○文/徐強(qiáng)

走在光存儲技術(shù)研究前沿
——記國家“千人計劃”特聘專家、北京理工大學(xué)譚小地教授

○文/徐強(qiáng)

大數(shù)據(jù)時代到來，數(shù)據(jù)分析成為關(guān)注的焦點，同樣重要的數(shù)據(jù)存儲卻顯得沉默很多。而根據(jù)美國IDC公司統(tǒng)計，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40ZB，海量數(shù)據(jù)的高效率低能耗超長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。

實現(xiàn)存儲技術(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，對高容量數(shù)據(jù)存儲和高速率數(shù)據(jù)提取的需求擴(kuò)大將是這一領(lǐng)域的必然趨勢。雖然已經(jīng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時代，但目前主流的數(shù)據(jù)存儲方式仍然依賴磁存儲技術(shù)，這其中硬盤可靠保存時間僅為5年，作為數(shù)據(jù)備份和歸檔存儲的磁帶壽命也只有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)的實時讀取。基于磁存儲機(jī)制的存儲技術(shù)，不僅壽命有限而且數(shù)據(jù)是存儲在磁盤表面的二維平面內(nèi)，存儲密度(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)存儲技術(shù)也面臨存儲密度(550GB/in2)受限的問題，固態(tài)存儲還有磨損和電荷流失等問題，也不適應(yīng)數(shù)據(jù)的長期保存。

譚小地教授研究的同軸全息光存儲方式，能夠全面解決以上難題。傳統(tǒng)光盤是將信息記錄在某個表面，在讀寫時按一個比特一個比特地進(jìn)行。全息光存儲技術(shù)是將信息保存在具有厚度的三維空間里，在讀寫時是以二維的數(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。其獨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)簡單的特點。另外，同軸全息光存儲技術(shù)獨特的反射式媒體結(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。全息光存儲技術(shù)還具有高度保密、安全、防復(fù)制和防輻射線等特點。眾所周知，全息光存儲記錄下來的是光的干涉條紋，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，在讀取信息時必須使用與記錄時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，可以提供高度保密且簡便的安全信息系統(tǒng)。同時，同軸全息光存儲技術(shù)還可以實現(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，

實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展上的跨越

目前，我國在磁存儲領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)完全依賴國外公司，還沒有自主知識產(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)出來一張光盤，對國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)沒有任何投入的日本某公司就有一份錢進(jìn)帳。對此，譚小地教授特別舉例說明?！氨热鏒VD，目前沒有國際標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)由以日本東芝為首的協(xié)會制定，他們制定了一個規(guī)格，不按這個規(guī)格做在他們的系統(tǒng)中就無法讀出。通常情況下，應(yīng)該有一個國際標(biāo)準(zhǔn)，大家都執(zhí)行這個國際標(biāo)準(zhǔn)。但申請國際標(biāo)準(zhǔn)要投入巨大精力和財力，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>

沒有自主知識產(chǎn)權(quán)，不僅對國內(nèi)企業(yè)發(fā)展不利，還制約著國內(nèi)光盤產(chǎn)業(yè)整體的發(fā)展。譚小地教授2012年回到國內(nèi)，選擇在光存儲領(lǐng)域研究還有這方面的考慮?！癡CD時代國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有過一次機(jī)遇。當(dāng)時DVD進(jìn)入中國市場比較慢，就是因為VCD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在國內(nèi)非常流行。當(dāng)時國內(nèi)已開發(fā)出比VCD清晰度高的光盤技術(shù)，如果當(dāng)時我們國家能抓緊投入研發(fā)出自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品替代VCD，很有可能將DVD拒之國門外，或在DVD的規(guī)格中吸收我國的知識產(chǎn)權(quán)，促進(jìn)我國在光盤產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展，但我們沒有抓住這個機(jī)會。在目前大數(shù)據(jù)時代對海量數(shù)據(jù)超長期保存的需求面前，全息光盤的技術(shù)產(chǎn)業(yè)化是又一個實現(xiàn)國內(nèi)光盤產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展的機(jī)會，如果不把握住這個機(jī)會，可能又要走過去光盤產(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，提出具有我國自主知識產(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。提高我國在光存儲領(lǐng)域中的技術(shù)和實力?！斑@是我迫切想要實現(xiàn)的愿望?！?/p>

此外，存儲是數(shù)據(jù)安全的基礎(chǔ)，沒有自主知識產(chǎn)權(quán)國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技術(shù)未來發(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)市場需求量，設(shè)計生產(chǎn)線，在性能上注重可靠性和安全性。與此同時，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)市場的特點，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。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，引入周邊技術(shù)的發(fā)展成果，提高集成度，縮小驅(qū)動器體積，降低成本，爭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源，產(chǎn)品生產(chǎn)的主要資金來源于第二代產(chǎn)品的收入。

2012年，譚小地教授入選中組部國家“千人計劃”特聘專家，同年全職回國，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?！芭_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，“我們有共同的語言，可以深入的交流”，共同努力把我國在該領(lǐng)域的研究提高到世界領(lǐng)先水平。