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

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

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為什么使用全息圖進(jìn)行存儲?

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

在1960 年代初，寶利來公司研究人員Pieter J. van Heerden首次提出全息數(shù)據(jù)存儲，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)隊成功展示該技術(shù)的潛力。寶麗來分拆的Aprilis和貝爾實驗室分拆的InPhase Technologies帶來兩項突出的成果。這兩家公司都試圖將全息存儲推向市場。然而，最終都沒有取得商業(yè)上的成功。Dow Corning收購了Aprilis，而InPhase最終申請破產(chǎn)。

還有很多其他努力，但都沒能扭轉(zhuǎn)全息數(shù)據(jù)存儲的形勢。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)來支持一次寫入多次讀取 (WORM) 操作，但全息存儲面對的是更成熟的技術(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，對云計算的依賴增加，帶來可擴展的存儲和廣泛的流媒體功能。

盡管有這些趨勢，對創(chuàng)新存儲平臺的需求仍在繼續(xù)增長。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)計經(jīng)濟的方式來存儲這些數(shù)據(jù)，并滿足其必要的性能、可用​​性和持久性要求。

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

Project HSD計劃采用全息存儲

為了幫助滿足未來的存儲需求，微軟推出了Project Holographic Storage Device (HSD)計劃，這是一項重新審視全息技術(shù)的合作研究工作，但這次的想法是提供云級存儲來支持暖數(shù)據(jù)。

Project HSD計劃屬于微軟研究實驗室的Optics for the Cloud group小組，該實驗室位于英國劍橋。該小組的另一項努力是 Project Silica，該計劃嘗試使用晶體來提供長期檔案存儲。但是，Project Silica僅關(guān)注WORM操作，例如全息數(shù)據(jù)存儲的傳統(tǒng)方法。Project HSD使擦除和重寫數(shù)據(jù)成為可能，并將提供更快的讀寫吞吐量。

根據(jù)微軟的說法，該項目的目的是“設(shè)計既高性能又經(jīng)濟高效的無機械運動、高耐用性的云存儲。”微軟還表示，該項目已經(jīng)實現(xiàn)比早期體積全息數(shù)據(jù)存儲高1.8倍的密度。該團(tuán)隊致力于進(jìn)一步提高密度并實現(xiàn)更快的訪問速度。

為了幫助實現(xiàn)這些目標(biāo)，Project HSD使用了商品組件，例如當(dāng)今智能手機中的高分辨率相機和顯示屏。該項目還使用機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)來進(jìn)一步提高精度和性能。因此，該團(tuán)隊已經(jīng)降低光學(xué)失真和制造公差要求。他們使用軟件在運行時補償和校準(zhǔn)系統(tǒng)。

Project HSD用于存儲介質(zhì)的材料也使其與其他全息數(shù)據(jù)存儲區(qū)分開來。很多其他項目使用聚合物來存儲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將全息圖存儲在電光晶體材料中。該項目將每個全息圖存儲為電子密度分布中的空間變化，它可以通過將介質(zhì)暴露在特定波長的光下來改變。全息圖也可以通過將晶體材料暴露在紫外線下來擦除。

盡管微軟背離傳統(tǒng)的全息存儲，但讀寫數(shù)據(jù)的基本方法差不多。存儲過程首先將激光束分成兩個信號。光束之一將數(shù)據(jù)傳送到存儲介質(zhì)。承載數(shù)據(jù)的光束(也稱為數(shù)據(jù)、對象或信號光束)通過稱為特殊光調(diào)制器的設(shè)備，然后在對應(yīng)于二進(jìn)制1和0的點處通過或阻擋光。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。該光束不通過光調(diào)制器，而是從反射鏡上反彈并重新定向到存儲介質(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。

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

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

全息數(shù)據(jù)存儲的用例

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

傳統(tǒng)的全息存儲方法側(cè)重于數(shù)據(jù)歸檔和支持WORK操作。而Project HSD的目標(biāo)是支持讀取和寫入操作的暖數(shù)據(jù)，這可以使云計算提供商和企業(yè)數(shù)據(jù)中心受益。暖數(shù)據(jù)的訪問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)，并且很少實時維護(hù)，盡管它通常需要更高的可擴展性。性能要求可能會有所不同，具體取決于所支持的工作負(fù)載。

全息數(shù)據(jù)存儲有望以一種經(jīng)濟高效且及時的方式來回答特定的業(yè)務(wù)問題。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)倉庫、大數(shù)據(jù)分析以及結(jié)合預(yù)測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告(例如每周呼叫中心統(tǒng)計數(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)存儲中受益。全息存儲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。

我們離全息存儲還有多遠(yuǎn)?

盡管全息存儲很有前景，但從研究階段到企業(yè)可以購買商業(yè)產(chǎn)品還有很長的路要走。制造商必須為構(gòu)建存儲設(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齊。此外，大多數(shù)關(guān)于HSD項目的研究都集中在單個區(qū)域的寫入和讀取上。該團(tuán)隊仍然面臨著跨多個區(qū)域提供相同性能水平的挑戰(zhàn)。另一個問題是確保無意中暴露在紫外線下而不會擦除數(shù)據(jù)。

由于全息數(shù)據(jù)存儲是一項開始有很多錯誤的技術(shù)，因此我們并不奇怪看到，微軟避免對該技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用做出預(yù)測。與此同時，還有很多其他的存儲努力，從存儲類內(nèi)存到DNA存儲等。