Ультраскоростная голографическая система хранения данных на основе увеличения размера страницы данных

Почему важна более высокая скорость передачи данных

От потокового видео до обучения ИИ — наш мир генерирует больше информации, чем современные жесткие диски и оптические диски способны комфортно обрабатывать. Значительная часть этих «холодных» архивных данных теперь запрашивается чаще, неожиданно превращаясь в «горячие» данные и оказывая давление на системы хранения, требующие гораздо более быстрой передачи. В этой работе рассматривается перспективная альтернатива традиционным методам хранения: голографическая система, которая записывает и считывает большие блоки информации с помощью света, и показан способ повышать её скорость передачи данных выше 20 гигабит в секунду.

Хранение информации в световых изображениях

В отличие от привычных устройств хранения, которые записывают биты один за другим вдоль дорожки, голографическое хранение данных фиксирует целые «страницы» данных одновременно. Каждая «страница» — это двухмерный рисунок ярких и тёмных пикселей, кодирующий цифровую информацию. Когда этот оформленный сигнал встречается с вторым, чистым опорным лучом внутри специальной среды, их интерференционная картина записывается в трёх измерениях, как застывшее поле ряби. Поскольку целые страницы записываются и считываются за один импульс, этот подход в принципе может перемещать данные на порядки быстрее, чем побитовые методы.

Узкое место: крошечные зеркала, ограниченная площадь

Чтобы превратить электронные данные в световые паттерны, инженеры используют пространственные модуляторы света — чипы, которые могут включать и выключать сотни тысяч мелких элементов. Ведущий вариант — цифровое микрозеркальное устройство (DMD), представляющее собой массив микроскопических наклоняющихся зеркал, которые могут переключаться десятки тысяч раз в секунду, что делает его идеальным для высокоскоростной работы. Но физические и производственные ограничения ограничивают минимальные размеры каждого зеркала и число зеркал на одном чипе. Традиционные голографические установки вынуждают один DMD обслуживать одновременно и сигнальный, и опорный луч, заставляя чип делить свою драгоценную площадь зеркал между ними. Это сжатое пространство резко ограничивает объём информации, который можно записать на одну страницу.

Дублирование и освобождение пространства

Исследователи решают это ограничение в двух направлениях. Во‑первых, они разделяют сигнальный луч между двумя DMD-чипами вместо одного. Каждый чип кодирует половину страницы данных; оптическая система затем «сшивает» верхнюю и нижнюю половины обратно в один большой бесшовный рисунок на плоскости записи. Это фактически расширяет размер страницы до суммарной площади обоих устройств без необходимости уменьшать зеркала. Во‑вторых, они больше не загружают DMD формированием опорного луча. Вместо этого специальная кольцеобразная маска наносит требуемый профиль на отдельный луч, имитируя решетчатую структуру DMD без использования его пикселей. Вместе эти шаги выделяют почти всю площадь DMD для переноса полезной информации.

Более умное кодирование для каждой крошечной партии

Кроме увеличения светового полотна, команда также уплотняет полезную информацию в каждом небольшом участке этого полотна. Они делят страницу на множество маленьких блоков 4×4 пикселя и используют схему с постоянным весом, где ровно пять пикселей в каждом блоке яркие, а остальные тёмные. Тщательно выбирая, какие пять включены, каждый блок представляет одну из 4096 возможных конфигураций — достаточно для кодирования 12 бит в области всего из 16 пикселей. По сравнению с предыдущей схемой, сохранявшей 8 бит на блок, такое более плотное кодирование существенно увеличивает полезную нагрузку на страницу, при этом сохраняя надёжное разделение между состояниями «вкл» и «выкл». Тесты сшитых сигнальных паттернов показывают низкие уровни ошибок и здоровые значения сигнал/шум, подтверждая, что более плотные страницы остаются читаемыми.

Движение к ультрабыстрому хранению

Чтобы оценить, чего их конструкция может достичь на практике, авторы заменили голографическую среду зеркалом и использовали высокоскоростную камеру для захвата закодированных страниц, изолируя производительность оптической передней части. При работе установки с двумя DMD почти на 28 000 кадров в секунду и при том, что каждая расширенная страница несёт около 770 000 бит, система достигает скорости записи 20,06 гигабит в секунду. В принципе, при наличии будущих камер и фотоприёмников, достаточно быстрых чтобы не отставать, та же архитектура может поддерживать скорости чтения значительно выше 100 гигабит в секунду — далеко за пределами возможностей современных оптических дисков. Хотя для полного воплощения этого потенциала потребуются достижения в материалах для записи и стабильности системы, эта работа показывает ясный путь к голографическому хранению, способному поспевать за эпохой, требующей всё больше данных.

Цитирование: 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

Ключевые слова: голографическое хранение данных, высокоскоростное оптическое хранение, цифровое микрозеркальное устройство, архивирование больших данных, кодирование страницы данных