用图像存储数据——全息图像存储器诞生

2019-11-04 01:10:00

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供稿：网友

2004年2月12日，对于存储界来说是个重要的日子。在通信界非常闻名，但在DRAM/Flash领域并没有多少名气的NTT公司（Nippon Telegraph and Telephone Corporation，日本电报电话公司）忽然公布了一种新型的存储器，说其新型，是在于它不用磁，不用电容，也不是完全用激光，而是采用一种对大多数人来说比较生疏但又非经常见的手段——全息图像（现在很多的防伪标签就是用全息图像技术制作的，从不同角度可以看到图案的不的颜色）来存储数据，由此形成的存储结构与读取方法也与以往我们所熟悉的存储器完全不同。而NTT也给这个产品起了一个古怪的名字——Info-MICA。NTT宣称已经利用普通的塑料开发出了层数高达100的多层波导结构的Info-MICA，容量高达1GB，面积只有邮票大小，并且还开发出了驱动器原型，从Info-MICA中顺利地读取了数据。一时间，引起了业界的普遍关注。NTT目前已经为Info-MICA做好了全面产品化的技术预备，以其为基础的存储产品将是重点开发对象。NTT表示，最早在明年就会有Info-MICA产品出现。下面就我们看看这个Info-MICA到底是什么，它的存储原理又是怎样的呢？ Info-MICA是啥？假如把MICA变成小写，大家就能大概明白一些意思了，mica是云母石的意思，这种石头比较奇异，其内部层状结构，而Info-MICA的层叠结构与之非常相似，而Info就是Information的缩写，所以业内有些人也称之为“信息云母”，哈哈，有意思吧。但是，NTT取名Info-MICA的真正含义是Information-Multilayered ImPRinted CArd，即信息多层压印存储卡。Info-MICA利用了日本经济产业省（METI，Ministry of Economy, Trade and Industry）所主持的开发项目中所取得的部分成果。值得注重的是，从1998年至2003年，METI的研发目标是“纳米级可控光盘系统”，从中可以想象Info-MICA所利用的技术种类，纳米技术显然是必不可少了。Info-MICA的存储原理在前文已经提到，即薄膜全息图像技术（TFH，Thin Film Holography）。在存储时分为以下几步：首先，数据会被编码为二维图像，然后通过计算机全息图像生成技术（CGH，Computer Generated Hologram）转换成全息图像。之后，这个全息图像会被记录（压印）到Info-MICA中的每个波导层中形成次微米级的凹凸图案（即全息图案）。在读取时，先用激光束聚焦于Info-MICA中某一指定的波导层的底部，光线在Info-MICA波导层中传播，并借助凹凸图案进行散射，这样散射的光线会在波导层上方与之平行的平面上形成二维图像，这一图像将会被传感器捕捉并解码成原始数据。通过移动光源可以读取其他波导层上的数据（图案）。
用图像存储数据——全息图像存储器诞生（图一）

Info-MICA的原理图，此图更多的是阐明读取的原理，数据是事先压印于各波导层中的根据NTT的资料，与其他全息图像内存技术相比，Info-MICA的具有以下的特点：1、因为Info-MICA以薄膜全息技术为基础，它对光源波长与介质体积的适应力（或称容忍度）非常强。因此可以选用成本非常低的半导体激光作为光源，虽然由于个体的变异或温度的变化，光源波长不可避免地会出现起伏，但Info-MICA第一次在全息内存的读取驱动器中实现了用一个光源操作，而且这个特点有助于开发出小尺寸低成本的读取驱动器。另外，Info-MICA也第一次让使用低成本的普通塑料为介质原料成为了可能，在以前，人们普遍担心它们的热胀系数而不会将其用于全息内存。这样，使用传统的普通塑料材料也使得厂商可以像生产CD和DVD那样通过主胚基压印处理（MIP，Master Imprinting Process，以一个印刻有凹凸印记的母盘为胚基，然后成批压制光盘的方法）来大规模、低成本并且高速地的生产Info-MICA产品。而且，由于它是塑料制品，所以也是100%可以再回收利用的。2、因为Info-MICA（与光纤类似）有一个限制光的波导结构。因此，在堆叠的各波导层（呈凹凸不平的图案状）之间的光泄漏（在通信中又称串音干扰）现象将不会出现。这样，可以轻易的通过增加超薄的波导介质层数来提高Info-MICA的总容量。3、由于Info-MICA是一种薄膜全息内存，因此可以利用计算机全息图像生成技术（CHG）来提供非常自由的光学设计，最近开发的数据访问方法——多路孔径技术（Aperture Multiplexing）就是利用CHG开发出来的。它可以被用来构建成本低廉的但是读取精度非常高的系统，用来处理大容量全息数据。为了能让Info-MICA能正常稳定的工作，NTT必然也配套开发了相关的技术，主要包括以下几个方面。1、当读取用激光射入堆叠的波导层中时，射入激光的位置假如发生偏差，将会自动补偿校正并始终保持最佳耦合的状态。2、 NTT已经开发出了独特的图像修整与二维编码算法以减少处理工作量，并改良了码率。这些技术将有助于降低信号处理时的能耗，并可以精确的补偿修正创建图像的位置与角度错误，从而实现准确可靠的数据还原。目前已经在着手开发用于信号处理的专用芯片（ASIC）。
3、为了能创建用于压印生产的胚基，NTT也已经开发出独特的制图算法，使凹凸图案中的线条很少相互交迭。使用这一科技，Info-MICA胚基就可以使用目前广泛用于DVD生产的控制设备来制造，从而大幅度降低了新设备开发成本。 NTT所开发的Info-MICA驱动器原型，尺寸为88mm宽、37mm长、22mm高，比成年人的手掌还要小。针对这个驱动器的存储介质的尺寸为25mm宽、25mm长、2mm厚。借助于伺服系统，激光将被定位于指定的波导层，被激光重建的全息图像将被图像传感器所捕捉，接着经过二维解码以恢复成原始数据。这个置身于驱动器中的光学系统使用了极小的半导体激光器和菲涅耳物镜。伺服系统与硬盘一样，使用了电磁传动器来对1.5微米厚的波导层进行精确寻址。用图像存储数据——全息图像存储器诞生（图二）

Info-MICA驱动器原型用图像存储数据——全息图像存储器诞生（图三）

Info-MICA驱动器原型，大小不足一个手掌，从背面可以看出PCB还有大幅度缩小的空间（今后实现SoC单芯片设计）目前，已经可以确认的加工水平是，通过主胚基压印处理方法可以实现在堆叠了100个波导层的介质中可靠而准确地存储1GB的数字信息。NTT也因此相信可以将这种邮票大小但可以存储1GB数据的技术及读取驱动器商品化，并对其应用前景充分的激动之情。用图像存储数据——全息图像存储器诞生（图四）

目前的1GB容量的Info-MICA介质原型只有一张邮票大小
用图像存储数据——全息图像存储器诞生（图五）

拿在手中就如一个薄玻璃片用图像存储数据——全息图像存储器诞生（图六）

这会是未来的成品模样吗？ Info-MICA能做什么？通过上文的介绍，我们可以发现Info-MICA并不是一个可以随易往里写数据的存储器，它更多的是像ROM，在出厂前就预制（Pre-Recorded）好数据信息，而从实际的原理分析，可以看出它的生产过程更像光盘。只不过，由于是多层结构（层数试容量需求而定），所以压印起来可能会较为复杂。那么与传统的存储器相比，它有哪些具体的优势呢？NTT替我们总结出以下五点：1.有极高的存储密度；2. 驱动器小并且耗电量很低；3. 存储器的成本低廉可以大量生产；4. 对存储器的信息进行复制将是非常困难的；5. 存储器是塑料的，所以可以完全回收再利用。由此，我们不难看出Info-MICA并不是以DRAM、Flash RAM等存储器为替代目标的。根据其自身的特性，NTT认为它未来的潜在市场将主要有三个：1、替代传统的半导体ROM芯片：从尺寸的大小和容量/价格比方面来看来，Info-MICA都是可以胜任的，而需要大容量ROM的设备并不少见，如电子词典，以及那些需要大数据量存储以及具体图表显示的游戏机/老虎机领域，都可能是Info-MICA的用武之地。另外，新兴的车载电子设备（如导航系统）也将为其提供一展身手的舞台。2、信息发布媒体：这类产品包括杂志、各类票券，Info-MICA易用于制造，并且回收方便，它也可以附于封面挂带式的杂志（如以往的附送光盘的杂志）或其他商品。假如用来取代传统的纸质票证，也是不错的想法。3、传统的音像出版物：Info-MICA可以存储任何多媒体信息，包括游戏、音乐、以及电影。它们将得利于Info-MICA的高存储容量与良好的反盗版特性。体积非常小的Info-MICA驱动器可以被安装在那些对耗能以及尺寸要求严格的设备的中，比如手机、PDA或笔记本电脑。这将使用户可以在任何时间或空间享受Info-MICA所带来的乐趣，而且它的内容是很难被复制的。这对于那些已经被盗版搞得焦头烂额的唱片界，应该是个好消息。NTT认为，Info-MICA应该会是下一代最安全的版权内容的载体。
作为最近NTT推广Info-MICA产业应用活动的一部分。Info-MICA的相关资料已经在国际唱片业联盟（IFPI，International Federation of the Phonographic Industry）年度技术高层会议，以及日本唱片协会（RIAJ，Record Industry Association of Japan）的技术法律论坛上，送交给五个主要的美国与日本唱片巨头以及其他媒体公司。NTT鼓励它们充分讨论用Info-MICA来替换传统媒介来发售音乐产品的可能与可行性。 Info-MICA的前景如何？按照NTT的计划，将在2005年向市场提供Info-MICA产品，第一个就是邮票大小容量为1GB的ROM产品，届时它的成本将取决于当时的产量。不过，初步估计，驱动器的造价大约只有几千日元，存储介质的价格也就在100-200日元（约相当于1-2美元）之间。在未来，NTT还将推出基于Info-MICA的大于10GB的ROM产品，它将被用来影视界的发布媒体。其实，这个目标现在就基本可以做到，以目前尺寸的100层Info-MICA而言，相当于每层的存储密度为1.7Gbit/平方英寸，假如将存储器的面积扩展到SD存储卡的大小（24mm宽、32mm长、2.1mm厚），100层的Info-MICA的容量将会超过25GB。另外，NTT还将研究可写入的介质与驱动器结构，从而使Info-MICA的应用领域更为广阔。不过，Info-MICA的性能指标（主要就是数据传输率、寻址时间）一直没有被透露。虽然不可否认Info-MICA的先进性，但假如性能达不到基本的要求，那么市场前景也不容乐观。我们可以从目前的情况来分析一下Info-MICA的读取流程。相信它与CD-ROM一样至少会有一个数据层来为驱动器提供引导地址信息，而数据传输率将主要取决于对图像的解码速度，因为在如此小的空间里，光信号的传播时间是可以忽略不计的。而至于寻址时间，由于是以芯片的厚度为限，每次移动的距离不可能超出它，所以虽然仍是磁伺服机构，但2mm的距离相对于硬盘的磁头来说，微不足道，假如伺服控制精度与速度能够保证，那么寻址时间将会非常的短，但由于一读取就是一层的图像信息，因此随机寻址的功能的实现应该是在驱动器的处理芯片里完成，这可能又会涉及到处理的速度问题。NTT没有公布性能数据的原因可能就在于此，究竟目前相当的芯片开发还不成熟。另外，虽然直接复制Info-MICA本身对于普通用户来说是不可能的，但假如复制还原出来的数据是不是可能的呢？NTT也没有给出相关的资料，估计还需要传统数据版权保护技术的支持。当然，以上只是笔者的粗略分析，对于这种全新的存储器，我们还是拭目以待吧，但愿到2005年，Info-MICA可以顺利上市，假如一切功能与特性如NTT所说并完全兑现，那无疑将是令人兴奋的存储产品。

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