计算机的迅速发展正对存储技术提出严峻的挑战。尽管目前存储技术本身已有臣大进步，例如，桌上型计算机硬盘存储能力已超过GB（吉字节即10亿字节，相当于可存储5亿个汉字的信息量），CD-ROM（光盘只读存储器）每面的存储能力也达到了650 MB（兆字节）、半导体存储器大量上市的存储容量已达到16 Mb（b为比特、B为字节、B=8 b），试制成功的已达到Gb。但对于今后计算机所需的存储能力来说，仍远远不够。

因为今后计算机要处理的信息量将是几百GB、甚至是几百TB（太字节=1000吉字节），要比现有的存储能力大几百倍，甚至几十万倍。此外，管理如此庞大的数据，并要不断地将其送给超高速处理器，即还要求有巨大的传输能力，也都要求和现有存储方式根本不同的另一类存储技术。这便使人想到全息照相这一著名的记录技术。

全息存储正成为新一代存储技术

利用全息照相存储计算机用的数据的技术便是全息存储。它既有高的存储密度，理论上可达到每立方厘米1 TB，而目前海量存储能力的硬盘，才不过达到每立方厘米100 Kb；又有快速的访问能力，即读、写的时间都非常短。所以有这样好性能，是因为全息存储时每一次读或写操作，都可以把一大块数据码段当成一个整体，一下子便处理完毕。

全息存储既然有这样大优点，何以迟到今天才提到日程上呢？这是因为激光技术发展到今天，才能为它用到计算机上提供便疽的部件。例如30年前激光器还是长约2米的玻璃管，而且输出也不稳定。如今CD演放机中已广泛使用半导体激光管。又如全息存储所需的SL M（立体光调制器）现在可用便携式计算机上的LCD（液晶显示器）来充任。至于用于读取数据的CCD（电荷耦合器件）传感器阵列，可直接从数字照相机上取下使用。这在10年前都还做不到。

全息照相和一般照相迥然不同。在照相时不用透镜成像系统，而是把激光分成两束，一束被过拍照物体反射后（携带着所要记录的信息）再照射到底片上，称为物光束；另一束直接照在底片上，称为参考光束。这两束光在底片上形成干涉条纹。这样看起来是杂乱无氧的干涉条纹，似乎 同所拍物体毫无共同之处，但却蕴藏被拍物体的全部信息。甚至只剩下底片的一角也能窥见物体的全貌，只是清晰程度低一些。

观看全息底片再现的物体也和普通照相时不一样。普通照相用底片冲洗出相片供观看。全息照相再现时，系用和原来参考光束一样的激光束，它又叫再现光束，以和拍照时一样的角度照时全息底片，通过光的衍射效应，透过底片后的光便是原来的物光。这就好像原来的物光和参考光“相加”得到干涉条纹，现在从干涉条纹“减去”参考光便可得到含有所拍摄信息的物光。这样的物光可形成两个像，一是实像，可用照相机拍成普通相片；另一是虚像，人可观察到。

全息存储时原理虽和全息照相一样。但具体实现时又有些不同。第一，物光不是照在被拍物体上反射回来，而是穿过SL M（其上有要记录信息的图样）而携带整页的要记录数据。第二，不是用一张张全息底片，而是用存储媒体存放上千页（每页相当一张底片）数据。第三，读出时用CCD读取阵列一下子读出（再现）整页的数据。

为了使全息存储实用化，在美国正在执行两个计划。一是PRIS M（光折射信息存储材料）计划。它由ARPA（国防部尖端研究计划局）牵头，具体研究工作主要由IBM的阿拉马登研究中心负责。其目标是要寻找用以存放全息信息的媒体材料。另一个是HDSS（全息数据存储系统）计划。它的主要研究工作也是由阿拉马登研究中心负责。

PRISM计划已获得铌酸锂、铌酸锶钡、钛酸钡等媒体材料，HDSS已制成试验装置，并已实现了全息存储。估计到2003年便可制造出小型的供桌上型计算机使用的HDSS装置。

除此之外，美国的科克分子电子学中心还在开发用蛋白质作为存储媒体来进行不是全息存储的另一种可以取代半导体存储器的技术。这也正是本文所要介绍的。这种方法既有全息存储整页操作、密度高、速度快的优点，又不需要使用参考光束。

蛋白质作为存储媒体的原理

利用蛋白质存储数据的系统也叫分子存储器。现在使用的分子是名为噬菌调理素的蛋白质。这是种紫色、产量很低的蛋白质。存在于一种适盐菌属海洋微生物的微组织薄膜中。这种菌在含盐的潮湿环境里可以承受150℃高温。当环境中含氧量太低而无法利用呼吸来取得能量时，它便利用这种蛋白质进行光合作用来摄取能量。

所以选择噬菌调理素（它是嗜盐菌产生的一种近似动物的视紫红质的蛋白质）作为存储媒体，是因为对它进行光照射循环时，它会按一定的顺序发生结构变化。利用结构变化中的不同状态，便可分别用以表示信息“0”或“1”的状态。例如，它处于bR状态时，便相当于状态0；处于Q状态时，便相当于状态1。利用这种特性，可以使用它构成触发器。而且当它处于bR和Q这两种中间状态时，可以稳定地保持近5年。而且这种样品在实验室内也已经把其上携带的信息，保持了2年。所以能有这样的稳定性，可能是因为这种蛋白质已经演化到能适应含盐的潮湿环境这样苛刻条件。

这种噬菌调理素蛋白质还有一个重要的特点。这就是它的上述bR和Q状态都有很宽的吸收频谱，就是说相当宽频率的激光。都可以容易地使这一蛋白质分子保持在某一状态。

现在已经制成了这种存储系统的原型。它是在1×1×2英寸大小的透明容器里，填以聚丙烯酰胺凝胶，并把噬菌调理素放进去以构成存放数据的三维阵列。当蛋白质未受到激发时处于bR状态（休止状态），靠同凝胶的聚合而固定于一定地方。环绕着容器的周围，有一组氪激光器和电荷注入装置（CID）阵列，用以写和读数据。

为了写数据，首先用黄色的“成页”激光束去激励蛋白质分子，使其由状态bR提高到状态O。一个由LCD构成的立体光调制器（SLM），对成页激光束进行控制，使它只能激励容器内材料的某二维平面。这一受到激励的处于状态O的平面便成为可以写入数据的页，它能够存放4096×4096比特的数据阵列（等于16 Mb）。

以上还只是为写入数据做好了准备。为了把数据写入，必须赶在材料由O状态返回到bR状态之前，用相对于成页激光束成直角放置的红色的“数据写”激光束进一步对蛋白质材料进行激励。在数据写激光束照射到数据页之前，要经过另一个由LCD构成的SLM，这一LCD显示出亮的和暗的像素阵列，它就是要写入数据页的整页数据。数据写激光束穿过它后便使得数据页上有的点被照射，有的点不被照射。被照射点处的蛋白质分子进一步被激励，由O状态进一步升高到Q状态，在数据页中用以表示二进制的“1”。未被照射点处很快由O状态返回到休止状态bR，用于表示二进制的“O”。这样，一下子便把要写入的数据成整页地写入。

为了读出数据，需要再用成页激光束，使要读出的目标页又被激励进入O状态。这样做的目的是为了进一步扩大数字0和数字1，即bR状态和Q状态之间吸收频谱的差别，使读出的数据不易混淆。经2毫秒以后再用低密度的红色激光束照射该数据页。使用低密度激光束是为了避免原先为bR状态的分子又被激励跳跃到Q状态。这样，原先为bR的分子固然能吸收这红色的光但不足以跃迁到Q状态；而原先就是Q状态的分子能位比红色光还高，所以不吸收它而让它通过。于是，通过目标页后的激光朿便产生亮点（未被吸收的）和暗点（被吸收的）的方格状图样落在CID上，由CID把整页的数据用图像的方式表示（读）出来。

为了整页地擦除数据，可用蓝色激光束短脉冲照射该页，使Q状态分子返回到休止状态。擦除用的蓝光不一定都要是激光。如要把整个容器中的数据擦掉，可以把容器暴露在有紫外线输出的白炽灯下。

为了保证数据的正确，在读/写操作中可以使用两个附加的奇偶位以纠正数据的出错。数据页可以读出5000次仍能保持所存放的数据完整无误。为了保证数据的可靠性，每一页都设有计数器监视。每读出1024次后，便用新的写操作对该页数据进行翻新。

蛋白质存储的优点和当前的进展

蛋白质存储所以可能取代半导体存储是因为它有许多优点。

第一，它的访问数据速度非常快。因为分子改变状态的时间以微秒计，而完成读或写操作所有各步，加起来约花10毫秒时间。加上在这种存储系统中，可以并行地处理数据页，因而能获得10 MBps的速度。这一速度同慢速的半导体存储器差不多。还可以把不同页上8个存储单元连接在一起形成完整的字节，对它进行并行的访问，这样便可把访问速度提高到80 MBps。

另外，使用电检流计上用的镜子，使激光束偏转到所要照射的页，既便宜又快。在页不出错时，它的访问速度已能赶上一般的半导体存储器。

第二，它的存储容量大。理论上说，上述容器可存放1 TB信息，而实际上目前已能存放800 MB，而且很快就能提高到接近1.3 GB。目前是由于透镜系统所引起的各种问题以及蛋白质的质量，限制了这样系统的存储容量。

第三，工作稳定可靠。同磁存储相比，它没有运动部件。同半导体存储相比，它的工作温度范围宽。这些都使它工作得更稳定可靠。

第四，可稳定保存数据。不工作时仍可把数据保存下来。不像半导体存储器一断电便会丢失数据。这又带来两个好处。一是在准备待命时间内不必为了保持数据而通电，因而可以大大节电。二是可以把存放有程序、数据的容器取下，用作后备或像CD-ROM—样用以交流软件。

第五，噬菌调理素能够便宜地大量生产。现正利用基因工程通过细菌繁殖来大大提高其产量。因此它的价格将比半导体存储器便宜。

由于蛋白质存储的巨大潜力，NASA（美国宇航局）在它的航天飞机研究课题中，有三项是关于利用微重力环境来制造更均匀的蛋白质，以提高其存储密度。

美国空军、纽约州的西拉丘斯大学，以及科克基金会都出资帮助这项研究。现在科克分子电子学中心制造出装置是Ⅰ级原型，它用以证明这种存储系统原理上是可行的，但体积太大，无法用在个人机内。再有1~2年便可开发出可放在桌上型个人机内部用的Ⅱ级原型供试验用。然后再花3~4年进行Ⅲ级原型的试验、完善。Ⅲ级便是可以投入市场出售的产品。