نظام تخزين بيانات هولوغرافي فائق السرعة قائم على توسيع حجم صفحة البيانات

لماذا تهم السرعات الأعلى للبيانات

من بث الأفلام إلى تدريب الذكاء الاصطناعي، يولّد عالمنا معلومات أكثر مما تستطيع محركات الأقراص والاسطوانات البصرية الحالية التعامل معه بسهولة. كثير من هذه البيانات «الباردة» للأرشفة تُطلب الآن بشكل متكرر، فتتحول إلى «ساخنة» غير متوقعة وتضغط على أنظمة التخزين لتحريك البيانات بسرعة أكبر بكثير. تستعرض هذه الورقة بديلاً واعداً للتخزين التقليدي: نظام هولوغرافي يكتب ويقرأ كتلاً واسعة من المعلومات بالضوء، ويستعرض طريقة لدفع معدل نقل البيانات لما يزيد عن 20 جيجابت في الثانية.

تخزين المعلومات في أنماط الضوء

على عكس أجهزة التخزين المألوفة التي تكتب البتات واحدة تلو الأخرى على مسار، يسجل التخزين الهولوغرافي صوراً كاملة من البيانات دفعة واحدة. كل «صفحة» هي نمط ثُنائي البعد من وحدات بكسل مضيئة ومظلمة يُشفّر معلومات رقمية. عندما يلتقي شعاع الإشارة المُشكَّل مع شعاع مرجعي أنقى داخل وسط خاص، يُسجَّل نمط التداخل فيما يشبه حقل تموج متجمد ثلاثي الأبعاد. وبما أن الصفحات الكاملة تُكتب وتُقرأ في لقطة واحدة، يمكن لهذا الأسلوب، من حيث المبدأ، نقل البيانات بمرات أسرع بكثير من طرق البت تلو البت.

القيد: مرايا صغيرة ومساحة محدودة

لتحويل البيانات الإلكترونية إلى أنماط ضوئية، يستخدم المهندسون معدلات تغيير ضوئية مكانية—رقائق يمكنها تبديل مئات الآلاف من العناصر الصغيرة بين التشغيل والإيقاف. إصدار رائد، جهاز المرايا الدقيقة الرقمي (DMD)، يستخدم مصفوفة من المرايا المجهرية القابلة للإمالة التي يمكنها الانقلاب بعشرات الآلاف من المرات في الثانية، مما يجعله مثالياً للتشغيل عالي السرعة. لكن قيود الفيزياء والتصنيع تحد من مدى صغر كل مرآة وعدد ما يمكن وضعه على شريحة واحدة. تطلب الترتيبات الهولوغرافية التقليدية من DMD واحد التعامل مع كل من شعاع الإشارة الحامل للبيانات والشعاع المرجعي، مجبرة الشريحة على تقاسم مساحة المرايا الثمينة بينهما. هذا الانقسام في المساحة يحد بشدة من مقدار المعلومات التي يمكن كتابتها في كل صفحة.

التضاعف وتحرير المساحة

يتعامل الباحثون مع هذا القيد من جهتين. أولاً، يقومون بتقسيم شعاع الإشارة عبر شريحتَي DMD بدلاً من واحدة. تَشفِر كل شريحة نصف صفحة البيانات؛ ثم يقوم نظام بصري «بلصق» النصفين العلوي والسفلي معاً ليشكلا نمطاً واحداً كبيراً سلساً على مستوى التسجيل. هذا يوسع فعلياً حجم صفحة البيانات إلى المساحة المجمعة للجهازين دون الحاجة إلى مرايا أصغر. ثانياً، يتخلّون عن تحميل شريحتَي DMD مهمة تشكيل الشعاع المرجعي. وبدلاً من ذلك، تطبع قناع حلقي مُصَنَّع خصيصاً النمط المطلوب على شعاع منفصل، محاكة البنية الشبيهة بالشبكة لـDMD دون استهلاك أي من بكسلاته. معاً، تُكرَّس هذه الخطوات تقريباً كل مساحة DMD لحمل المعلومات المفيدة.

ترميز أذكى لكل بقعة صغيرة

بعيداً عن تكبير «قماش» الضوء، يعبئ الفريق أيضاً معلومات أكثر معنى في كل بقعة صغيرة من ذلك القماش. يقسمون الصفحة إلى كثير من كتل 4×4 بكسل صغيرة ويستخدمون نظام وزن ثابت حيث بالضبط خمسة بكسلات في كل كتلة تكون مضاءة والباقي مظلم. عبر اختيار أي خمسة تكون مضاءة بعناية، تمثل كل كتلة أحد الأنماط الـ4,096 الممكنة—وهو ما يكفي لترميز 12 بتاً من البيانات في مساحة لا تتجاوز 16 بكسلاً. مقارنة بخطة سابقة كانت تخزن 8 بتات لكل كتلة، يعزّز هذا الترميز الأعلى الكثافة الحمولة لكل صفحة بشكل ملحوظ مع الحفاظ على فصل موثوق بين حالات «تشغيل» و«إيقاف». تُظهر اختبارات أنماط الإشارة الملصوقة معدلات خطأ منخفضة ومستويات إشارة إلى ضوضاء سليمة، مؤكدةً أن الصفحات الأكثر ازدحاماً تظل قابلة للقراءة.

دفع نحو تخزين فائق السرعة

لاختبار ما يمكن أن يحققه تصميمهم عملياً، استبدل المؤلفون الوسط الهولوغرافي بمرآة واستخدموا كاميرا عالية السرعة لالتقاط الصفحات المشفّرة، معزولين أداء الواجهة البصرية الأمامية. مع تشغيل إعداد DMD المزدوج قرب 28,000 إطار في الثانية وحمل كل صفحة ممتد نحو 770,000 بت، يصل النظام إلى معدل كتابة بيانات قدره 20.06 جيجابت في الثانية. من حيث المبدأ، مع كاميرات ومحولات ضوئية-كهربائية أسرع في المستقبل لمجاراة السرعات، يمكن أن تدعم نفس البنية معدلات قراءة تتجاوز 100 جيجابت في الثانية—أبعد بكثير من الأقراص البصرية السائدة اليوم. بينما سيتطلب تحقيق هذا الوعد تقدماً في مواد التسجيل واستقرار النظام، تُظهر هذه الدراسة مساراً واضحاً نحو تخزين هولوغرافي يمكنه مواكبة عصر الجوع إلى البيانات.

الاستشهاد: Lin, Y., Ke, S., Xu, X. et al. Ultra-high-speed holographic data storage system based on extending data page size. Sci Rep 16, 12100 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41672-3

الكلمات المفتاحية: تخزين البيانات الهولوغرافي, تخزين بصري عالي السرعة, جهاز المرايا الدقيقة الرقمي, أرشفة البيانات الضخمة, ترميز صفحة البيانات