全息存储：名气大于实力的存储技术？

全息存储和玻璃存储、DNA存储并称当前三大数据存储前沿技术，笔者前面已经写过玻璃存储和DNA存储的文章（参见《玻璃存储，数字时代的罗塞塔石碑》、《DNA存储：数据存储的终极解决之道》），自然也不能缺了全息存储。

事实上，全息存储在这前沿存储三兄弟中资格最老、曾经名气最大，但现在给人的感觉却是英雄落寞、美人迟暮，究竟是什么原因呢？曾经威震存储江湖半个世纪的全息存储技术真的仅仅是一项名气大于实力的技术吗？

01 前沿存储技术

说到前沿存储技术，最让人佩服的还是微软研究院，不管是玻璃存储、全息存储还是DNA存储，人家都有专家团队在进行潜心研究和科技攻关，最终不管是哪一条技术路线取得突破，他们永远是赢家！在介绍玻璃存储和DNA存储时我们就引用了微软研究院的研究项目，全息存储也不例外：

2021年的相关资料显示，微软正在通过Project HSD（Holographic Storage Device）项目为全息存储注入新的活力，Project HSD是微软剑桥研究院和Microsoft Azure的合作项目，其目标是将全息技术应用于Azure云存储，如果获得成功，这将是全息存储在云存储领域的一项重要突破，当然前面的路还很长。

02 全息存储研究进展

在现有常见信息记录方法中，磁、光、电等存储技术均采用二维表面存储方式，其存储密度受限于存储点的尺寸。随着技术的不断发展，目前该尺寸已逐渐趋近其技术极限，进一步提高存储密度将面临极大的技术挑战。而全息存储以光波作为载体，具有振幅、偏振、相位等多个特征参量，以及将二维表面存储发展为多维高密度存储的潜在优势，有望突破现有存储技术的不足，满足当今信息时代对海量数据存储的需求。

简单来说，现有常见的HD硬磁盘、DVD/BD光盘、SSD固态硬盘都是二维平面存储方式，而全息存储是三维甚至多维立体存储方式。大家可以想象一下，从平面到立体，这其中存储容量的扩展有多大，绝对不止一个数量级！就凭这一点足以让全息存储跻身三大前沿存储技术之列。

全息术本质上是一种光波记录方法，将全息术用于数据存储的设想最早由美国科学家Pieter J. van Heerden于1963年提出，该技术利用的是“体”而不是“面”来存储数据，对材料的利用比现今广泛采用的面存储多出了一个尺寸维度，有显著提高存储容量的潜力，从而掀起了体全息存储技术的研究热潮。但是由于当时缺乏理想的存储材料和光电输入输出设备，进展缓慢，并未能研制出相应的系统。进入20世纪90年代，全息存储系统中的器件、材料、复用方法、寻址技术、信道技术等都取得了飞速进展，人们普遍认为体全息存储技术实用化的时代已经到来，国内外很多研究机构纷纷投入大量人力物力开展研究。这也是笔者为什么说全息存储曾经是资格最老、名气最大的前沿存储技术的原因。

进入21世纪，全息存储技术逐步走出了实验室研究阶段，开始迈向实用化和商用化。在巨大的市场推动和需求牵引下，通用、索尼、日立等大公司纷纷开展体全息商用化的研究，美、日等国也先后出现了以全息存储为核心技术的商业化公司，如美国的InPhase公司（于2004年推出全息存储系统样机Tapestry），日本的Optware公司（于2004年推出了Collinear Holography全息存储系统）等，先后推出了原理样机。但仅此而已，相关产品和系统并没有得到实质性的应用，甚至InPhase公司由于经营不善已经被其他公司收购。

国内研究全息存储名气最大的应该要数广东紫晶信息存储技术股份有限公司（股票代码：紫晶存储688086），在今年3月发布的一篇报道《紫晶存储加快关键技术研发推动全息光存储实现新进展》中该公司宣称“在紫晶存储最新的全息光存储原型机设备中，采用了‘球面波离轴单臂光路系统’。该系统采用球面波作为参考光构建离轴光路，可以在实现球面波移位复用的同时通过改变介质与入射面的夹角进行交叉复用，能够极大的提升单位面积上容纳的全息图数量，提高数据密度”。原型机示意如下图所示：

只可惜到目前为止，笔者依然没有找到任何一款已经实际投入使用的全息存储设备或者系统，也没有找到相关的报道。

03 全息存储原理和特点

全息存储的技术原理并不复杂，与全息照相原理类似，涉及两个过程和两路光波：两个过程为干涉记录与衍射读取，两路光波为参考光和信号光。记录时，参考光与信号光在存储介质中相遇并发生干涉，光场同时与存储介质发生作用，改变介质的光学性质，比如折射率分布，从而将信号光的信息以体全息光栅的方式记录在介质中。信号光可以用空间光调制器（SLM）把需要存储的数据页（Data Page）或图片编码调制在光场中。如下图所示：

读取时，利用之前记录的参考光照射存储介质，由于体全息光栅的衍射效应，在原信号光方向再现出信号光，由CCD或CMOS图像传感器等光电探测器完成数据的读取。如下图所示：

全息存储技术有两个显著特点：体式存储与并行读写。

体式存储是指数据以体全息光栅的形式存储在介质的一定体积内。利用体光栅的布拉格选择性，可以将多组数据记录在存储材料的同一位置，实现数据的高密度存储，其理论体存储密度可达量级（其中λ为记录光波波长）。对于1mm厚的材料，其等效面存储密度可达7.75GB/mm²，折算到一张普通光盘大小（厚度1mm，有效记录面积约为113 cm²），全息光盘的理论数据存储量可达80TB以上，是现有大容量蓝光光盘存储容量的100倍以上。

并行读写是指信息以数据页为单位进行读写，因而可具有极高的数据传输率，其极限值主要由电光/光电转换器件（SLM及CCD）来决定，数据传输率将有望达到1GB/s。

04 全息存储技术难点

说起来，全息存储技术经过半个多世纪的发展，一直被认为是下一代存储技术的主角，相关的研究工作至今依然十分活跃，技术创新持续不断，是时候走到商用化的门口了吧？但理想很丰满，现实很骨感，由于体全息三维存储的独特性，需要克服的技术难度依然很大，现有技术水平距其理论极限水平还有不小的距离，离商用落地始终处于无限接近但就是不能达到的状态。

全息存储的三维分布式存储不同于传统多层平面存储，其操作的单元为数据页而不是单个数据，给数据的快速读取提供了便利，但问题是存储密度能否接近理论极限，能否实现对现有技术的大幅超越依然存在很大的不确定性。限制全息存储密度的核心问题是噪声。在相同软硬件条件下，存储的数据越多，噪声就越大，信噪比就越低。噪声主要包括页内串扰、页间串扰、光电系统噪声、材料散射噪声等。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，是全息存储过程的内在噪声。在理论研究方面，对每种存储结构，需要评估回答如下问题：如果光电器件和材料都是理想的，因页间串扰限制能够实现的存储密度极限是多少? 这个值距离理论极限有多远? 如何提高该值? 可以说，每一个问题都是灵魂拷问。

另外，在材料研制方面，除了材料收缩问题外，材料的散射噪声也是一个不可忽视的问题。在不考虑页间串扰、外部杂散光及光电系统噪声等干扰下，调制度的需求主要与材料的散射噪声相关，散射噪声越大，同等条件下需要的调制度越高。衍射效率的下限应该大于材料的散射能力，结合材料的动态范围可以得到材料的复用数，进一步可以评估材料的极限存储能力。基于页间串扰的极限与基于材料的极限共同决定最后的存储密度，两者需要匹配，单方面提高其中一种并不能提高最终的密度。

05 三大数据存储前沿技术比较

实事求是地讲，在玻璃存储、全息存储和DNA存储这前沿存储三兄弟中，笔者最不看好的就是全息存储，撇开成本因素（由于三项技术目前都不成熟，成本肯定是高的，现阶段比较成本没有意义），我们可以从存储容量、存储时间、读写速度、技术稳定性四方面来比较一下。

存储容量显然DNA存储最厉害（EB级），玻璃存储和全息存储差不多量级（TB级），即：

存储容量：

DNA存储 >> 玻璃存储 ≈ 全息存储

存储时间是DNA存储和玻璃存储处于同一量级（上万年），远远超过全息存储（和蓝光光盘相当，几十年），即：

存储时间：

DNA存储 ≈ 玻璃存储 >> 全息存储

读写速度方面目前全息存储有优势（MB级），玻璃存储和DNA存储都很慢（KB级），即：

读写速度：

全息存储 >> 玻璃存储 ≈ DNA存储

由于技术不成熟，稳定性不太好比较，但总体而言，玻璃存储相对稳定，DNA存储和全息存储目前的稳定性都不佳：

技术稳定性：

玻璃存储 >> DNA存储 ≈ 全息存储

从以上的比较可以看出，虽然经过了半个多世纪的发展，但目前全息存储技术除了在读写速度方面有优势之外，其余指标全面落后，至少说明全息存储技术的发展存在明显的技术瓶颈，在这么长的发展周期中都没有实现突破，短期之内要取得重大突破存在很大的疑问。当然其他两项技术的突破难度也不小，这我想也是微软研究院为什么同时在三个方向上进行布局的原因。至于“全息存储是不是名气大于实力的存储技术”，这个问题笔者不做回答，留给读者去思考吧！

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