全息存儲原理

① 全息存儲器的全息存儲的運作原理

全息存儲是受全息照相的啟發而研製的，當你明白全息照相的技術原理，對於全息存儲就可以更好地理解。我們在拍攝全息照片時，對應的拍攝設備並不是普通照相機，而是一台激光器。該激光器產生的激光束被分光鏡一分為二，其中一束被命名為「物光束」，直接照射到被拍攝的物體，另一束則被稱為「參考光束」，直接照射到感光膠片上。當物光束照射到所攝物體之後，形成的反射光束同樣會照射到膠片上，此時物體的完整信息就能被膠片記錄下來，全息照相的攝制過程就這樣完成了。乍看過去，全息照片上只有一些亂七八糟的條紋，但當我們使用一束激光去照射這張照片時，真實的原始立體圖像就會栩栩如生地展現出來。

② 全息存儲器容量的發展史

存儲器設備發展

1.存儲器設備發展之汞延遲線

汞延遲線是基於汞在室溫時是液體，同時又是導體，每比特數據用機械波的波峰（1）和波谷（0）表示。機械波從汞柱的一端開始，一定厚度的熔融態金屬汞通過一振動膜片沿著縱向從一端傳到另一端，這樣就得名「汞延遲線」。在管的另一端，一感測器得到每一比特的信息，並反饋到起點。設想是汞獲取並延遲這些數據，這樣它們便能存儲了。這個過程是機械和電子的奇妙結合。缺點是由於環境條件的限制，這種存儲器方式會受各種環境因素影響而不精確。

1950年，世界上第一台具有存儲程序功能的計算機EDVAC由馮.諾依曼博士領導設計。它的主要特點是採用二進制，使用汞延遲線作存儲器，指令和程序可存入計算機中。

1951年3月，由ENIAC的主要設計者莫克利和埃克特設計的第一台通用自動計算機UNIVAC-I交付使用。它不僅能作科學計算，而且能作數據處理。

2.存儲器設備發展之磁帶

UNIVAC-I第一次採用磁帶機作外存儲器，首先用奇偶校驗方法和雙重運算線路來提高系統的可靠性，並最先進行了自動編程的試驗。

磁帶是所有存儲器設備發展中單位存儲信息成本最低、容量最大、標准化程度最高的常用存儲介質之一。它互換性好、易於保存，近年來，由於採用了具有高糾錯能力的編碼技術和即寫即讀的通道技術，大大提高了磁帶存儲的可靠性和讀寫速度。根據讀寫磁帶的工作原理可分為螺旋掃描技術、線性記錄（數據流）技術、DLT技術以及比較先進的LTO技術。

根據讀寫磁帶的工作原理，磁帶機可以分為六種規格。其中兩種採用螺旋掃描讀寫方式的是面向工作組級的DAT（4mm）磁帶機和面向部門級的8mm磁帶機，另外四種則是選用數據流存儲技術設計的設備，它們分別是採用單磁頭讀寫方式、磁帶寬度為1/4英寸、面向低端應用的Travan和DC系列，以及採用多磁頭讀寫方式、磁帶寬度均為1/2英寸、面向高端應用的DLT和IBM的3480/3490/3590系列等。

磁帶庫是基於磁帶的備份系統，它能夠提供同樣的基本自動備份和數據恢復功能，但同時具有更先進的技術特點。它的存儲容量可達到數百PB，可以實現連續備份、自動搜索磁帶，也可以在驅動管理軟體控制下實現智能恢復、實時監控和統計，整個數據存儲備份過程完全擺脫了人工干涉。

磁帶庫不僅數據存儲量大得多，而且在備份效率和人工佔用方面擁有無可比擬的優勢。在網路系統中，磁帶庫通過SAN（Storage Area Network，存儲區域網路）系統可形成網路存儲系統，為企業存儲提供有力保障，很容易完成遠程數據訪問、數據存儲備份或通過磁帶鏡像技術實現多磁帶庫備份，無疑是數據倉庫、ERP等大型網路應用的良好存儲設備。

3.存儲器設備發展之磁鼓

1953年，隨著存儲器設備發展，第一台磁鼓應用於IBM 701，它是作為內存儲器使用的。磁鼓是利用鋁鼓筒表面塗覆的磁性材料來存儲數據的。鼓筒旋轉速度很高，因此存取速度快。它採用飽和磁記錄，從固定式磁頭發展到浮動式磁頭，從採用磁膠發展到採用電鍍的連續磁介質。這些都為後來的磁碟存儲器打下了基礎。

磁鼓最大的缺點是利用率不高， 一個大圓柱體只有表面一層用於存儲，而磁碟的兩面都利用來存儲，顯然利用率要高得多。 因此，當磁碟出現後，磁鼓就被淘汰了。

4.存儲器設備發展之磁芯

美國物理學家王安1950年提出了利用磁性材料製造存儲器的思想。福雷斯特則將這一思想變成了現實。

為了實現磁芯存儲，福雷斯特需要一種物質，這種物質應該有一個非常明確的磁化閾值。他找到在新澤西生產電視機用鐵氧體變換器的一家公司的德國老陶瓷專家，利用熔化鐵礦和氧化物獲取了特定的磁性質。

對磁化有明確閾值是設計的關鍵。這種電線的網格和芯子織在電線網上，被人稱為芯子存儲，它的有關專利對發展計算機非常關鍵。這個方案可靠並且穩定。磁化相對來說是永久的，所以在系統的電源關閉後，存儲的數據仍然保留著。既然磁場能以電子的速度來閱讀，這使互動式計算有了可能。更進一步，因為是電線網格，存儲陣列的任何部分都能訪問，也就是說，不同的數據可以存儲在電線網的不同位置，並且閱讀所在位置的一束比特就能立即存取。這稱為隨機存取存儲器（RAM），在存儲器設備發展歷程中它是互動式計算的革新概念。福雷斯特把這些專利轉讓給麻省理工學院，學院每年靠這些專利收到1500萬～2000萬美元。

最先獲得這些專利許可證的是IBM，IBM最終獲得了在北美防衛軍事基地安裝「旋風」的商業合同。更重要的是，自20世紀50年代以來，所有大型和中型計算機也採用了這一系統。磁芯存儲從20世紀50年代、60年代，直至70年代初，一直是計算機主存的標准方式。

5.存儲器設備發展之磁碟

世界第一台硬碟存儲器是由IBM公司在1956年發明的，其型號為IBM 350 RAMAC（Random Access Method of Accounting and Control）。這套系統的總容量只有5MB，共使用了50個直徑為24英寸的磁碟。1968年，IBM公司提出「溫徹斯特/Winchester」技術，其要點是將高速旋轉的磁碟、磁頭及其尋道機構等全部密封在一個無塵的封閉體中，形成一個頭盤組合件（HDA），與外界環境隔絕，避免了灰塵的污染，並採用小型化輕浮力的磁頭浮動塊，碟片表面塗潤滑劑，實行接觸起停，這是現代絕大多數硬碟的原型。1979年，IBM發明了薄膜磁頭，進一步減輕了磁頭重量，使更快的存取速度、更高的存儲密度成為可能。20世紀80年代末期，IBM公司又對存儲器設備發展作出一項重大貢獻，發明了MR（Magneto Resistive)磁阻磁頭，這種磁頭在讀取數據時對信號變化相當敏感，使得碟片的存儲密度比以往提高了數十倍。1991年，IBM生產的3.5英寸硬碟使用了MR磁頭，使硬碟的容量首次達到了1GB，從此，硬碟容量開始進入了GB數量級。IBM還發明了PRML（Partial Response Maximum Likelihood）的信號讀取技術，使信號檢測的靈敏度大幅度提高，從而可以大幅度提高記錄密度。

目前，硬碟的面密度已經達到每平方英寸100Gb以上，是容量、性價比最大的一種存儲設備。因而，在計算機的外存儲設備中，還沒有一種其他的存儲設備能夠在最近幾年中對其統治地位產生挑戰。硬碟不僅用於各種計算機和伺服器中，在磁碟陣列和各種網路存儲系統中，它也是基本的存儲單元。值得注意的是，近年來微硬碟的出現和快速發展為移動存儲提供了一種較為理想的存儲介質。在快閃記憶體晶元難以承擔的大容量移動存儲領域，微硬碟可大顯身手。目前尺寸為1英寸的硬碟，存儲容量已達4GB，10GB容量的1英寸硬碟不久也會面世。微硬碟廣泛應用於數碼相機、MP3設備和各種手持電子類設備。

另一種磁碟存儲設備是軟盤，從早期的8英寸軟盤、5.25英寸軟盤到3.5英寸軟盤，主要為數據交換和小容量備份之用。其中，3.5英寸1.44MB軟盤占據計算機的標准配置地位近20年之久，之後出現過24MB、100MB、200MB的高密度過渡性軟盤和軟碟機產品。然而，由於USB介面的快閃記憶體出現，軟盤作為數據交換和小容量備份的統治地位已經動搖，不久會退出存儲器設備發展歷史舞台。

6. 存儲器設備發展之光碟

光碟主要分為只讀型光碟和讀寫型光碟。只讀型指光碟上的內容是固定的，不能寫入、修改，只能讀取其中的內容。讀寫型則允許人們對光碟內容進行修改，可以抹去原來的內容，寫入新的內容。用於微型計算機的光碟主要有CD-ROM、CD-R/W和DVD-ROM等幾種。

上世紀60年代，荷蘭飛利浦公司的研究人員開始使用激光光束進行記錄和重放信息的研究。1972年，他們的研究獲得了成功，1978年投放市場。最初的產品就是大家所熟知的激光視盤（LD，Laser Vision Disc）系統。

從LD的誕生至計算機用的CD-ROM，經歷了三個階段，即LD-激光視盤、CD-DA激光唱盤、CD-ROM。下面簡單介紹這三個存儲器設備發展階段性的產品特點。

LD-激光視盤，就是通常所說的LCD，直徑較大，為12英寸，兩面都可以記錄信息，但是它記錄的信號是模擬信號。模擬信號的處理機制是指，模擬的電視圖像信號和模擬的聲音信號都要經過FM（Frequency Molation）頻率調制、線性疊加，然後進行限幅放大。限幅後的信號以0.5微米寬的凹坑長短來表示。

CD-DA激光唱盤 LD雖然取得了成功，但由於事先沒有制定統一的標准，使它的開發和製作一開始就陷入昂貴的資金投入中。1982年，由飛利浦公司和索尼公司制定了CD-DA激光唱盤的紅皮書（Red Book）標准。由此，一種新型的激光唱盤誕生了。CD-DA激光唱盤記錄音響的方法與LD系統不同，CD-DA激光唱盤系統首先把模擬的音響信號進行PCM（脈沖編碼調制）數字化處理，再經過EMF（8～14位調制）編碼之後記錄到盤上。數字記錄代替模擬記錄的好處是，對干擾和雜訊不敏感，由於盤本身的缺陷、劃傷或沾污而引起的錯誤可以校正。

CD-DA系統取得成功以後，使飛利浦公司和索尼公司很自然地想到利用CD-DA作為計算機的大容量只讀存儲器。但要把CD-DA作為計算機的存儲器，還必須解決兩個重要問題，即建立適合於計算機讀寫的盤的數據結構，以及CD-DA誤碼率必須從現有的10-9降低到10-12以下，由此就產生了CD-ROM的黃皮書(Yellow Book)標准。這個標準的核心思想是，盤上的數據以數據塊的形式來組織，每塊都要有地址，這樣一來，盤上的數據就能從幾百兆位元組的存儲空間上被迅速找到。為了降低誤碼率，採用增加一種錯誤檢測和錯誤校正的方案。錯誤檢測採用了循環冗餘檢測碼，即所謂CRC，錯誤校正採用里德－索洛蒙(Reed Solomon)碼。黃皮書確立了CD-ROM的物理結構，而為了使其能在計算機上完全兼容，後來又制定了CD-ROM的文件系統標准，即ISO 9660。

在上世紀80年代中期，光碟存儲器設備發展速度非常快，先後推出了WORM光碟、磁光碟（MO）、相變光碟（Phase Change Disk，PCD）等新品種。20世紀90年代，DVD-ROM、CD-R、CD-R/W等開始出現和普及，目前已成為計算機的標准存儲設備。

光碟技術進一步向高密度發展，藍光光碟是不久將推出的下一代高密度光碟。多層多階光碟和全息存儲光碟正在實驗室研究之中，可望在5年之內推向市場。

7.存儲器設備發展之納米存儲

納米是一種長度單位，符號為nm。1納米=1毫微米，約為10個原子的長度。假設一根頭發的直徑為0.05毫米，把它徑向平均剖成5萬根，每根的厚度即約為1納米。與納米存儲有關的主要進展有如下內容。

1998年，美國明尼蘇達大學和普林斯頓大學制備成功量子磁碟，這種磁碟是由磁性納米棒組成的納米陣列體系。一個量子磁碟相當於我們現在的10萬～100萬個磁碟，而能源消耗卻降低了1萬倍。

1988年，法國人首先發現了巨磁電阻效應，到1997年，採用巨磁電阻原理的納米結構器件已在美國問世，它在磁存儲、磁記憶和計算機讀寫磁頭等方面均有廣闊的應用前景。

2002年9月，美國威斯康星州大學的科研小組宣布，他們在室溫條件下通過操縱單個原子，研製出原子級的硅記憶材料，其存儲信息的密度是目前光碟的100萬倍。這是納米存儲材料技術研究的一大進展。該小組發表在《納米技術》雜志上的研究報告稱，新的記憶材料構建在硅材料表面上。研究人員首先使金元素在硅材料表面升華，形成精確的原子軌道；然後再使硅元素升華，使其按上述原子軌道進行排列；最後，藉助於掃瞄隧道顯微鏡的探針，從這些排列整齊的硅原子中間隔抽出硅原子，被抽空的部分代表「0」，餘下的硅原子則代表「1」，這就形成了相當於計算機晶體管功能的原子級記憶材料。整個試驗研究在室溫條件下進行。研究小組負責人赫姆薩爾教授說，在室溫條件下，一次操縱一批原子進行排列並不容易。更為重要的是，記憶材料中硅原子排列線內的間隔是一個原子大小。這保證了記憶材料的原子級水平。赫姆薩爾教授說，新的硅記憶材料與目前硅存儲材料存儲功能相同，而不同之處在於，前者為原子級體積，利用其製造的計算機存儲材料體積更小、密度更大。這可使未來計算機微型化，且存儲信息的功能更為強大。

③ 全息存儲的全息存儲的技術優勢

與目前的存儲技術相比，全息存儲在容量、速度和可靠性方面都極具發展潛力。由於全息存儲器是以頁作為讀寫單位，不同頁面的數據可以同時並行讀寫，理論其存儲速度將相當迅速。業界普遍估計，未來全息存儲可以實現1GB/s的傳輸速度，以及小於1毫秒的隨機訪問時間！
使用全息存儲技術後，一塊方糖大小的立方體就能存儲高達1TB的數據，這么高的容量並不是空穴來風。由於一個晶體有無數個面，我們只要改變激光束的入射角度，就可以在一塊晶體中存儲數量驚人的數據。打個形象的比喻，我們可以把全息存儲器看成像書本一樣，這也是其用小體積實現大容量的原理所在，理論上全息存儲可以輕松突破1TB的存儲密度！
與傳統硬碟不一樣，全息存儲器不需要任何移動部件，數據讀寫操作為非接觸式，使用壽命、數據可靠性、安全性都達到理想的狀況。全息存儲幾乎可以永久保存數據，在切斷電能供應的條件下，數據可在感光介質中保存數百年之久，這一點也遠優於硬碟。