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Armazenamento de dados holográficos (armazenamento 3D)

Por Juliana Gaidargi em 14/12/2021 em Segurança

O trabalho mais recente em desenvolvimento de armazenamento de dados holográficos (armazenamento 3D) aborda seus usos de uma maneira diferente. Então, dê um mergulho profundo nas possibilidades e no potencial do armazenamento 3D.

dados holográficos (armazenamento 3D)

O armazenamento de dados holográficos (armazenamento 3D) tem sido discutido há décadas. Antes anunciado como a próxima geração de armazenamento óptico, ele prometia maiores densidades e velocidades de acesso do que os discos Blu-ray de hoje.

Ao longo dos anos, várias equipes de pesquisa tentaram construir sistemas holográficos que pudessem atender às crescentes demandas de armazenamento de dados. No entanto, essas equipes alcançaram poucos resultados concretos além do protótipo ocasional. Contudo, seus esforços não foram em vão. Afinal, a Microsoft deu uma nova vida ao armazenamento holográfico com o Project HSD. Trata-se de uma colaboração entre a Microsoft Research Cambridge e a Microsoft Azure, cujo objetivo é adaptar a tecnologia holográfica ao armazenamento em escala de nuvem.

Por que hologramas para armazenamento?

O armazenamento holográfico – às vezes referido como armazenamento 3D – é um sistema de armazenamento volumétrico que usa lasers para ler e gravar dados, semelhante a outro armazenamento óptico. No entanto, mídias como CDs, DVDs e discos rígidos podem armazenar dados apenas na superfície da mídia, limitando sua capacidade de armazenamento bidimensional. Em contrapartida, o armazenamento holográfico de dados (armazenamento 3D) utiliza todo o volume, o que permite armazenar mais dados em um espaço menor e aumentar as velocidades de gravação e leitura de dados.

O pesquisador da Polaroid, Pieter J. van Heerden, propôs o armazenamento de dados holográficos no início dos anos 1960, não muito depois da invenção do laser. No início dos anos 2000, as equipes de pesquisa da indústria e da academia fizeram um progresso significativo na demonstração do potencial da tecnologia. 

No entanto, dois esforços importantes vieram do spinoff da Polaroid, Aprilis, e do spinoff da InPhase Technologies, da Bell Labs. Ambas as empresas tentaram trazer o armazenamento holográfico para o mercado. No final, entretanto, nenhuma das duas obteve sucesso comercial. Então, a Dow Corning adquiriu a Aprilis e a InPhase finalmente entrou com pedido de concordata.

Iniciativas

Houve muitos outros esforços também, contudo, nenhum conseguiu virar a maré no armazenamento de dados holográficos (armazenamento 3D). A maioria dessas tentativas concentrava-se no uso de mídia circular semelhante a CDs ou DVDs para suportar operações de gravação única, leitura múltipla (WORM), mas o armazenamento holográfico competia com tecnologias mais estabelecidas, que também haviam avançado.

Os HDDs, por exemplo, ficaram mais rápidos e densos, e os SSDs ficaram mais baratos e duráveis. Ao mesmo tempo, aumentou a dependência da computação em nuvem, que trouxe armazenamento escalonável e amplos recursos de streaming.

Entretanto, apesar dessas tendências, a necessidade de plataformas de armazenamento inovadoras continua a crescer. De acordo com a Microsoft, o mundo vai gerar 125 zetabytes de dados anualmente até 2024. Portanto, as empresas e os provedores de serviços em nuvem devem criar formas econômicas de armazenar esses dados e atender aos requisitos necessários de desempenho, disponibilidade e durabilidade. Afinal, as tecnologias de armazenamento atuais são insuficientes para manter esse volume de dados. Os HDDs, por exemplo, são limitados por sua natureza mecânica. Os SSDs ainda são relativamente caros para implementar em escala e nem sempre oferecem a resistência necessária.

Projeto HSD de armazenamento holográfico (armazenamento 3D) 

Para ajudar a atender às necessidades futuras de armazenamento, a Microsoft lançou o Project Holographic Storage Device (HSD). Trata-se de um esforço de pesquisa colaborativa que revisita a tecnologia holográfica, entretanto, desta vez com a ideia de fornecer armazenamento em escala de nuvem para oferecer suporte a dados quentes.

O Project HSD faz parte do grupo Optics for the Cloud da Microsoft no Microsoft Research Lab em Cambridge, Inglaterra. Outro esforço do grupo é o Projeto Sílica, que faz experiências com o uso de cristais para fornecer armazenamento de arquivos de longo prazo. No entanto, o Projeto Silica se concentra apenas em operações WORM, como as abordagens tradicionais para armazenamento de dados holográficos (armazenamento 3D). Já o Project HSD torna possível apagar e reescrever dados e oferece velocidades de leitura e gravação mais rápidas.

De acordo com a Microsoft, a missão do projeto é “projetar armazenamento em nuvem de alta resistência e livre de movimentos mecânicos que seja de alto desempenho e econômico”. A Microsoft também afirma que o projeto já atingiu uma densidade 1,8 vezes maior do que o armazenamento de dados holográficos (armazenamento 3D) volumétricos anteriores. Contudo, a equipe trabalha para aumentar ainda mais as densidades e atingir taxas de acesso mais rápidas.

Para ajudar a cumprir essas promessas, o Project HSD usa componentes básicos, como as câmeras de alta resolução e as telas dos smartphones atuais. O projeto também usa aprendizado de máquina e aprendizado profundo para melhorar ainda mais a precisão e o desempenho. Como resultado, a equipe reduziu as distorções ópticas e os requisitos de tolerância de fabricação. Ele usa software para compensar e calibrar o sistema em tempo de execução.

Diferenciais

O material usado para o meio de armazenamento também diferencia o Projeto HSD de outras tentativas de armazenamento de dados holográficos. Afinal, muitos dos outros projetos usaram polímeros para armazenar mudanças permanentes no material, razão pela qual eles foram limitados a operações WORM.

Em contraste, o Projeto HSD armazena os hologramas em materiais cristalinos eletro-ópticos. Ou seja, o projeto armazena cada holograma como uma variação espacial na distribuição da densidade do elétron, que pode mudar expondo o meio à luz de um comprimento de onda específico. Vale ressaltar que os hologramas também podem ser apagados expondo o material cristalino à luz ultravioleta.

Como funciona?

Apesar do afastamento da Microsoft do armazenamento holográfico tradicional, a abordagem básica para ler e gravar dados é praticamente a mesma. O processo de armazenamento começa dividindo um feixe de laser em dois sinais. Um dos feixes carrega os dados para o meio de armazenamento. O feixe de transporte de dados – também conhecido como feixe de dados, objeto ou sinal – passa por um dispositivo chamado modulador de luz especial, que então passa ou bloqueia a luz em pontos correspondentes aos binários 1s e 0s. O feixe de dados modulado então continua para o material cristalino.

O segundo feixe de luz é conhecido como feixe de referência. O feixe não passa por um modulador de luz, mas ricocheteia em um espelho e é redirecionado para o meio de armazenamento, onde se cruza com o feixe de dados para criar um padrão de interferência 3D no material óptico.

O padrão forma um minúsculo holograma que representa uma única página de dados, que pode conter centenas de kilobytes de dados. Uma página de dados ocupa um pequeno volume, ou zona, dentro do material ótico. Uma zona pode conter várias páginas e o meio de armazenamento pode conter várias zonas.

Portanto, um dispositivo de armazenamento holográfico lê os dados difratando o feixe de referência do holograma no meio de armazenamento. Contudo, o feixe de dados não é necessário para esta operação. Afinal, uma câmera captura a imagem difratada, o que permite reconstruir a página de dados original. Um sistema de armazenamento holográfico pode ler diferentes hologramas alterando o ângulo do feixe de referência ou pode apagar os hologramas com luz ultravioleta, tornando possível reescrever os dados.

Então, o armazenamento de dados holográficos (armazenamento 3D) promete uma maneira econômica de responder a questões comerciais específicas de maneira eficiente e oportuna.

Usos para armazenamento de dados holográficos (armazenamento 3D) 

No uso de materiais cristalinos, o Projeto HSD tira proveito do paralelismo inerente à óptica. Ele permite que os dados sejam gravados e lidos no meio de armazenamento em paralelo, o que resulta em taxas de transferência gerais mais altas. Não obstante, a abordagem do projeto também requer menos peças mecânicas, como as encontradas em HDDs. Afinal, ao invés disso, limita o movimento para reajustar o ângulo do feixe de laser; todos os outros componentes permanecem fixos. Além disso, o armazenamento holográfico (armazenamento 3D) pode usar todo o volume do meio, em vez de apenas sua superfície, que oferece densidades maiores do que os tipos atuais de armazenamento óptico.

Portanto, o projeto HSD visa dados quentes que oferecem suporte a operações de leitura e gravação, o que pode beneficiar provedores de nuvem e data centers corporativos. Os dados quentes são normalmente acessados ​​e atualizados com menos frequência do que os dados que suportam aplicativos de negócios importantes e raramente são mantidos em tempo real, embora geralmente exijam maior escalabilidade. Os requisitos de desempenho podem variar, dependendo das cargas de trabalho com suporte.

Economia 

O armazenamento de dados holográficos (armazenamento 3D) promete uma maneira econômica de responder a questões comerciais específicas de maneira eficiente e oportuna. Seu desempenho de leitura rápida e capacidade de atualizar dados o tornam adequado para armazenamento de dados, análise de big data e aplicativos que incorporam tecnologias avançadas, como análise preditiva ou inteligência artificial.

Então, as organizações que precisam gerar relatórios regulares – como estatísticas semanais de call center ou números de vendas mensais – podem se beneficiar do armazenamento de dados holográficos. No entanto, o armazenamento holográfico também pode dar suporte a operações menos críticas, como fornecer ao pessoal de suporte as informações básicas de que precisam para ajudar seus clientes.

Quão perto estamos do armazenamento holográfico?

Apesar de sua promessa, o armazenamento holográfico ainda tem um longo caminho a percorrer, desde a fase de pesquisa até o ponto em que as empresas podem comprar produtos comerciais. Afinal, os fabricantes teriam que configurar ambientes inteiramente novos para construir os dispositivos de armazenamento, o que exigirá um alto grau de precisão para garantir o alinhamento adequado entre os componentes. Além disso, a maior parte da pesquisa no Projeto HSD se concentrou na escrita e leitura de uma única zona. Portanto, a equipe ainda enfrenta o desafio de fornecer o mesmo nível de desempenho em várias zonas. Outra preocupação é garantir que a exposição inadvertida à luz ultravioleta não apague os dados.

Como o armazenamento de dados holográficos é uma tecnologia com muitos inícios falsos, não é surpresa que a Microsoft tenha evitado fazer previsões sobre a aplicação comercial da tecnologia. Nesse ínterim, há muitos outros esforços para manter o setor entretido, desde memórias de classe de armazenamento até armazenamento de DNA.

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