Lưu trữ dữ liệu ba chiều là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng của holostorage

by X Công Nghệ

1. Lưu trữ dữ liệu ba chiều là gì?

Lưu trữ dữ liệu ba chiều (Holographic storage hoặc Holostorage) là lưu trữ máy tính sử dụng tia laser để lưu trữ dữ liệu do máy tính tạo ra trong không gian ba chiều.

Lưu trữ dữ liệu ba chiều (còn có tên gọi khác là lưu trữ 3D hoặc hệ thống lưu trữ dữ liệu ba chiều – HDSS) là một hệ thống lưu trữ theo thể tích. Trong trường hợp các phương tiện lưu trữ quang học khác như CD, DVD hoặc đĩa cứng chỉ lưu trữ dữ liệu trên bề mặt của chúng, thì việc lưu trữ dữ liệu ba chiều nằm bên dưới bề mặt để sử dụng toàn bộ phương tiện ghi, tạo ra hình ảnh ba chiều của dữ liệu.

Theo Statista, lượng thông tin toàn cầu được tạo ra vào năm 2020 ước tính là 64,2 zettabyte (ZB) và đến năm 2025, lượng thông tin ước tính là hơn 180 ZB. Để bắt kịp nhu cầu lưu trữ tất yếu, các doanh nghiệp và nhà cung cấp dịch vụ đám mây phải tìm cách lưu trữ toàn bộ dữ liệu này. Lưu trữ dữ liệu ba chiều là một phương pháp để thực hiện điều này, vì mục tiêu của nó là lưu trữ một lượng lớn dữ liệu trong một lượng nhỏ không gian trong khi vẫn đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất, tính khả dụng và độ bền cao.

Từng được coi là thế hệ lưu trữ quang học tiếp theo, khái niệm lưu trữ dữ liệu ba chiều lần đầu tiên được đề xuất vào đầu những năm 1960, ngay sau khi laser được phát minh. Các nhóm nghiên cứu cả trong học viện và công nghiệp tiếp tục đạt được tiến bộ trong việc chứng minh tiềm năng của công nghệ vào đầu những năm 2000.

Mặc dù chưa có ai thương mại hóa hàng loạt công nghệ này, nhưng nhiều nhà cung cấp, bao gồm IBM và Lucent, và các tổ chức như Cơ quan Dự án Nghiên cứu Nâng cao Quốc phòng, đang nghiên cứu các nguyên mẫu.

Vào năm 2020, Microsoft đã xem xét lại công nghệ lưu trữ này với Project Holographic Storage Device (HSD), sự hợp tác giữa Microsoft Research Cambridge và Microsoft Azure. Mục tiêu của dự án là điều chỉnh công nghệ ảnh ba chiều sang lưu trữ quy mô đám mây cho các trung tâm dữ liệu.

2. Lưu trữ dữ liệu ba chiều hoạt động như thế nào?

Các nguyên mẫu của HDSS khác nhau về hoạt động, nhưng hầu hết các hệ thống lưu trữ dữ liệu ảnh ba chiều đều dựa trên cùng một khái niệm. Các thành phần lưu trữ dữ liệu ba chiều cơ bản bao gồm tia laser xanh lam, bộ tách chùm, gương, tấm LCD, thấu kính, tinh thể và máy ảnh.

Một ví dụ về hoạt động cơ bản đằng sau HDSS bắt đầu bằng việc bắn tia laser argon xanh lam. Sau đó, một bộ tách chùm sẽ tách tia laser thành hai chùm – chùm tín hiệu và chùm tham chiếu. Chùm tín hiệu truyền thẳng cho đến khi nó bật ra khỏi gương và đi vào bộ điều biến ánh sáng không gian, là một màn hình LCD hiển thị các trang dữ liệu thô. Dữ liệu được đưa đến một tinh thể nhạy cảm với ánh sáng. Chùm tham chiếu phát ra từ mặt bên của bộ tách chùm, đi theo một đường khác tới tinh thể. Khi hai chùm sáng gặp nhau, một mẫu được tạo ra trên tinh thể để lưu trữ dữ liệu về thể tích của tinh thể. Dữ liệu có thể được lưu trữ ở các khu vực khác nhau trong tinh thể.

Để truy xuất dữ liệu được lưu trữ trong tinh thể, chùm tham chiếu chiếu vào tinh thể theo đúng góc mà dữ liệu được lưu trữ ban đầu. Sau đó, dữ liệu có thể được tái tạo và chiếu lên máy ảnh của thiết bị tích điện (CCD). Máy ảnh thông dịch và chuyển tiếp dữ liệu đến máy tính. Toàn bộ trang dữ liệu có thể được truy xuất nhanh chóng cùng một lúc bằng cách sử dụng phương pháp lưu trữ này.

Khi tung ra Project HSD, Microsoft có thể là một trong những nhà cung cấp gần nhất có được thiết bị lưu trữ dữ liệu ba chiều thành công. Phương pháp thực hiện công nghệ của nó khác với những nỗ lực truyền thống trong việc tạo ra một thiết bị lưu trữ dữ liệu ba chiều. Dự án đạt được mật độ lưu trữ dữ liệu cao hơn 1,8 lần so với các nguyên mẫu lưu trữ dữ liệu ba chiều thể tích trước đó.

Project HSD sử dụng các thành phần như camera độ phân giải cao và màn hình hiển thị trong điện thoại thông minh ngày nay. Dự án cũng sử dụng máy học và học sâu để cải thiện hơn nữa độ chính xác và hiệu suất. Kết quả là, nhóm nghiên cứu tại Microsoft đã giảm thiểu các biến dạng quang học và các yêu cầu về dung sai trong sản xuất.

Project HSD lưu trữ các hình ảnh ba chiều trong vật liệu tinh thể điện quang, không giống như các hệ thống lưu trữ hình ảnh ba chiều khác được làm từ vật liệu lithium-niobate hoặc photopolymer. Điều này có nghĩa là Project HSD không bị giới hạn viết một lần, đọc nhiều thao tác. Hình ba chiều được lưu trữ sẽ bị xóa bằng cách cho vật liệu tinh thể tiếp xúc với ánh sáng cực tím, cho phép sử dụng lại hình ba chiều.

Mặc dù Microsoft đã rời bỏ lưu trữ dữ liệu ba chiều truyền thống bằng cách sử dụng các vật liệu khác nhau cho tinh thể, nhưng cách tiếp cận cơ bản để đọc và ghi dữ liệu cũng giống như các hệ thống lưu trữ dữ liệu ba chiều khác.

3. Các ứng dụng của lưu trữ dữ liệu ba chiều

Hệ thống lưu trữ dữ liệu ba chiều là một phương tiện lưu trữ thông tin quang tốc độ cao, mật độ cao, có thể ghi lại được. Lưu trữ dữ liệu ba chiều có khả năng ghi và đọc dữ liệu từ phương tiện lưu trữ song song, dẫn đến thông lượng tổng thể cao hơn. Nó cũng yêu cầu ít bộ phận cơ học hơn, chẳng hạn như những bộ phận được tìm thấy trong ổ đĩa cứng.

Lưu trữ dữ liệu ba chiều cũng có thể mang lại lợi ích cho dữ liệu ấm. Dữ liệu ấm thường được truy cập và cập nhật ít thường xuyên hơn dữ liệu hỗ trợ các ứng dụng kinh doanh quan trọng – hiếm khi được duy trì trong thời gian thực. Đây là một cách tương đối hiệu quả về chi phí để giải quyết các nhu cầu kinh doanh cụ thể một cách hiệu quả và kịp thời. Hiệu suất đọc nhanh và khả năng cập nhật dữ liệu làm cho nó phù hợp với nhiều ứng dụng.

Ví dụ, lưu trữ dữ liệu ba chiều có thể mang lại lợi ích như sau:

  • ứng dụng tích hợp các công nghệ tiên tiến như phân tích dự đoán hoặc trí tuệ nhân tạo;
  • phân tích dữ liệu lớn;
  • các nhà cung cấp dịch vụ lưu trữ đám mây;
  • kho dữ liệu;
  • trung tâm dữ liệu doanh nghiệp; và
  • lưu trữ dữ liệu ấm và các hoạt động ít quan trọng hơn.

4. Ưu điểm và nhược điểm của lưu trữ dữ liệu ba chiều

Các lợi ích của việc lưu trữ dữ liệu ba chiều bao gồm những điều sau:

  • Độ bền. Phương tiện ba chiều có thể tồn tại trong khoảng 50 năm.
  • Tỷ lệ chuyển khoản cao. Các thiết bị bộ nhớ ba chiều cung cấp lên đến 1 gigabyte mỗi giây.
  • Công suất cao. Các thiết bị lưu trữ dữ liệu ba chiều có khả năng lưu trữ tiềm năng khoảng 1 terabyte dữ liệu trên mỗi inch vuông.
  • Truy cập nhanh vào dữ liệu. Khả năng truy xuất dữ liệu nhanh chóng so với ổ đĩa từ truyền thống.

Nhưng cũng có những nhược điểm đối với lưu trữ dữ liệu ba chiều:

  • Các công nghệ lưu trữ dữ liệu hiện có trên thị trường như ổ đĩa cứng, đã có thể cạnh tranh với dung lượng dự kiến ​​của lưu trữ dữ liệu ba chiều.
  • Dữ liệu phải được truy xuất ở cùng góc độ mà nó đã được ghi. Ngay cả khi chỉ chênh lệch một phần nghìn milimet, tinh thể sẽ không lấy được dữ liệu.
  • Độ bền của ảnh ba chiều bị giảm đi nếu quá nhiều trang được lưu trữ trong một tinh thể đơn lẻ.

5. Tương lai của lưu trữ dữ liệu ba chiều

Lưu trữ dữ liệu ba chiều còn một chặng đường dài để đi từ giai đoạn nghiên cứu đến thời điểm doanh nghiệp có thể dễ dàng mua các sản phẩm thương mại. Các nhà sản xuất phải thiết lập môi trường hoàn toàn mới để xây dựng các thiết bị lưu trữ, đòi hỏi độ chính xác cao để đảm bảo sự liên kết phù hợp của các thành phần.

Microsoft đã thổi một luồng sinh khí mới vào lưu trữ dữ liệu ba chiều với Project HSD; tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu về dự án này đều tập trung vào việc ghi và đọc từ một vùng duy nhất – một vùng là một vùng nhỏ hay còn gọi là thể tích bên trong tinh thể. Nhiều trang có thể được ghi trong một vùng. Nhóm vẫn phải đối mặt với những thách thức bao gồm việc cung cấp cùng một mức hiệu suất trên nhiều khu vực. Một lo lắng khác là đảm bảo rằng việc vô tình tiếp xúc với tia UV sẽ không xóa được dữ liệu.

Xem Thêm