“光不仅有速度，而且还有容量。”福建师范大学谭小地教授在的演讲报告中提到。自从“新基建”提出以后，5G、大数据中心、人工智能、工业互联网等新型基础设施建设正加速推进，数据成为新基建的基础元素。现在，我们一起来了解大数据时代的光存储技术。

人类已经进入大数据时代，海量数据的低成本和超长期保存已成为目前网络信息产业领域的重大需求，高密度快速率长寿命光存储将在其中担任重要角色。大数据科学更依赖于全局数据，越大、越繁杂的数据全集是各种相关性分析和知识挖掘的基石，这就要求对于各种数据进行长期保存。

高密度长寿命光存储符合国家新一代信息技术产业、新材料产业等战略新兴产业的总体要求。高密度存储符合新一代信息技术海量数据存储和低成本维护的需求，与高密度长寿命光存储相应的存储介质将带动新材料产业的发展。

那么，大数据时代的数据究竟有多“大”？存储数据的方式有哪些？光存储有哪些优劣？为什么说全息光存储是下一代的光存储技术？

大数据时代的数据究竟有多“大”？

美国国际数据公司(IDC)在《企业级外部存储市场季度跟踪报告》中统计，全球数据总量在2020年达到40 ZB (ZB=1012 B)，其中有80%是只保存而很少读取和利用的所谓“冷数据”，这些数据到底有多大量，可以通过一个简单的计算来了解。如果将这些冷数据用1TB的硬盘保存，需要320亿个这样的硬盘，将这些硬盘摞起来（厚度26 mm）可绕地球20多圈。

可以想象，面对如此巨大的数据存储需求量，在导致数据中心的存储容量需求呈指数级爆炸式增长的同时，对提高存储密度的需求也在不断增长。

存储数据的方式有哪些？

目前，数据中心存储数据的主流媒体还是基于磁技术的存储机制，其主要产品包括磁盘和磁带。这种技术不仅存在寿命有限的问题（磁盘5年，磁带10年）[1-3]，而且数据存储在磁盘表面的二维平面内，存储密度（735 Gb/in2）已经趋近于其技术的理论极限。

另一方面，以闪存等为代表的固态存储技术虽然具有广泛的应用扩展空间，但是也面临存储密度（550 Gb/in2）受限的问题，而且这种技术还存在擦写次数有限和电荷流失等缺点，同样不适合冷数据的低成本长期保存。

随着存储数据量的需求不断增长，数据中心的能耗也随之大幅度增加。在Google公司的数据中心，其能耗费用已经超过了其维持管理费用的50%。该公司已经开始建设自己的发电厂，利用自发电来降低电力消耗的成本。根据McKense公司的报告，2020年数据中心行业成为最大的温室气体排放者之一。因此，降低存储数据的能耗也已经成为大型数据中心经营管理的主要目标之一。

光存储的优劣及发展进程

Facebook公司对目前多种存储技术的对比研究表明：光存储在数据长期保存成本和能耗方面最具优势，并已经开始尝试利用蓝光光盘（BD，Blu-ray Disc）保存其数据中心的冷数据，实现了成本降低50%、能耗减少到 80%的显著效果[4]。

光盘存储，如CD、DVD和BD，是利用激光在光盘表面的局部点发生反射或不反射来实现0或1的二进制数据读取的。这个局部点的反射或不反射状态是通过改变材料的物理性质来实现的，而这种物性变化也必须通过物理的方式才能实现，即使在掉电状态下也不会发生信息丢失的现象。因此，光存储与其他存储方式相比具有节能和长期保存的优点。

光盘经历了CD、DVD和BD三代产品，其记录密度在不断地提高。提高密度的方法是靠缩小会聚到光盘上的光点尺寸实现的。如图1所示，三种规格的光盘的存储容量分别是0.7、4.7、25 GB；光点（S）的直径分别为2.11、1.32、0.58 μm。为了缩小这个光点，用于会聚光点的透镜数值孔径（NA）也越来越大，已经接近极限值（1）；光波长（λ）也越来越短，已经接近紫外的边缘；为了减少会聚光点的像差，表面保护层（t）也越来越薄。可以说这种基于光盘表面二维点阵排列方式的传统光盘技术，由于光学系统的衍射受限等原因，其存储密度（25 Gb/in2）也已趋近于理论极限。

三种光盘及规格参数

为了扩大光盘的存储容量，日本的BD制造企业在BD上继续下功夫。将BD的二维存储空间向多层方向伸展，开展了一系列的研究。如索尼(Sony)和松下(Panasonic) 等公司在已经向数据存储市场推出了4层(100 GB)和6层(150 GB) 产品的同时，在TDK公司实验室里也实现了最高值可达 16 层的研究成果。相信随着多层技术的不断发展，BD产品的存储容量也会不断得到改进和提高。

由于存在单张光盘的容量有限和光盘的读取速度还不够高等问题，将光盘应用于数据中心还必须与现有存储技术相结合，将光盘集合到一起形成所谓的“光盘库”。国内，也有企业和高校研发的产品可以妥善解决目前光盘性能低下的问题，实现大容量存储、高速率数据传送的能力。

虽然传统光盘多层技术为提高光盘的存储容量提供了可能，但随着层数的增加，也带来了读写过程中伺服控制的难度。而且各层是相互分离的，可提升的范围也是有限的。面对未来大数据存储的需求，必须进一步开发更高密度、更高数据传送速率的存储技术。

下一代光存储技术

全息光存储早在50年前就被誉为高密度、高速率的存储方式，它是利用全息的方式将信息记录和再现的。图2所示为全息光存储的记录和再现过程。

双轴全息光存储的(a) 记录和(b) 再现原理

在记录过程图2(a)中，空间光调制器(SLM) 将信息调制到称为“物光”(Object，也称信息光)的一束光束中，用透镜将该光束会聚到全息媒体(Holographic media)中，并与称为“参考光”(Reference)的另一束光进行干涉，该干涉条纹就会记录在全息媒体中，随着参考光入射方向的改变，可以将不同的信息存储在全息媒体的同一个位置里，可实现高密度存储。在再现过程图2(b)中，当参考光按照记录时的角度入射时，根据布拉格条件，被记录的信息光就会被再现出来，该再现光经过透镜后即可还原空间光调制器的图像，实现信息的再现。这种全息存储方式通常被称为“双光束全息光存储”。

全息光存储的三维空间记录和二维的数据传送方式与传统光盘存储方式相比具有高密度( 1 mm厚介质的理论值：10 Tb/in2) 和高速率的优势(取决于光电器件的转换速度，而非技术本身)。

全息光存储的研究从20世纪60年代就已经开始[5] ，20世纪80~90年代美国的国家项目也曾研究过全息光存储技术，主要的代表是美国加州理工大学、斯坦福大学的研究团队以及IBM公司等。当时的主要记录材料是光折变晶体，其特点是可擦写的存储，它是迄今为止仍然具有存在价值的一种全息存储材料。

进入21世纪后，以美国Aprilis、InPhase公司为代表提出了光致聚合物(Photopolymer) 作为全息光存储材料，其寿命达到50年。

为了简化系统构成，提高记录密度，国内外研究者们探索了许久，提出了许多记录方式，进行了各种尝试。

国内在全息存储领域也有一些研究成果：1999年“光学体全息存储机理研究”、“全息存储材料研究”分别作为子课题纳入国家973计划，为国内全息光存储研究起到了一定的促进作用；清华大学、北京工业大学、哈尔滨工业大学、中国科学院西安光学精密机械研究所等单位都从事过全息存储的研究。

谭小地教授曾在日本公司工作期间提出并参与了同轴全息光存储方式的研究[6]，该方式独特之处是将信息光与参考光共轴；采用反射式全息光盘结构并放置于透镜后焦点处。这样可以很顺利地将传统光盘的伺服技术结合到全息光存储系统中，既简化了系统的光学结构，又能避免环境振动等外界因素的干扰，解决了双光束干涉方式无法克服的问题。

但是，同轴全息光存储方式在读取过程中其再现图像伴随着很大的噪声，限制了记录密度的增加，实际达到的存储密度与理论值还有很大差距[7]。为了降低噪声，提高同轴全息光存储的记录密度，参与研究的同仁们尝试了许多种方法，效果都不太理想。其主要原因是利用振幅调制的全息记录，可调制的记录参量太少。另外，伺服技术并没有真正有效应用到系统中。

2012年谭小地教授回国后，继续开展同轴全息光存储的研究[8]，提出了相位和偏振多维调制提高全息光存储密度和数据传输率的理论与方法。目前正在主持国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项“同轴全息光存储的基础理论与关键技术研究”项目，以加速推动我国全息存储技术的产业化的发展。为了便于理解，表1中列出了各种存储方式及其各自特性参数的比较。

表 1 各种存储方式比较

数字经济已成为新时代建设现代化经济体系的重要动力。中国科学院科技战略咨询研究院发布报告称，随着社会经济各领域数字化建设的推进，数据存储需求呈现指数级增长，数据中心、5G等新型基础设施为数字经济发展提供基础保障的同时，也产生了高能耗、高成本问题。构建以电存储、磁存储和光存储为重要支柱的数据存储体系，对保障我国数字经济安全高效发展具有重要意义。

从存储产业整体来看，围绕存储介质主要分三类：磁存储、电存储和光存储。在海量的大数据中，大部分数据属于冷数据，即在3个月之后访问频次极低。采用常规的、硬盘存储和半导体存储的方式存储此类数据，大幅度增加了数据中心的能耗水平。由于机械硬盘的寿命通常为5年，数据的长期存储还会因不断更新存储介质而大幅度提高成本和安全风险。

“目前主流的电存储、磁存储面临严重的高能耗与高成本发展瓶颈。光存储虽然读写速度相对较慢，但具有低成本、高安全性、绿色节能、存储寿命长等特点，可成为缓解温冷数据存储压力的重要方式。”中国科学院科技战略咨询研究院科技发展战略研究所副所长王晓明认为，利用光存储技术存储大规模温冷数据，并利用磁存储和电存储技术存储高频访问数据，构成高效率的数据存储体系，能够保证数据的完整性及规模性，实现数据的分类保存和高效读写，充分发挥不同类型数据的短期和长期价值。

从外部发展环境来看，我国在应用固态硬盘、磁硬盘、磁带、半导体等数据存储领域都面临“卡脖子”问题，亟须构筑存储领域发展长板。王晓明表示，当前我国在电存储和磁存储领域尚不具备国际竞争优势，特别是磁盘存储市场被美国和日本企业垄断。当前全球光存储技术及产业尚未进入成熟期，我国领军企业与研发机构有望与国际领先水平同步创新，甚至引领产业技术发展方向。

从技术路线来看，全息光存储被视为下一代光存储技术。紫晶存储董事长郑穆表示，全息光存储是一种高密度三维光存储技术，采用与传统二维存储完全不同的机理。与目前存储方式相比，全息光存储技术将提供超过TB（太字节）级的存储容量，能够满足更大数据量的存储需求，为数据的读取提供更快的速度。

另外记者了解到，在全息光存储领域，由于技术壁垒较高，入局企业相对较少，国外主要以松下、索尼等企业为主。国内以紫晶存储为代表的企业正引领全息光存储技术和产业化发展，紫晶存储通过自主研发以及与研究院所合作，在核心基础技术、感光材料、全息光存储光盘结构及格式、多轴伺服平台方案以及高识别度算法等关键环节上，逐渐形成自主可控的全息光存储产业链布局。

从产业路线图来看，预计全息光存储在3年至5年内可形成成熟的产品和服务，实现市场化和产业化。公开资料显示，目前全息光存储处于第三发展阶段，即实现应用试验阶段。其中，预计到2023年左右可实现产品样机的生产推出，到2025年左右，经过产品和技术不断迭代，可形成相对成熟稳定的全息光存储产品，进而实现市场化应用和产业化发展。

小结

目前，包括光存储技术在内的中国自主新兴信息技术的应用部署相对有限，仍需国家、行业、企业与用户共同发力，推动产业迭代升级。王晓明建议，在光存储领域，进一步加大相关研究专项对光存储技术的支持，开展全息、蓝光、多维等光存储前沿技术的研发。设立光存储工程化开发中上游材料、设备等科研专项群，给予研发资助及优惠政策，鼓励有能力的企业参与上游关键材料、基础设备及软件的研发。进一步完善和优化光存储技术创新环境，加强技术专利保护力度。

可以预见，面对大数据时代对信息存储的刚性要求，只要科研人员坚持不懈地努力，早日开发出高密度、大容量、长寿命和节能减排的全息存储光盘，光存储技术成为数据中心的主流存储方式的时代就要到来。[9,10]

参考文献：

[1] Kumar S, McCaffrey T R. Engineering economics at a hard disk drive manufacturer [J].Technovation,2003,23(2):749-755.

[2] Okazaki Y,Hara K,Kawashima T,et al.Estimating the archival life of metal particulate tape [J].Magnetics IEEE Transactions on, 1992,28(5):2365-2367.

[3] Sony Corporation, Professional Solutions Group. Optical Disc Archive White Paper vI.IO [M].Japan: Sony Corporation,2013.

[4] Ars TECHNICA.Technology Lab/Information Technology [EB/OL]. (2014-01-01)[2016-08-02].http://arstechnica.com/information-technology.

[5] Heerden P J.Theory of optical information storage in solids [J]. Appl Opt,1963,2:393-400.

[6] 谭小地,堀米秀嘉,“同轴式光全息存储技术及其系统,”光学学报[J], 2006, 26: 827-830.

[7] Tanaka K,Hara M,Tokuyama K,et al.High density recording of 270 Gbits/inch2 in a coaxial holographic storage system[C]//Proceedings of ISOM,2007:Mo-D-03.

[8] 谭小地,“同轴光全息存储技术,”光学前沿——第五届全国信息光学与光子学学术[C],厦门,中国 (2013).

[9] 李建华,刘金鹏,林枭,刘佳琪,谭小地*,“体全息存储研究现状及发展趋势,”中国激光[J],2017,44:1000001.

[10] Xiao Lin,Jinpeng Liu,Jianying Hao,Kun Wang,Yuanying Zhang,Hui Li,Hideyoshi Horimai,Xiaodi Tan*,"Collinear holographic data storage technologies,"Opto-Electron Advances[J],2020, 3:190004.

[11] 全息光存储，大数据时代的主流技术，光电汇，2022-05-20

[12] 光存储成行业升级重要方向播报文章，新浪财经，2022-01-10