走在光存儲(chǔ)技術(shù)研究前沿

徐強(qiáng)

大數(shù)據(jù)時(shí)代到來(lái)，數(shù)據(jù)分析成為關(guān)注的焦點(diǎn)，同樣重要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卻顯得沉默很多。而根據(jù)美國(guó)IDC公司統(tǒng)計(jì)，2010年在世界范圍內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量約是1ZB （=109TB），2020年將要超過(guò)40ZB，海量數(shù)據(jù)的高效率低能耗超長(zhǎng)期保存已成為目前信息領(lǐng)域的重大需求。本文的主角北京理工大學(xué)譚小地教授，目前從事的正是這方面最前沿的研究——全息光存儲(chǔ)。

實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展的跨越

據(jù)譚小地教授介紹，隨著云間數(shù)據(jù)中心（Cloud Data Center）服務(wù)的不斷普及和發(fā)展，對(duì)高容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和高速率數(shù)據(jù)提取的需求擴(kuò)大將是這一領(lǐng)域的必然趨勢(shì)。雖然已經(jīng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，但目前主流的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式仍然依賴磁存儲(chǔ)技術(shù)，這其中硬盤可靠保存時(shí)間僅為5年，作為數(shù)據(jù)備份和歸檔存儲(chǔ)的磁帶壽命也只有10年，至少每3年左右要轉(zhuǎn)存一次以防止磁帶發(fā)霉和粘連等原因而造成的數(shù)據(jù)丟失，且僅能用于數(shù)據(jù)備份，不能用于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取。基于磁存儲(chǔ)機(jī)制的存儲(chǔ)技術(shù)，不僅壽命有限而且數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)在磁盤表面的二維平面內(nèi)，存儲(chǔ)密度（735GB/in2）已經(jīng)趨近于其理論技術(shù)的極限。且磁帶為了存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，除了要提供大規(guī)模的機(jī)房空間以外，大量的電力消耗已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心的主要支出成本。除此之外，以閃存等為代表的固態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)也面臨存儲(chǔ)密度（550GB/in2）受限的問(wèn)題，固態(tài)存儲(chǔ)還有磨損和電荷流失等問(wèn)題，也不適應(yīng)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保存。

譚小地教授研究的同軸全息光存儲(chǔ)方式，能夠全面解決以上難題。傳統(tǒng)光盤是將信息記錄在某個(gè)表面，在讀寫時(shí)按一個(gè)比特一個(gè)比特地進(jìn)行。全息光存儲(chǔ)技術(shù)是將信息保存在具有厚度的三維空間里，在讀寫時(shí)是以二維的數(shù)據(jù)圖為單位的并行處理，與傳統(tǒng)光盤相比具有高密度和高速度的特點(diǎn)。其獨(dú)到之處是利用一束光中的不同部分進(jìn)行干涉，因此具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。另外，同軸全息光存儲(chǔ)技術(shù)獨(dú)特的反射式媒體結(jié)構(gòu)，可引入傳統(tǒng)光盤中的伺服技術(shù)，既能避免外界的震動(dòng)干擾提高讀取的可靠性，又可與傳統(tǒng)的光盤相兼容。全息光存儲(chǔ)技術(shù)還具有高度保密、安全、防復(fù)制和防輻射線等特點(diǎn)。眾所周知，全息光存儲(chǔ)記錄下來(lái)的是光的干涉條紋，因保存在媒體中的干涉條紋本身就很復(fù)雜，若想改變或復(fù)制是不可能的，在讀取信息時(shí)必須使用與記錄時(shí)完全相同的參考光束才能再現(xiàn)存入的信息。因此，若在參考光中加入密碼等調(diào)制信號(hào)，可以提供高度保密且簡(jiǎn)便的安全信息系統(tǒng)。同時(shí)，同軸全息光存儲(chǔ)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)大量復(fù)制功能，并且復(fù)制出的光盤媒體可以防止再次被復(fù)制，有效地防止了違法復(fù)制和盜版，

實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展上的跨越

目前，我國(guó)在磁存儲(chǔ)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)完全依賴國(guó)外公司，還沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。市面上目前流通的傳統(tǒng)光盤技術(shù)基本由日本壟斷，CD、DVD包括藍(lán)光光盤，每生產(chǎn)出來(lái)一張光盤，對(duì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)沒(méi)有任何投入的日本某公司就有一份錢進(jìn)帳。對(duì)此，譚小地教授特別舉例說(shuō)明?！氨热鏒VD，目前沒(méi)有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)由以日本東芝為首的協(xié)會(huì)制定，他們制定了一個(gè)規(guī)格，不按這個(gè)規(guī)格做在他們的系統(tǒng)中就無(wú)法讀出。通常情況下，應(yīng)該有一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，大家都執(zhí)行這個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。但申請(qǐng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要投入巨大精力和財(cái)力，所以他們壟斷了DVD的標(biāo)準(zhǔn)，這也顯示出他們這方面的力量比較強(qiáng)大?！?/p>

沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，不僅對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)發(fā)展不利，還制約著國(guó)內(nèi)光盤產(chǎn)業(yè)整體的發(fā)展。譚小地教授2012年回到國(guó)內(nèi)，選擇在光存儲(chǔ)領(lǐng)域研究還有這方面的考慮?！癡CD時(shí)代國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有過(guò)一次機(jī)遇。當(dāng)時(shí)DVD進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)比較慢，就是因?yàn)閂CD不受版權(quán)限制可以自由復(fù)制，而DVD有版權(quán)限制，導(dǎo)致VCD在國(guó)內(nèi)非常流行。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)已開發(fā)出比VCD清晰度高的光盤技術(shù)，如果當(dāng)時(shí)我們國(guó)家能抓緊投入研發(fā)出自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品替代VCD，很有可能將DVD拒之國(guó)門外，或在DVD的規(guī)格中吸收我國(guó)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，促進(jìn)我國(guó)在光盤產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展，但我們沒(méi)有抓住這個(gè)機(jī)會(huì)。在目前大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)海量數(shù)據(jù)超長(zhǎng)期保存的需求面前，全息光盤的技術(shù)產(chǎn)業(yè)化是又一個(gè)實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)光盤產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展的機(jī)會(huì)，如果不把握住這個(gè)機(jī)會(huì)，可能又要走過(guò)去光盤產(chǎn)業(yè)發(fā)展的老路——我們生產(chǎn)，讓別人掙錢”。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的發(fā)展處于維持狀態(tài)，譚小地希望與國(guó)內(nèi)的光盤器件開發(fā)生產(chǎn)企業(yè)廣泛聯(lián)系，共同開發(fā)研究，提出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利。將最新技術(shù)和最新科研成果迅速融入本技術(shù)中，不斷開發(fā)新一代的產(chǎn)品系列，開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域。提高我國(guó)在光存儲(chǔ)領(lǐng)域中的技術(shù)和實(shí)力?！斑@是我迫切想要實(shí)現(xiàn)的愿望?！?/p>

此外，存儲(chǔ)是數(shù)據(jù)安全的基礎(chǔ)，沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)國(guó)家的信息安全也面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)和威脅。所以，盡管目前困難重重，譚小地教授還是清晰地規(guī)劃出他所研究的光存儲(chǔ)技術(shù)未來(lái)發(fā)展路線。第一代產(chǎn)品的用戶以航空航天和保密應(yīng)用作為主要目標(biāo)。根據(jù)市場(chǎng)需求量，設(shè)計(jì)生產(chǎn)線，在性能上注重可靠性和安全性。與此同時(shí)，研發(fā)以數(shù)據(jù)中心為主要用戶的第二代產(chǎn)品。第二代產(chǎn)品除提高技術(shù)性能外，還要注重降低成本和拓展應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)。依據(jù)市場(chǎng)的特點(diǎn)，確定記錄容量和傳送速度的指標(biāo)，先從數(shù)據(jù)備份的替代品開始循序漸進(jìn)，逐步向硬盤和磁帶的替代品升級(jí)。第三代產(chǎn)品的開發(fā)也準(zhǔn)備在第二代產(chǎn)品進(jìn)入商品生產(chǎn)后開始。預(yù)備開發(fā)的技術(shù)是采用相位編碼方式提高記錄密度，增加傳送速度；提高材料性能，降低噪聲干擾。同時(shí)，引入周邊技術(shù)的發(fā)展成果，提高集成度，縮小驅(qū)動(dòng)器體積，降低成本，爭(zhēng)取成為家庭影院的必備設(shè)備。第一和二代產(chǎn)品的開發(fā)及生產(chǎn)主要以投資為主要資金來(lái)源。第三代產(chǎn)品的開發(fā)以第一代產(chǎn)品的收入作為主要資金來(lái)源，產(chǎn)品生產(chǎn)的主要資金來(lái)源于第二代產(chǎn)品的收入。

2012年，譚小地教授入選中組部國(guó)家“千人計(jì)劃”特聘專家，同年全職回國(guó)，在北京理工大學(xué)成立了信息光學(xué)研究室，廣泛開展與各方的交流活動(dòng)?！芭_(tái)灣的全息研究歷史比較悠久，這方面工作做得也比較細(xì)”，譚小地教授正在致力于海峽兩岸在全息領(lǐng)域的研究平臺(tái)，“我們有共同的語(yǔ)言，可以深入的交流”，共同努力把我國(guó)在該領(lǐng)域的研究提高到世界領(lǐng)先水平。