碟片回归,干全息存储也许是最后的空子
 
 

发布者:吴琼   通告时间:2017-10-20  浏览次数:154    

   

    科技之腾飞正将人类从信息技术(IT)一时带入数据技术(DT)一时,据日本国际数据公司(IDC)统计,前途几年世界数据量每两年翻一番,在2020年将达到40ZB(Zetta Bytes,1021)),社会对数据存储的急需成指数增长,风靠增加磁盘数量之主意将难以满足。

    眼下常用的存储技术如光盘、硬盘技术,伊存储密度受限于二维平面内存储点的尺寸,随着技术之不断提高,眼下该尺寸已逐渐趋近其物理极限,进一步回落难度很大。如何突破现有存储技术之欠缺,满足当今信息时代对海量数据存储的急需,新的数据存储技术成为一个研究热点。

    在诸多新型存储技术中,全息存储技术有望成为下一代存储技术有力的竞争者。全息存储技术与现行的哲学存储技术(如DVD和蓝光光盘)总体不同。DVD和蓝光光盘至多只能将信息存储到光盘表面的星星个范畴上,而全息存储技术则可以将数据存储在包括光盘厚度的立体空间里。在全息光盘中,全息图、或者代表信息字节的二维图案,以身全息的主意写入到光盘中,下一场通过光的衍射读取。出于全息光盘可以运用光盘的厚度进行存储,伊存储容量与现有技巧相比要强百倍。从而,干全息存储,名将为光盘带来一场新的变革。

基本规律

    全息存储与全息照相原理类似,是一种光波记录方法,涉及两个经过和两路光波。两个经过为干涉记录与衍射读取,两路光波为参考光和信号光。  

    如图1所示,记录时,参考光与待记录的信号光在储存介质中遇到并发生干涉,转移介质的哲学性质,比如折射率分布,形成相位调制体光栅,因此将信号记录在介质中。读取时,采用之前记录的参考光照射存储介质,出于相位调制体光栅的衍射效应,在原信号光方向获取再现出的信号光,形成多少的读取。采用体光栅的巴黎选择性,可以在储存介质的同一位置利用不同之参考光存储多涨幅数据,而且每个数据页都得以独立读出,贯彻存储空间的复用。

 

特色

    干全息存储技术有以下特点:

1)     分立式存储,存储密度高,伊理论体存储密度可达V/l3量级,其中V为存储介质的面积,λ为记录光波波长。对于1 mm厚的素材,伊等效面存储密度可达40 Tb/in2。

2)     并行读写,传输速度快。消息以数据页(data page)为单位开展读写,从而具有极高的数目传输率,伊极限值主要由电光与核电转换器件(SLM及CCD)来决定,数量传输率将开展超过1 GB/sec。风的二维面存储可以使用多层的主意向四方体存储迈进,但读取方式很难实现向二维之迈进,这是体全息存储相比其他存储技术之醒目优点。

3)     相关寻址,读出的信号光强度与读写使用的光场的严肃性成比例,可用于图像相关检索、形势匹配、图像识别等世界。

开拓进取历史

    全息术本质是一种光波记录方法,名将全息术用于数据存储的考虑最早由Van Heerdan于1963年提出。但是由于光电、激光转换设备的限制,该技术进行迟缓。进去上世纪90寒暑,特别是副1995年到2000年,全息存储迎来了研讨热潮,进去实验室密集研究阶段。在芬兰国家存储工业委员会主办下,由赞比亚DARPA、IBM、斯坦福大学等共12个单位联合成立了合作组织,执行了两个全息数据存储项目,下,不少干全息存储与使用体系先后出版。全球研究所、高等学校纷纷开展研究,发挥论文无数,并出版专著。2000年后,干全息开始迈向现代化和备用化研究阶段。菲律宾军用、洪都拉斯索尼、日立等大商厦纷纷开展体全息商用化的研讨,欧美日也先后出现了以身全息存储为骨干技术之规模化公司,如日本的InPhase(而今为Akonia Holographics),洪都拉斯的Optware等,并推出了原理样机。

    境内方面,北京大学副90年代开始连续跟进,研讨了多种原理样机,发挥大量高水平论文。于此同时,北京市环保学院也连续开展了相关研究,取得了举世瞩目的拓展,研讨了多种原理样机,出版了干全息存储专著。近几年,北京市理工学院在同轴全息存储技术发明人谭小地之引导下,此起彼伏开展了全息存储技术之研究工作,并提出基于相位与振幅编码的同轴体全息存储系统,如下图所示。

 

     副提高过程来看,干全息存储技术在邓小平理论研究及工程样机研制方面都取得了令人鼓舞的形成,但离真正的集中化还有一定的距离,首要技术还要求进一步更新和打破,相关的研讨热潮在商用化进展迟缓的情况下有所退去,有的是以身全息存储技术为骨干的风投公司纷纷倒闭或者被其他企业收购,任何业界陷入低谷。

陪伴数据时代之来到,社会对存储能力的急需越来越高,而与此同时硬盘技术也遭遇了艺术瓶颈,存储密度不断晋升的摩尔定律也失效,送身全息存储的复苏带来了曙光。Facebook企业对当前有余存储技术之对待研究也说明光存储在数量长期保存成本和耗资方面最具优势,于2016年1月公布与奥地利松下合作研发光存储技术,存储长期不用并很少访问的数目(冷数据),以降低海量数据的存储成本。

    当然,这第一是外部条件的浮动,干全息存储技术是否能够响应时代之号召力,成为下一代存储的激流,还要看他艺术之腾飞状态,特别是至关重要技术之打破情况。

首要技术

    现有的存储技术在固定意义上是一种微小结构或单元的操控与检测技术,能够操控与检测的大片越小,存储密度越大,伊极限受限于操控工具的大小。对于光存储,波长尺寸是他操控极限。虽然传统的二维面存储可以使用多层的主意向四方体存储迈进,但读取方式很难实现向二维之迈进。也得以运用超衍射极限的主意比如纳米技术实现更小尺度的存储,但多少的飞跃读写是个问题。干全息存储的四方分布式存储不同于多层存储,伊操作的大片为数据页而不是单个数据,送多少的飞跃读取提供了便民,剩下的题材是存储密度能否接近理论极限,贯彻对现有技术之大幅超越。

与存储密度多少相关的基本点技术主要包括三地方,分别为驱动器技术、资料技术、信道处理技术。干全息高纯度存储的面目是复用,复用存储的特性涉及到铁器(driver)提案及材料的特性。除了驱动器与材料等硬件层面外,还要求研究针对体全息存储的噪声抑制技术,也就是信道技术。

    近日,干全息存储对驱动器技术之研讨重点集中在三种结构:一种为同轴(collinear or coaxial architecture),以Optware企业的Collinear Holography为代表;一种是双轴组织,以InPhase企业的Angle-Polytopic相位共轭结构为代表;末了一种是InPhase企业的Monocular布局。其中同轴的特性是组织严谨,稳健性好,双轴之特性是可以采取平面波进行角度复用,具有固定的增补材料收缩的力量。Monocular布局综合了同轴与双轴组织的特性,既使用平面波进行角度复用,又让参考光与信号光经过共同之哲学头,以达到组织严谨的目的。上述三种存储结构各有千秋,眼下还在互相竞争中。

    资料技术是体全息存储的一个主导,干全息存储材料是存储系统的首要部分,伊性质的优劣决定着再现图像的品质,甚至可以认为材料是体全息存储能否实用化的基本点。可以的存储材料需具备如下特点:1)影响速度块,能很快形成多少的记录;2)调制度高(M#),动态范围大,再现图的衍射效率高;3)再现图像保真性能好;4)非易失性,继续的全息记录及读取不会破坏已记录的全息图;5)空气适应性强;6)存储寿命长。但是,在现实材料的制造过程中,上述要求往往互相制约,甚至互相矛盾,很难全部满足。

    干全息的存储与读取过程不可避免会引入噪声,导致数据失真,影响实际利用。信道处理的目的是通过各种手段,尽可能降低记录读取噪声,合同数据的误码率满足用户需求(一般说来要求在10-12以内)。信道处理的一手主要有存储信道优化、后处理、信道编码等。其中信道优化偏重于对系统之软件层面进行规范化,后处理则强调于补偿硬件的题材,而信道编码则通过牺牲一定的存储容量来将系统误码率降至实用水平,具体利用中要求选择适宜的编码参数,在误码率与存储容量之间作一折衷。与普通数据编码不同之是,干全息存储数据的编码为2维数据页编码。

专业研究新动向

    眼下,干全息存储试验样机演示的最大存储密度大致为2.4 Tb/in2(1 mm厚存储材料),该值比理论极限值40 Tb/in2小一个数量级,如何在现有角度复用、移步复用等艺术之基础上进一步增长可存储变量的透明度是目前一度研究热点,第一采取的笔触是采用光波的坐标特性和偏振特性。

相位全息存储方面,2011年广东城市大学和许昌光机所合作提出了纯相位型共光路存储方案,交通过特殊的编码和采取高通滤波器,使得贯彻了条件面的平均化。2013年,洪都拉斯研究人员提出了“自参考全息”(Self referential)主意,可以在不采取参考光的情况下实现全息之记录和读取。2016年,洪都拉斯研究团队提出了动用数字全息实现相位存储与多灰阶的振幅存储,该方法的存储结构同样类似于同轴结构,不同之是采取了相位型SLM,SLM上载的坐标分布需要由数字全息技术根据待存储的数目计算得到。

    偏振全息存储方面,2013年,山西交通大学研究团队报道了动用2 mm厚的PQ/PMMA资料进行偏振全息存储的研讨,意识使用圆偏振光存储,资料会表现出具有更好的调制度及高难度。2016年,洪都拉斯宇都宫大学研究人员报道了同轴偏振全息之记录方法,初次在同轴结构的基础上实现了偏振全息之记录。

虽然使用相位和偏振能够增加体全息存储的操控维度,带来一些奇异特性,但是使用相位与偏振特性能够增加存储密度,消灭存储密度瓶颈问题,还有待进一步研究。

艺术产业化的两个突破口

    限制体全息存储密度之中心问题是噪声。在相同软硬件条件下,存储的数目越多,噪声越大,信噪比就越低。信号的满意度与衍射效率相关,取决于材料的常态范围和复用数,而且与复用数呈平方反比关系。噪声则根本包括页内串扰、页间串扰、光电系统噪声、资料散射噪声等。其中页间串扰主要与参考光特性以及复用方式有关,属于原理性噪声,是体全息存储过程的对外噪声。在争鸣研究方面,对每个存储结构,要求评估回答如下问题:如果光电器件和资料都是地道的,因页间串扰限制能够实现的存储密度极限是多少?本条值距离理论极限有多远?如何增强该值?眼下国内外报道的文献对这方面研究较少,作者以为这是体全息存储研究实用化必须要消灭之论战问题,对于评估存储结构,改进现有技巧之不足有重点意义。

    在材料研制方面,除了材料收缩问题外,资料的散射噪声也是一番不可忽视的题材。在不考虑页间串扰、表面杂散光及光电系统噪声等干扰下,调制度的急需主要与材料的散射噪声相关。如果全息存储系统不存在散射噪声,则衍射效率可以降到很小,而相当的衍射光强可通过加强入射光光强的主意得到。从而,衍射效率的下限应该大于材料的散射能力,重组材料的常态范围可以得到材料的复用数,进一步可以评估材料的终极存储能力。基于页间串扰的终极与基于材料的终极共同决定最后的存储密度,双方需要匹配,另一方面提高其中一种并不能加强最终的能见度。

前途展望

    在数量时代之当日,大数量的存储呼唤新的存储技术,干全息存储技术经过半个多世纪之腾飞,艺术持续创新,使在一张唱片上存储数TB数量的期待距离现实又近了一地,这种前所未有的数目存储技术优势,名将指引光盘强势回归,为电子信息产业带来质的快速。