全息数据存储：下一件大事还是？
全息数据存储已经讨论了几十年。它曾经被认为是下一代光存储，它承诺比现在的蓝光光盘具有更高的密度和访问速度。
多年来，很多研究团队试图构建全息系统，以满足不断增长的数据存储需求。然而，除偶尔的原型外，这些团队几乎没有取得什么具体成果。但是，他们的努力并没有白费。微软通过Project HSD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云规模存储。
为什么使用全息图进行存储？
全息存储（有时也称为3D存储）是一种体积存储系统，它使用激光读取和写入数据，类似于其他光存储。但是，CD、DVD和硬盘等介质只能在介质表面存储数据，将其容量限制为二维存储。而全息存储可使用整个卷，这使得可以在更小的空间中存储更多的数据，并提高数据的写入和读取速度。
在1960 年代初，宝利来公司研究人员Pieter J. van Heerden首次提出全息数据存储，这是在激光发明的不久后。到2000年代初，工业界和学术界的研究团队成功展示该技术的潜力。宝丽来分拆的Aprilis和贝尔实验室分拆的InPhase Technologies带来两项突出的成果。这两家公司都试图将全息存储推向市场。然而，最终都没有取得商业上的成功。Dow Corning收购了Aprilis，而InPhase最终申请破产。
还有很多其他努力，但都没能扭转全息数据存储的形势。大多数这些尝试都集中在使用类似于CD或DVD的循环介质来支持一次写入多次读取 (WORM) 操作，但全息存储面对的是更成熟的技术-这些技术本身也已经取得进步。
例如，HDD变得更快、更密集，而SSD变得更便宜、更耐用。与此同时，对云计算的依赖增加，带来可扩展的存储和广泛的流媒体功能。
尽管有这些趋势，对创新存储平台的需求仍在继续增长。据微软称，到2024年，全球每年将产生125泽字节的数据。企业和云服务提供商必须设计经济的方式来存储这些数据，并满足其必要的性能、可用性和持久性要求。
当前的存储技术不足以维护如此大量的数据。例如，HDD受其机械性质的限制。SSD的大规模部署仍然相对昂贵，并且并不总是提供必要的耐用性。
Project HSD计划采用全息存储
为了帮助满足未来的存储需求，微软推出了Project Holographic Storage Device (HSD)计划，这是一项重新审视全息技术的合作研究工作，但这次的想法是提供云级存储来支持暖数据。
Project HSD计划属于微软研究实验室的Optics for the Cloud group小组，该实验室位于英国剑桥。该小组的另一项努力是 Project Silica，该计划尝试使用晶体来提供长期档案存储。但是，Project Silica仅关注WORM操作，例如全息数据存储的传统方法。Project HSD使擦除和重写数据成为可能，并将提供更快的读写吞吐量。
根据微软的说法，该项目的目的是“设计既高性能又经济高效的无机械运动、高耐用性的云存储。”微软还表示，该项目已经实现比早期体积全息数据存储高1.8倍的密度。该团队致力于进一步提高密度并实现更快的访问速度。
为了帮助实现这些目标，Project HSD使用了商品组件，例如当今智能手机中的高分辨率相机和显示屏。该项目还使用机器学习和深度学习来进一步提高精度和性能。因此，该团队已经降低光学失真和制造公差要求。他们使用软件在运行时补偿和校准系统。
Project HSD用于存储介质的材料也使其与其他全息数据存储区分开来。很多其他项目使用聚合物来存储材料中的永久性变化，这就是它们仅限于WORM操作的原因。
相比之下，Project HSD将全息图存储在电光晶体材料中。该项目将每个全息图存储为电子密度分布中的空间变化，它可以通过将介质暴露在特定波长的光下来改变。全息图也可以通过将晶体材料暴露在紫外线下来擦除。
尽管微软背离传统的全息存储，但读写数据的基本方法差不多。存储过程首先将激光束分成两个信号。光束之一将数据传送到存储介质。承载数据的光束（也称为数据、对象或信号光束）通过称为特殊光调制器的设备，然后在对应于二进制1和0的点处通过或阻挡光。调制后的数据束然后继续到达晶体材料。
第二光束被称为参考光束。该光束不通过光调制器，而是从反射镜上反弹并重新定向到存储介质，在那里它与数据光束相交以在光学材料中产生3D干涉图样。
该图案形成一个微小的全息图，代表单个数据页，可以容纳数百千字节的数据。数据页在光学材料中占据很小的体积或区域。一个区域可以包含多个页面，而存储介质可以包含多个区域。
全息存储设备通过从存储介质中的全息图衍射参考光束来读取数据。此操作不需要数据束。相机捕获衍射图像，这使得重建原始数据页成为可能。全息存储系统可以通过改变参考光束的角度来读取不同的全息图，或者可以用紫外线擦除全息图，从而可以重写数据。
全息数据存储的用例
在使用晶体材料时，Project HSD利用了光学中固有的平行性。它使数据能够并行写入和读取存储介质，从而提高整体吞吐量。该项目的方法还需要更少的机械部件，例如硬盘驱动器中的机械部件。相反，它限制移动以重新调整激光束的角度；所有其他组件保持固定。此外，全息存储可以使用介质的整个体积，而不仅仅是其表面，这可提供比当前类型的光存储更高的密度。
传统的全息存储方法侧重于数据归档和支持WORK操作。而Project HSD的目标是支持读取和写入操作的暖数据，这可以使云计算提供商和企业数据中心受益。暖数据的访问和更新频率通常低于支持重要业务应用程序的数据，并且很少实时维护，尽管它通常需要更高的可扩展性。性能要求可能会有所不同，具体取决于所支持的工作负载。
全息数据存储有望以一种经济高效且及时的方式来回答特定的业务问题。其快速读取性能和更新数据的能力使其非常适合数据仓库、大数据分析以及结合预测分析或人工智能等先进技术的应用。
那些需要生成定期报告（例如每周呼叫中心统计数据或每月销售数据）的企业可以从全息数据存储中受益。全息存储还可以支持不太重要的操作，例如为支持人员提供帮助客户所需的背景信息。
我们离全息存储还有多远？
尽管全息存储很有前景，但从研究阶段到企业可以购买商业产品还有很长的路要走。制造商必须为构建存储设备设置全新的环境，这将需要高度的精度以确保组件间的正确对齐。此外，大多数关于HSD项目的研究都集中在单个区域的写入和读取上。该团队仍然面临着跨多个区域提供相同性能水平的挑战。另一个问题是确保无意中暴露在紫外线下而不会擦除数据。
由于全息数据存储是一项开始有很多错误的技术，因此我们并不奇怪看到，微软避免对该技术的商业应用做出预测。与此同时，还有很多其他的存储努力，从存储类内存到DNA存储等。
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