走在光存储技术研究前沿——记国家“千人计划”特聘专家、北京理工大学谭小地教授

○文/徐强

走在光存储技术研究前沿
——记国家“千人计划”特聘专家、北京理工大学谭小地教授

○文/徐强

大数据时代到来，数据分析成为关注的焦点，同样重要的数据存储却显得沉默很多。而根据美国IDC公司统计，2010年在世界范围内产生的数据量约是1ZB (=109TB)，2020年将要超过40ZB，海量数据的高效率低能耗超长期保存已成为目前信息领域的重大需求。本文的主角北京理工大学谭小地教授，目前从事的正是这方面最前沿的研究——全息光存储。

实现存储技术发展的跨越

据谭小地教授介绍，随着云间数据中心(Cloud Data Center)服务的不断普及和发展，对高容量数据存储和高速率数据提取的需求扩大将是这一领域的必然趋势。虽然已经进入大数据时代，但目前主流的数据存储方式仍然依赖磁存储技术，这其中硬盘可靠保存时间仅为5年，作为数据备份和归档存储的磁带寿命也只有10年，至少每3年左右要转存一次以防止磁带发霉和粘连等原因而造成的数据丢失，且仅能用于数据备份，不能用于数据的实时读取。基于磁存储机制的存储技术，不仅寿命有限而且数据是存储在磁盘表面的二维平面内，存储密度(735GB/in2)已经趋近于其理论技术的极限。且磁带为了存储大量数据，除了要提供大规模的机房空间以外，大量的电力消耗已经成为数据中心的主要支出成本。除此之外，以闪存等为代表的固态存储技术也面临存储密度(550GB/in2)受限的问题，固态存储还有磨损和电荷流失等问题，也不适应数据的长期保存。

谭小地教授研究的同轴全息光存储方式，能够全面解决以上难题。传统光盘是将信息记录在某个表面，在读写时按一个比特一个比特地进行。全息光存储技术是将信息保存在具有厚度的三维空间里，在读写时是以二维的数据图为单位的并行处理，与传统光盘相比具有高密度和高速度的特点。其独到之处是利用一束光中的不同部分进行干涉，因此具有系统简单的特点。另外，同轴全息光存储技术独特的反射式媒体结构，可引入传统光盘中的伺服技术，既能避免外界的震动干扰提高读取的可靠性，又可与传统的光盘相兼容。全息光存储技术还具有高度保密、安全、防复制和防辐射线等特点。众所周知，全息光存储记录下来的是光的干涉条纹，因保存在媒体中的干涉条纹本身就很复杂，若想改变或复制是不可能的，在读取信息时必须使用与记录时完全相同的参考光束才能再现存入的信息。因此，若在参考光中加入密码等调制信号，可以提供高度保密且简便的安全信息系统。同时，同轴全息光存储技术还可以实现大量复制功能，并且复制出的光盘媒体可以防止再次被复制，有效地防止了违法复制和盗版，

实现产业发展上的跨越

目前，我国在磁存储领域的关键技术完全依赖国外公司，还没有自主知识产权。市面上目前流通的传统光盘技术基本由日本垄断，CD、DVD包括蓝光光盘，每生产出来一张光盘，对国内生产企业没有任何投入的日本某公司就有一份钱进帐。对此，谭小地教授特别举例说明。“比如DVD，目前没有国际标准。现行的标准由以日本东芝为首的协会制定，他们制定了一个规格，不按这个规格做在他们的系统中就无法读出。通常情况下，应该有一个国际标准，大家都执行这个国际标准。但申请国际标准要投入巨大精力和财力，所以他们垄断了DVD的标准，这也显示出他们这方面的力量比较强大。”

没有自主知识产权，不仅对国内企业发展不利，还制约着国内光盘产业整体的发展。谭小地教授2012年回到国内，选择在光存储领域研究还有这方面的考虑。“VCD时代国内产业发展有过一次机遇。当时DVD进入中国市场比较慢，就是因为VCD不受版权限制可以自由复制，而DVD有版权限制，导致VCD在国内非常流行。当时国内已开发出比VCD清晰度高的光盘技术，如果当时我们国家能抓紧投入研发出自主知识产权的产品替代VCD，很有可能将DVD拒之国门外，或在DVD的规格中吸收我国的知识产权，促进我国在光盘产业的跨越式发展，但我们没有抓住这个机会。在目前大数据时代对海量数据超长期保存的需求面前，全息光盘的技术产业化是又一个实现国内光盘产业跨越式发展的机会，如果不把握住这个机会，可能又要走过去光盘产业发展的老路——我们生产，让别人挣钱”。目前，国内相关企业的发展处于维持状态，谭小地希望与国内的光盘器件开发生产企业广泛联系，共同开发研究，提出具有我国自主知识产权的专利。将最新技术和最新科研成果迅速融入本技术中，不断开发新一代的产品系列，开拓新的应用领域。提高我国在光存储领域中的技术和实力。“这是我迫切想要实现的愿望。”

此外，存储是数据安全的基础，没有自主知识产权国家的信息安全也面临严峻的挑战和威胁。所以，尽管目前困难重重，谭小地教授还是清晰地规划出他所研究的光存储技术未来发展路线。第一代产品的用户以航空航天和保密应用作为主要目标。根据市场需求量，设计生产线，在性能上注重可靠性和安全性。与此同时，研发以数据中心为主要用户的第二代产品。第二代产品除提高技术性能外，还要注重降低成本和拓展应用领域的开发。依据市场的特点，确定记录容量和传送速度的指标，先从数据备份的替代品开始循序渐进，逐步向硬盘和磁带的替代品升级。第三代产品的开发也准备在第二代产品进入商品生产后开始。预备开发的技术是采用相位编码方式提高记录密度，增加传送速度；提高材料性能，降低噪声干扰。同时，引入周边技术的发展成果，提高集成度，缩小驱动器体积，降低成本，争取成为家庭影院的必备设备。第一和二代产品的开发及生产主要以投资为主要资金来源。第三代产品的开发以第一代产品的收入作为主要资金来源，产品生产的主要资金来源于第二代产品的收入。

2012年，谭小地教授入选中组部国家“千人计划”特聘专家，同年全职回国，在北京理工大学成立了信息光学研究室，广泛开展与各方的交流活动。“台湾的全息研究历史比较悠久，这方面工作做得也比较细”，谭小地教授正在致力于海峡两岸在全息领域的研究平台，“我们有共同的语言，可以深入的交流”，共同努力把我国在该领域的研究提高到世界领先水平。