全息數據存儲已經討論了幾十年。它曾經被認為是下一代光存儲，它承諾比現在的藍光光盤具有更高的密度和訪問速度。

多年來，很多研究團隊試圖構建全息系統，以滿足不斷增長的數據存儲需求。然而，除偶爾的原型外，這些團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，其目標是將全息技術應用于云規模存儲。

[[438820]]

為什么使用全息圖進行存儲?

全息存儲(有時也稱為3D存儲)是一種體積存儲系統，它使用激光讀取和寫入數據，類似于其他光存儲。但是，CD、DVD和硬盤等介質只能在介質表面存儲數據，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據，并提高數據的寫入和讀取速度。

在1960 年代初，寶利來公司研究人員Pieter J. van Heerden首次提出全息數據存儲，這是在激光發明的不久后。到2000年代初，工業界和學術界的研究團隊成功展示該技術的潛力。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上的成功。Dow Corning收購了Aprilis，而InPhase最終申請破產。

還有很多其他努力，但都沒能扭轉全息數據存儲的形勢。大多數這些嘗試都集中在使用類似于CD或DVD的循環介質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-這些技術本身也已經取得進步。

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，對創新存儲平臺的需求仍在繼續增長。據微軟稱，到2024年，全球每年將產生125澤字節的數據。企業和云服務提供商必須設計經濟的方式來存儲這些數據，并滿足其必要的性能、可用​​性和持久性要求。

當前的存儲技術不足以維護如此大量的數據。例如，HDD受其機械性質的限制。SSD的大規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據。

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僅關注WORM操作，例如全息數據存儲的傳統方法。Project HSD使擦除和重寫數據成為可能，并將提供更快的讀寫吞吐量。

根據微軟的說法，該項目的目的是“設計既高性能又經濟高效的無機械運動、高耐用性的云存儲。”微軟還表示，該項目已經實現比早期體積全息數據存儲高1.8倍的密度。該團隊致力于進一步提高密度并實現更快的訪問速度。

為了幫助實現這些目標，Project HSD使用了商品組件，例如當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習和深度學習來進一步提高精度和性能。因此，該團隊已經降低光學失真和制造公差要求。他們使用軟件在運行時補償和校準系統。

Project HSD用于存儲介質的材料也使其與其他全息數據存儲區分開來。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。

盡管微軟背離傳統的全息存儲，但讀寫數據的基本方法差不多。存儲過程首先將激光束分成兩個信號。光束之一將數據傳送到存儲介質。承載數據的光束(也稱為數據、對象或信號光束)通過稱為特殊光調制器的設備，然后在對應于二進制1和0的點處通過或阻擋光。調制后的數據束然后繼續到達晶體材料。

第二光束被稱為參考光束。該光束不通過光調制器，而是從反射鏡上反彈并重新定向到存儲介質，在那里它與數據光束相交以在光學材料中產生3D干涉圖樣。

該圖案形成一個微小的全息圖，代表單個數據頁，可以容納數百千字節的數據。數據頁在光學材料中占據很小的體積或區域。一個區域可以包含多個頁面，而存儲介質可以包含多個區域。

全息存儲設備通過從存儲介質中的全息圖衍射參考光束來讀取數據。此操作不需要數據束。相機捕獲衍射圖像，這使得重建原始數據頁成為可能。全息存儲系統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，從而可以重寫數據。

全息數據存儲的用例

在使用晶體材料時，Project HSD利用了光學中固有的平行性。它使數據能夠并行寫入和讀取存儲介質，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，例如硬盤驅動器中的機械部件。相反，它限制移動以重新調整激光束的角度;所有其他組件保持固定。此外，全息存儲可以使用介質的整個體積，而不僅僅是其表面，這可提供比當前類型的光存儲更高的密度。

傳統的全息存儲方法側重于數據歸檔和支持WORK操作。而Project HSD的目標是支持讀取和寫入操作的暖數據，這可以使云計算提供商和企業數據中心受益。暖數據的訪問和更新頻率通常低于支持重要業務應用程序的數據，并且很少實時維護，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載。

全息數據存儲有望以一種經濟高效且及時的方式來回答特定的業務問題。其快速讀取性能和更新數據的能力使其非常適合數據倉庫、大數據分析以及結合預測分析或人工智能等先進技術的應用。

那些需要生成定期報告(例如每周呼叫中心統計數據或每月銷售數據)的企業可以從全息數據存儲中受益。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?

盡管全息存儲很有前景，但從研究階段到企業可以購買商業產品還有很長的路要走。制造商必須為構建存儲設備設置全新的環境，這將需要高度的精度以確保組件間的正確對齊。此外，大多數關于HSD項目的研究都集中在單個區域的寫入和讀取上。該團隊仍然面臨著跨多個區域提供相同性能水平的挑戰。另一個問題是確保無意中暴露在紫外線下而不會擦除數據。

由于全息數據存儲是一項開始有很多錯誤的技術，因此我們并不奇怪看到，微軟避免對該技術的商業應用做出預測。與此同時，還有很多其他的存儲努力，從存儲類內存到DNA存儲等。