi)存到DNA存儲(chǔ)等。