在今天的計算機系統中，磁存儲和光存儲是我們記錄數據的兩大主要手段，近兩年這兩大領域都有較大的發展，如垂直記錄技術成為硬盤發展的新方向，藍光DVD和HD DVD讓HDTV離我們越來越近。不過，容量更高、速度更快、可靠性更強是我們永遠的目標，現有磁存儲和光存儲技術始終無法克服機械結構所帶來的容量/性能提升緩慢、可靠性不佳的缺陷。最近，一種名為全息存儲的新技術引起了人們的廣泛關注，據說采用這種技術后，一塊方糖大小的立方體可以存儲高達1TB的數據。全息存儲技術真的有這么神奇嗎？
什么是全息存儲技術
全息存儲（Holographic Memory）是利用全息照相的原理來實現數據的記錄。這一概念是Dennis Gabor在1984年為提高電子顯微鏡的分辨率而提出的（注：全息表示物體發出光波的全部信息，例如振幅、強度、相位等）。全息存儲技術的最大優點就是超高密度，例如，我們可以在一個糖塊大小的特殊立方體中存儲超過1TB（1TB=1024GB）大小的數據，這相當于1500張CD光盤的數據總和。不僅如此，全息存儲技術還具有極大的提升潛力，只要控制芯片具有足夠強的數據處理能力，全息存儲技術甚至可以提供高達1000TB的容量。相比之下，目前硬盤的最大容量才750GB，這個容量只相當于全息存儲技術的“立方體糖塊”的一個小碎片所提供的存儲能力。
全息照相技術原理
我們知道，傳統照相技術是利用光照引起感光乳膠發生化學變化的原理來記錄影像，感光乳膠的化學變化強度和入射光波的強度一一對應。換句話說，我們在拍照時只是記錄了圖像的光強信息，我們所得到的照片不管成像多么清晰、多么逼真，景象都是平面（二維）的。而全息照相就突破了這種限制，它利用光的干涉原理和特殊的感光材料，不僅可以記錄被攝物體發射或透射光波強度的信息，還能將光波的相位精確地保存下來，從而獲得真實的立體圖像。
用于全息照相的拍攝設備并不是普通相機，而是一臺激光器。該激光器產生的激光束被分光鏡一分為二，其中一束直接照射到被拍攝的物體（形成的反射光稱為“物光”），另一束直接照射到感光膠片上（稱為“參考光”），物光和參考光最終會在感光膠片中相遇，這兩種光的波長相同，只是相位有差異，因此它們在感光膠片上相遇時會產生干涉現象。
根據物理學知識可知，當兩束相干光疊加時，就會產生相干圖紋，這時我們將記錄介質放在相干圖紋中，就可以記錄下相干信息（注意：此時記錄的是兩束光的共同信息）。雖然參考光沒含有任何信息，但它的作用非常關鍵，因為有了這束參考光，我們就可以在介質上記錄下完整的光束信息，包括相位信息。
接下來我們再來看看怎樣將剛才記錄的信息還原。相對于記錄來說，還原要簡單一些，我們只須借助一束參考光從一定角度照射全息照片，眼前就會出現非常逼真的立體場景。而且參考光所照射的角度不同，呈現在我們面前的立體圖形側面場景也將不同。注意，此處的參考光是與記錄時完全相同的一束光。
全息存儲系統如何運作
與全息照相技術一樣，全息存儲技術也需要激光束的幫忙。全息存儲在寫入數據的時候，通過分光鏡將一束激光分成兩束，這樣就可以保證兩束光是相干光。當物光通過一個名為SLM（Spatial Light Modulator，立體光調制器）的裝置時，SLM會將二進制數據以二維的方式調制在物光上，然后物光就會帶上我們所要儲存的信息，在記錄介質處與參考光相干形成相干圖紋，當這些圖紋被存儲材料捕獲并以全息圖像的方式固定后，就完成了數據的記錄工作。
而在讀取數據時，一束與寫數據時波長相同的參考光照射到存儲材料中保存的全息圖像，由于衍射作用，全息圖像產生散射激光，這束包含調制信息的激光再經由一組透鏡后聚焦到CCD傳感器，由于 CCD的分辨率與SLM的分辨率相同，這樣前者就能將調制光信號轉換為相應的電信號，經過放大處理后再交由專門的信號處理器進行解調，這樣數據就被完整地還原了。
在全息存儲存儲系統中，讀寫操作的基本單位是“數據頁（Page）”。數據頁和常規的線性結構不一樣，它是以二維平面的形式存在（如640×640bit、1024×1024bit等），數據頁的大小由SLM光信號調制器和 CCD傳感器共同決定。SLM負責將原始數據轉變為二維結構的矩陣，而CCD的分辨率必須與SLM的相同，這樣它才能將光信號轉變為對應格式的電信號加以解調還原。也就是說，全息存儲系統是以頁面為單位來讀寫數據。只要SLM的運算速度夠快、CCD分辨率夠高，數據頁面的尺寸就可以不斷增加。相比之下，現有磁存儲或光存儲一次只能操作1bit數據的讀寫速度那就太慢了，全息存儲技術完成一次讀寫操作的速度相當于磁存儲/光存儲的數百萬倍。據專家預計，一旦全息存儲系統成熟，其數據讀寫速度可以達到驚人的10GB/s!
最后我們來看看全息存儲為什么具有“海量”的容量。通過全息存儲系統，我們可以改變光束與介質的入射角度，這樣一來，相干疊加產生的圖紋便會不同。因為相位是描述光的一個量，所以這些不同的圖紋將與光束的相位信息緊緊地聯系在一起！而相位又是由入射角決定的，因此我們可以通過在同一塊存儲介質上從不同的角度射入含有不同信息的光束，達到信息間的獨立儲存。換言之，介質上的任何一塊區域都是一只很大的“盒子”，我們可以將東西一層一層地放進去，而不會破壞其中任一層上的數據，在不考慮分辨率的情況下，這個盒子可以是無限大的！我們還可以通過激光器或其他設備來改變光的波長，這樣便可實現在同一塊介質區域上儲存不同的信息！從官方公布的數據我們可以看到全息存儲技術的優勢：在郵票大小的存儲介質上可儲存10GB數據，而一張CD大小的介質容量更達到150GB!
全息存儲的產品化步伐
盡管全息存儲技術尚未步入應用階段，但它的光明前景毋庸置疑，未來10年它將取代目前磁存儲和光存儲的主流地位。面對如此誘人的一塊大蛋糕，全息存儲技術領域的各大廠商早已摩拳擦掌，而在這一爭奪戰中，美國的InPhase公司和日本的Optware公司扮演了先行者的角色。
1.Optware——實用化的領先者
早在2003年的ODS（光存儲系統會議）會議上，Optware就向外界公布了對全息光盤的測試數據。在測試過程中Optware首次使用了能夠商用化的全息存儲系統。進入2004年，Optware便將這套系統命名為HVD（Holographic Versatile Disc，全息通用光盤）。根據HVD的最新標準，使用全息記錄技術的HVD光盤（直徑為12cm）的容量可提升至1TB，這將是目前DVD標準容量 （4.7GB）的200倍。而且在數據傳輸率方面，也將到達1GB/s，遠高于現有的硬盤水平，是目前DVD主流速度（16×，約22MB/s）的40 倍。Optware表示未來還可進一步提升HVD的存儲容量和速度。
Optware的全息產品廣泛應用了一種稱為同線全息存儲技術的關鍵（實際上就是在一個光束中整合了一束參考激光與一束信號激光）。借助這項技術，Optware可以大大簡化全息成像系統的設計難度和體積，并進一步實現HVD驅動器與DVD和CD的兼容。
現階段Optware已經開始向商業用戶銷售200GB容量HVD產品，并表示在短期內還將把存儲容量提升到1TB。不過，初期HVD產品的售價也高得驚人——一部HVD驅動器的價格在2萬美元左右，每張光盤的成本則為100美元！不過，隨著技術的成熟和生產規模不斷擴大，到2007年以后，HVD驅動器的成本會迅速下降。
2.InPhase——高容量的追求者
相對于Optware快速的全息商品化步伐，來自美國的InPhase公司也毫不示弱。在2005年4月的NAB2005展會上，InPhase公司首次展出了其商品化的全息驅動器。相對于HVD來說，InPhase的產品被稱作全息卡可能更為合適。HVD的外形和一張DVD無異，但是InPhase的全息光盤產品則在光盤外面多了個長方形的保護盒，使得產品的外觀和我們曾經使用的MO有幾分相似。
為了和Optware一較高下，在2005年4月的展會上，InPhase就聯合萬勝公司拿出了單次可寫入的全息光盤產品。相對于 Optware在實現寫入方面遇到的困難，InPhase似乎有更多的優勢。在實現寫入的同時，InPhase還同時將旗下全息光盤的存儲密度提升到 200Gbit/平方英寸。這一存儲密度已經超過了包含硬盤在內的現有存儲介質。而在此密度下，InPhase推出的第一代全息存儲設備單光盤的容量成功地達到了300GB，比Optware第一代產品多出了整整100GB。盡管容量提升，但InPhase的全息方案在讀取速度方面卻遇到了一些困擾。數據傳輸速度目前在投產時將達到160Mb/s（即20MB/s）左右。
盡管有比較明顯的容量領先優勢，但InPhase沒有停止在容量方面的探索。2006年3月27日，InPhase宣布成功進行了存儲密度達 515Gbit/平方英寸的全息光存儲演示，這意味著InPhase可以在12cm的光盤上實現超過1.6TB的存儲容量。要知道目前最高容量硬盤的存儲密度也僅為214Gbit/平方英寸。
總結
全息存儲技術盡管擁有容量大、速度快等近乎完美的特性。但全息技術的發展卻并非一帆風順。全息技術要面對的頭號挑戰就是信號的干擾問題。由于全息采用的是用激光曝光光盤上的圖像，然后用物鏡捕捉進行解碼。這樣的工作原理，就導致了全息驅動器對于光的干涉和其他噪音的干擾非常敏感。現階段，無論是 Optware還是InPhase都不得不通過更為復雜的糾錯和編碼方式來保證數據的準確性。這種做法的“副作用”就是全息存儲驅動器的讀寫速度無法提升。按照22MB/s的讀寫速度，要寫滿一張1TB容量的全息光盤所耗費的時間實在驚人。
全息存儲遇到的第二個難題就是對震動和溫度特性相當敏感。在全息驅動器工作時，一點點的震動就會導致全息成像出現偏差。與此同時，全息驅動器依然需要主軸電機旋轉光盤來讀取數據，光盤的旋轉不可避免地會帶來震動。因此全息驅動器必須擁有更為復雜的避震系統和更為龐大的體積。這也是全息驅動器成本居高不下的重要原因之一。
盡管面對眾多的困難，但全息存儲技術必將會在信息量迅猛增長的未來扮演舉足輕重的角色。許多光存儲業界廠商都認為，由于全息存儲技術的突飛猛進，藍光光盤的市場壽命很可能會因此而縮短。
