Holografischer Speicher (Holografisches Storage)
Holografische Speicher sind Computerspeicher, die mit Hilfe von Lasern computergenerierte Daten in drei Dimensionen speichern.
Das holografische Storage - auch Holospeicher oder Holografiespeicher, dreidimensionale Speicherung (3D) oder holografisches Datenspeichersystem (HDSS) genannt - ist ein volumetrisches Speichersystem. Während andere optische Speichermedien wie CDs, DVDs oder Festplatten Daten nur auf ihrer Oberfläche speichern, geht die holografische Datenspeicherung unter die Oberfläche, um das gesamte Aufzeichnungsmedium zu nutzen und ein holografisches Bild der Daten zu erzeugen.
Laut Statista wurde die Menge der weltweit erzeugten Daten im Jahr 2020 auf 64,2 Zettabyte (ZB) geschätzt, und bis 2025 soll diese Menge auf mehr als 180 ZB steigen. Um mit dem unvermeidlichen Speicherbedarf Schritt zu halten, müssen Unternehmen und Cloud-Service-Anbieter einen Weg finden, all diese Daten sicher vorzuhalten. Holografischer Speicher ist eine Methode, um dies zu erreichen, da sie darauf abzielt, eine große Datenmenge auf kleinem Raum zu speichern und gleichzeitig hohe Anforderungen an Leistung, Verfügbarkeit und Haltbarkeit zu erfüllen.
Das Konzept der holografischen Speicherung, das einst als die nächste Generation der optischen Speicherung galt, wurde erstmals Anfang der 1960er Jahre vorgeschlagen, kurz nachdem der Laser erfunden worden war. Bis in die frühen 2000er Jahre machten Forschungsteams in Wissenschaft und Industrie Fortschritte bei der Demonstration des Potenzials dieser Technologie.
Obwohl diese Technologie noch nicht in großem Umfang kommerzialisiert werden konnte, arbeiten viele Anbieter, darunter IBM und Lucent, und Organisationen wie die Defense Advanced Research Projects Agency an Prototypen.
Im Jahr 2020 hat Microsoft diese Speichertechnologie mit dem Projekt Holographic Storage Device (HSD), einer Zusammenarbeit zwischen Microsoft Research Cambridge und Microsoft Azure, wieder aufgegriffen. Ziel des Projekts ist die Anpassung der holografischen Technologie an die Cloud-Speichertechnologie für Rechenzentren.
Wie funktioniert die holografische Datenspeicherung?
Prototypen von HDSS unterscheiden sich in ihrer Funktionsweise, aber die meisten holografischen Datenspeichersysteme basieren auf demselben Konzept. Zu den grundlegenden Komponenten eines holografischen Speichersystems gehören ein blau-grüner Laser, Strahlteiler, Spiegel, LCD-Panels, Linsen, ein Kristall und eine Kamera.
Ein Beispiel für die grundlegende Funktionsweise eines HDSS beginnt mit dem Abfeuern eines blau-grünen Argon-Lasers. Ein Strahlteiler teilt den Laser dann in zwei Strahlen auf - den Signalstrahl und den Referenzstrahl. Der Signalstrahl bewegt sich geradeaus, bis er an einem Spiegel abprallt und auf einen räumlichen Lichtmodulator trifft, der eine LCD-Anzeige ist, auf der Seiten mit Rohdaten angezeigt werden. Die Daten werden an einen lichtempfindlichen Kristall weitergeleitet. Der Referenzstrahl tritt auf der Seite des Strahlteilers aus und nimmt einen anderen Weg zum Kristall. Wenn sich die beiden Strahlen treffen, wird auf dem Kristall ein Muster erzeugt, das Daten im Volumen des Kristalls speichert. Die Daten können in verschiedenen Bereichen des Kristalls gespeichert werden.
Um die im Kristall gespeicherten Daten abzurufen, strahlt der Referenzstrahl in genau demselben Winkel in den Kristall, in dem die Daten ursprünglich gespeichert wurden. Die Daten können dann rekonstruiert und auf eine CCD-Kamera (Charge-Coupled Device) projiziert werden. Die Kamera wertet die Daten aus und leitet sie an einen Computer weiter. Mit dieser Speichermethode können ganze Seiten von Daten schnell auf einmal abgerufen werden.
Mit dem Projekt HSD ist Microsoft möglicherweise einer der Anbieter, die einem erfolgreichen holografischen Speichergerät am nächsten kommen. Seine Methode zur Implementierung der Technologie unterscheidet sich von den herkömmlichen Versuchen, ein holografisches Speichergerät zu entwickeln. Das Projekt erreicht eine Datenspeicherdichte, die 1,8 Mal höher ist als bei früheren Prototypen volumetrischer holografischer Datenspeicher.
Das Projekt HSD verwendet Komponenten wie hochauflösende Kameras und Bildschirme in heutigen Smartphones. Das Projekt nutzt auch maschinelles Lernen und Deep Learning, um Präzision und Leistung weiter zu verbessern. Dadurch konnte das Microsoft-Team optische Verzerrungen und Fertigungstoleranzanforderungen verringern.
Projekt HSD speichert die Hologramme in elektro-optischen kristallinen Materialien, im Gegensatz zu anderen holografischen Speichersystemen, die aus Lithium-Niobat- oder Photopolymer-Materialien bestehen. Das bedeutet, dass das Projekt HSD nicht auf den Betrieb mit einmaligem Schreiben und mehrmaligem Lesen beschränkt ist. Das gespeicherte Hologramm wird gelöscht, indem das kristalline Material mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird, so dass das Hologramm wieder verwendet werden kann.
Obwohl Microsoft von der traditionellen holografischen Speicherung abweicht, indem es ein anderes Material für den Kristall verwendet, ist der grundlegende Ansatz zum Lesen und Schreiben von Daten weitgehend derselbe wie bei anderen holografischen Speichersystemen.
Holografische Speicheranwendungen und Anwendungsfälle
Holografische Speichersysteme sind ein wiederbeschreibbares optisches Hochgeschwindigkeits-Speichermedium mit hoher Dichte. Holografische Speicher sind in der Lage, Daten parallel aufzuzeichnen und vom Speichermedium zu lesen, was zu einem höheren Gesamtdurchsatz führt. Außerdem werden weniger mechanische Teile benötigt, wie sie beispielsweise in Festplattenlaufwerken zu finden sind.
Die holografische Speicherung könnte auch für warme Daten von Vorteil sein. Auf warme Daten wird in der Regel seltener zugegriffen und sie werden seltener aktualisiert als Daten, die wichtige Geschäftsanwendungen unterstützen - sie werden selten in Echtzeit gepflegt. Es handelt sich um eine relativ kostengünstige Möglichkeit, spezifische Geschäftsanforderungen effizient und zeitnah zu erfüllen. Durch die schnelle Leseleistung und die Fähigkeit, Daten zu aktualisieren, ist Holografie-Storage für viele Anwendungen gut geeignet.
Die holografische Speicherung könnte zum Beispiel für Folgendes von Nutzen sein:
- Anwendungen, die fortschrittliche Technologien wie prädiktive Analytik oder künstliche Intelligenz umfassen
- Big-Data-Analytik
- Anbieter von Cloud-Speicher
- Data Warehousing
- Unternehmensrechenzentren
- Archivierung von warmen Daten und weniger kritischen Vorgängen
Vor- und Nachteile der holografischen Speicherung
Zu den Vorteilen der holografischen Speicherung gehören die folgenden:
- Holografische Medien können etwa 50 Jahre lang halten.
- Hohe Übertragungsraten. Holografische Speichergeräte bieten bis zu 1 Gigabyte pro Sekunde.
- Hohe Kapazitäten. Holografische Speichergeräte haben eine potenzielle Speicherkapazität von etwa 1 Terabyte an Daten pro Quadratzoll.
- Schneller Zugriff auf Daten. Im Vergleich zu herkömmlichen magnetischen Laufwerken ist der Zugriff auf die Daten schnell.
Doch die holografische Speicherung hat auch Nachteile.
- Derzeit auf dem Markt befindliche Datenspeichertechnologien wie Festplattenlaufwerke können bereits mit den voraussichtlichen Kapazitäten der holografischen Speicherung konkurrieren.
- Die Daten müssen in genau demselben Winkel abgerufen werden, in dem sie geschrieben wurden. Selbst bei einer Abweichung von nur einem Tausendstel Millimeter wird der Kristall die Daten nicht wiederherstellen können.
- Die Stärke eines Hologramms nimmt ab, wenn zu viele Seiten in einem einzigen Kristall gespeichert werden.
Die Zukunft der holografischen Datenspeicherung
Die holografische Datenspeicherung hat noch einen langen Weg von der Forschungsphase bis zu dem Punkt vor sich, an dem Unternehmen ohne weiteres kommerzielle Produkte erwerben können (Stand Dezember 2021). Die Hersteller müssen völlig neue Umgebungen für den Bau der Speichergeräte einrichten, die ein hohes Maß an Präzision erfordern, um die richtige Ausrichtung der Komponenten zu gewährleisten.
Microsoft hat der holografischen Speicherung mit dem Projekt HSD neues Leben eingehaucht; die meisten Forschungsarbeiten zu diesem Projekt konzentrierten sich jedoch auf das Beschreiben und Lesen einer einzigen Zone - eine Zone ist ein kleiner Bereich oder ein Volumen im Inneren des Kristalls. In einer Zone können mehrere Seiten aufgezeichnet werden. Das Team steht immer noch vor Herausforderungen, wie zum Beispiel die Erzielung des gleichen Leistungsniveaus in mehreren Zonen. Außerdem muss sichergestellt werden, dass die Daten nicht versehentlich durch UV-Licht gelöscht werden.
