Принципы работы голографической памяти

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный университет»

Факультет «Приборостроительный»

Кафедра «Информационно-измерительных технологий»

РЕФЕРАТ

по дисциплине "Информатика"

Принципы работы голографической памяти

Челябинск 2011 г.

АННОТАЦИЯ

Цель реферата – рассмотреть новый вид памяти, в которой данные можно записывать по всему объему памяти при помощи различных углов наклона лазера.

Задачи реферата – ознакомиться с новым видом памяти.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. ГОЛОГРАММЫ, НАНОТЕХНОЛОГИИ, МОЛЕКУЛЫ

2. ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ

3. ПЕРЕЗАПИСЫВАЕМАЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ

4. ШАГ ЗА СУПЕРНАМАГНИЧЕННЫЙ ПРЕДЕЛ

4.1 Info-MICA

4.2 Optware

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БиблиографиЧЕСКИЙ СПИСОК

ВВЕДЕНИЕ

Появление в скором будущем задач, требующих очень большой вычислительной мощности, заставляет уже сейчас устремиться к поиску новых технических решений не только в плане совершенствования самих процессоров, но и других компонентов ПК. Независимо от того, какая для изготовления процессора используется технология, количество данных, поставляемых им на обработку, определяется возможностями и других подсистем компьютера. Емкости современных устройств массовой памяти отражают эту тенденцию. Диски СD-ROM позволяют хранить до 700МВ информации, развивающаяся технология DVD-ROM - до 17GB. Технология магнитной записи также развивается очень быстро - за последний год типичная емкость жесткого диска в настольных компьютерах возросла до 15-20 GB и более. Однако в будущем компьютерам придется обрабатывать сотни гигабайт и даже терабайты информации - гораздо больше, чем может вместить любой из существующих сегодня CD-ROM-ов или жестких дисков. Обслуживание таких объемов данных и перемещение их для обработки сверхбыстрыми процессорами требуют радикально новых подходов при создании устройств хранения информации.

1. ГОЛОГРАММЫ, НАНОТЕХНОЛОГИИ, МОЛЕКУЛЫ…

Конечно, кроме традиционных направлений развития технологий памяти, в последнее время на первый план все смелее показываются новые высокотехнологичные решения, использующие голографические методы, нанотехнологии и молекулярные способы. Исследователи в области оптики открыли потенциальную возможность создания голографической памяти. Оказывается, за счет кодирования голограммы в один блок данных можно неслабо увеличить плотность записи. При этом и скорость доступа к данным останется на высоком уровне. Технологически это выглядит следующим образом: голографический образ записывается в специальный блок данных, состоящий из определенного светочувствительного материала, затем с помощью лазера эти данные считываются. Ученые теоретически предсказывают плотность записи в 1 Тб на кубический сантиметр! Но масштабному запуску производства голографической памяти злостно мешает кучка проблем, связанных с необходимостью использовать сложные оптические системы, а также с подбором оптимального материала для носителя. Светочувствительные элементы, существующие сейчас, обладают слабой чувствительностью, что существенно затрудняет их использование для записи данных.

Кроме голографической памяти, из области экзотики можно помянуть добрым словом молекулярную память. Ученые одного из центров по молекулярной электронике изготовили систему, которая использует для запоминания цифровые биты определенных белковых молекул, которые присутствуют в различных микроорганизмах, проживающих преимущественно в соляных болотах. Если не тяготить тебя подробностями, могу сказать, что фотоцикл этих молекул доводит их до состояния либо логического нуля, либо единицы, а в результате получаем практически идеальный триггер. Ученые уже построили первый прототип системы памяти. Многие эксперты склоняются к тому, что молекулярная память может в недалеком будущем составить достойную конкуренцию полупроводниковой и побить ее целым набором преимуществ, таких как энергонезависимость и работоспособность в большем диапазоне температур.

Нанотехнологии все активнее проникают в нашу жизнь. К примеру, ученые из Дрезденского института IFW создали запоминающие элементы, выполненные на основе нанотрубок с ферромагнитным наполнителем. В опытах были использованы углеродные нанотрубки диаметром 10 нм, внутрь которых помещались атомы кобальта или железа. Если результаты экспериментов подтвердятся, то теоретически можно считать возможным создание принципиально нового вида памяти, плотность записи которого в 1000 раз выше привычной нам. Тем не менее, даже при самом счастливом исходе ожидать появления подобной нанопамяти в ближайшем будущем не стоит: помимо технологии хранения данных, важно еще создать соответствующее аппаратное обеспечение, способное работать в таких масштабах.

2. ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ

Устройства, использующие свет для записи и считывания данных являются основными уже достаточно долгое время. Появление компакт-дисков в начале 80-х, которые позволяли сохранять сотни мегабайт (783) на диске диаметром меньше 12 сантиметров и не толще 1.2 мм. В 1997 году появилась усовершенствованная версия этой технологии - DVD, которая позволила сохранять существенно больше информации (15.9 GB двухслойный стандарт) на носителе аналогичного размера.

Сейчас ученые работают на созданием другого способа хранения информации - голографической памяти, которая в отличии от описанных выше технологий, использующих только поверхность носителя, предполагает работу со всем его объемом. Трехмерное хранение информации позволит существенно увеличить емкость и уменьшить размеры информационных носителей. Подобная технология (см.рисунок1) может появится всего через несколько лет. Это станет очередной революций в области хранения информации.

Рисунок 1

Голографическая память позволит хранить около 1 терабайта в кристалле, соизмеримом с кубиком сахара. Исследователь Pieter J. van Heerden из компании Polaroid первым предложил идею голографической памяти еще в 60-х годах. Десятилетием позже исследователи из RCA Laboratories демонстрировали технологию записи 500 голограмм на небольшом кристалле. Успех дешевой полупроводниковой памяти на некоторое время стал причиной прекращения работ в данном направлении. Только совсем недавно IBM и Lucent's Bell Labs возобновили исследования. Вот основные части, которые необходимы для построения системы голографического хранения информации:

Аргоновый лазер.

Устройство, которое позволит разделить луч.

Зеркала, для смены направления

LCD панель

Линзы

Фотополимер

(CCD) camera

Луч, аргонового лазера, разделяется на два. Первый называется сигнальным, он проходит через пространственный светомодулятор (spatial-light modulator), которым является LCD дисплей, отображающий необходимую нам информацию в бинарном виде. После этого сигнальный луч содержит необходимые нам данные. Затем данный луч попадает на фотополимер или на кристалл другого типа. Второй луч, называемый связывающим, попадает на информационный носитель сразу. Когда два луча "встречаются", результатом является интерференционная картина, или интерферограмма. Данные сохраняются в соответствующей части кристалла как голограмма. (см. Рис. 2-3)

Рисунок 2

Рисунок 3

Основной особенностью голографической памяти является скорость доступа к сохраненной информации. Для ее восстановления связывающий луч освещает кристалл точно под тем же углом, под каким производилась "запись". Каждая "страница" данных сохраняется в разных областях кристалла, зависящих от угла связывающего луча. Реконструированная страница подается на CCD камеру и соответствующим образом интерпретируется.

3. ПЕРЕЗАПИСЫВАЕМАЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ

Генетически модифицированный бактериальный белок может позволить создать более эффективные устройства хранения информации.

В отличие от обычных двумерных носителей, голографическая память позволяет записывать информацию в трёх измерениях. Первые голографические носители информации уже поступили на рынок, однако перезапись информации в реальном времени пока для них недостижима. Американские исследователи из Университета Коннектикута продемонстрировали возможность создания перезаписываемой голографической памяти, используя лазеры для записи данных на бактериальных белках.

Новая технология основана на использовании бактериородопсина бактерии Halobacterium salinarum – светочувствительного мембранного белка, вырабатываемого микроорганизмом, когда концентрация кислорода в среде становится опасно низкой. Поглощая квант света, белок претерпевает серию химических превращений, приводящую к «прокачке» протона через мембрану, что создаёт разность электрохимических потенциалов на мембране и позволяет бактерии производить энергию.

В течение цепи химических превращений белок проходит через некоторые конфигурации, которые могут быть использованы для создания голографических изображений при освещении. В природных условиях время жизни промежуточных конфигураций чрезвычайно мало: весь цикл длится всего 10–20 миллисекунд. Однако, более ранние исследования продемонстрировали возможность путём освещения красным светом на конечных стадиях цикла перевести белок в состояние, стабильное в течение многих лет – так называемое Q-состояние.

Для создания голографического носителя информации приготавливается суспензия бактериородопсина в полимерном геле. Луч зелёного лазера расщепляется на два, в один из которых кодируются данные, после чего лучи интерферируют в геле. Для считывания данных интерференционная картина освещается одним лучом красного света. Стереть же данные можно синим лазерным лучом.

Два луча лазера зелёного цвета создают интерференционную картину в содержащем бактериородопсин полимерном геле, помещённом между двумя стеклянными пластинами.

Использование голографических носителей информации может позволить сократить растущий разрыв между объёмом носителей и скоростью чтения и записи информации. Например, чтобы записать на жёсткий диск компьютера 30-гигабайтный файл с полнометражным фильмом в формате High Definition, сейчас требуется 30–45 минут. Использование голографических устройств (в которых запись информации производится одновременно по всему объёму) способны снизить это время до менее чем 10 секунд. Рисунок 4

Что касается плотности записи информации, компания InPhase Technologies уже продемонстрировала устройство с плотностью записи до 80 гигабайт на квадратный сантиметр. Новая технология позволяет создавать перезаписываемые устройства, однако недостатком является то, что запись производится красным светом. Дело в том, что достижимая плотность записи информации возрастает с уменьшением длины волны света – именно этим обусловлен переход от CD (красный свет) к технологиям Blu-Ray и HDDVD, использующим синие лазеры.

Однако, основная проблема состоит в том, что перевести природный бактериородопсин в Q-состояние довольно сложно. Поэтому молекулярные биологи из Коннектикута работают над генетической модификацией бактерий с тем, чтобы получить белок, более легко переводимый в это состояние.

4. ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ – ШАГ ЗА СУПЕРПАРАМАГНИТНЫЙ ПРЕДЕЛ

Беспристрастная статистика отмечает, что в последние несколько лет человечество ежегодно накапливает около 5 экзабайт (1018 байт) информации, и темпы продолжают расти. Это требует создания все более емких, быстрых и надежных устройств для хранения данных. Одно из многочисленных направлений разработок использует методы оптической голографии. Успехи в этой области таковы, что на рынке уже появились первые коммерческие продукты.

Рисунок 5: История и перспективы развития запоминающих устройств (по данным IBM).

Здесь AFM (Atomic Force Microscopy) – методы микроскопии на атомном уровне, которые можно использовать для записи информации. Накопители на атомном уровне включают и атомную голографию

Фирма IBM исследовала историю и перспективы развития запоминающих устройств (ЗУ) с точки зрения поверхностной плотности записи (рис. 5). Очевидно, что существует только один путь преодолеть суперпарамагнитный порог – использовать немагнитные методы записи. Самым перспективным и разработанным из них является голография.

Голографическая память развивается, начиная с работ Питера ван Хеердена (Pieter J. Van Heerden), сотрудника фирмы Polaroid. Он предложил идею хранения данных в трех измерениях еще в 1963 г., а сегодня некоторые производители уже приступили к коммерческому выпуску голографических ЗУ.

Используемая технология позволяет записать и прочитать миллионы бит данных за одну вспышку лазера. Предельная объемная плотность информации N (N ~ λ3 ~ ~ 1012 bit/cm³) определяется длиной волны излучения.

Тысячи голографических страниц могут быть сохранены в одном и том же объеме записывающей среды с помощью различных вариантов мультиплексирования. Его можно выполнить за счет изменения угла падения лучей лазера, длины его волны, фазы опорного луча пространственного изменения точки входа информационного и опорного лучей в среду записи при ее сдвиге или вращении, а также комбинации всех этих способов.

Рис. 6. Сравнение оптических и голографических методов записи

Рисунок 7. Принцип голографической записи

Рисунок 8. Схема записи/чтения данных методом голографии

Достоинства голографической памяти: высокая плотность записи и большая скорость чтения; параллельная запись информации (не по одному биту, а целыми страницами, рис. 6); высокая точность воспроизведения страницы; низкий уровень шума при восстановлении данных; неразрушающее чтение; длительный срок хранения данных – 30–50 и более лет; конкурентоспособность с другими оптическими технологиями.

Принцип голографической записи показан на рис. 3. Луч одного лазера (на рисунке не изображен) расщепляется на два луча. Один из них используется как опорный, а другим освещается объект (или его пропускают через пространственный оптический модулятор, в котором помещена прямоугольная таблица данных) – это луч, содержащий данные. При пересечении в определенной области пространства эти лучи создают интерференционную картину (рис. 7,1). Если в эту область поместить прозрачный фоточувствительный носитель (рис. 7,2), то в нем сохранится интерференционная картина (голограмма) (рис. 7,3) – данные будут записаны. Для чтения достаточно осветить носитель опорным лучом, и после их взаимодействия мы получим луч с точной копией записанных данных. В отличие от обычной фотографии информация содержится в большом объеме носителя. Если этот объем разделить, например, на пять частей, то выйдет пять идентичных копий записанной информации. Это свойство значительно повышает надежность хранения данных. Детальная схема устройства голографической записи/чтения представлена на рис. 8.

Технология голографической памяти не имеет ограничений обычных оптических за счет применения трехмерной записи данных, а не двумерных чтения и записи лазерным лучом на плоскости. Это означает, что теоретически для записи данных в голографической памяти может использоваться полный объем кристалла, хотя есть и практические ограничения. Однако и с ограничениями трехмерный носитель – существенное преимущество для технологии голографической памяти. Его возможности достаточны, чтобы оставить далеко позади DVD и Blu-ray. Скорости передачи данных могут достигать 1 GBps и более. Это намного быстрее любой другой оптической технологии типа CD, DVD, HD DVD и Blu-ray, где максимальная скорость передачи не превышает 11 MBps.

Теоретически голограммы могут хранить 1 бит в объеме, который равен кубу длины волны лазера. Например, красный луч лазера на смеси неона и гелия имеет длину волны 632,8 нм, и совершенная голографическая память могла бы хранить 4 Gb в кубическом миллиметре. В действительности же плотность записи данных намного ниже, чему есть, по крайней мере, четыре причины: необходимость коррекции ошибок, недостатки и ограничения оптической системы, экономические (с увеличением плотности записи стоимость растет непропорционально быстрее) и физические ограничения (конечность длины волны лазера, междуатомного расстояния в кристалле записи и несовершенство оптических систем).

Рисунок 9. Фотополимер запоминает информацию при освещении лучом лазера

Одна из главных проблем в области хранения голографической информации – создание подходящих материалов для записи. Голографические носители должны удовлетворять строгим критериям, включая расширенный динамический диапазон, высокую фоточувствительность, безусадочность, оптическую прозрачность, неразрушающее считывание, термо- и влагостойкость, а также иметь низкую цену. Разработчики нашли множество материалов: фазовращающие материалы, фоторефрактивные кристаллы типа LiNbO3, органические полимеры, жидкие кристаллы, полимеры со структурной поверхностью и даже такие экзотические среды, как бактериородопсины в желатиновых матрицах. Самые дешевые в производстве – фотополимеры. При освещении участка полимера поляризованным светом его молекулы ориентируются и надолго сохраняют такое состояние (рис. 9).

Рисунок 10. Варианты применения голографической памяти: голографические запоминающие устройства

Работы по созданию голографической памяти начались более 40 лет назад, и сегодня ряд компаний, например NTT и Optware в Японии, InPhase Technology в США, имеют законченные разработки с голографическими дисками (Holographic Versatile Disc – HVD) и картами (Holographic Versatile Card – HVC), и наконец приступают к продаже своих первых коммерческих приборов. Рассмотрим несколько голографических устройств, уже вышедших на рынок.

4.1 Info-MICA

рисунок 11

рисунок 12

Рисунок 13. Голографическая карта Info-MICA (сверху), устройство чтения (по середине) и относительный размер (снизу)

Компания NTT продемонстрировала прототип накопителя высокой емкости, в основу которого положена технология многослойной тонкопленочной голографии, и устройство для считывания данных (рис. 10). Емкость носителя (сто слоев) размерами с почтовую марку – 1 Gb. Новая карта памяти была названа Info-MICA (Information-Multilayered Imprinted CArd), так как ее многослойная структура похожа на структуру породы слюды. Запись информации производится следующим образом. Сначала цифровые данные перекодируются в двухмерные изображения, которые затем преобразуются в голограмму с помощью технологии CGH (Computer Generated Hologram), и наконец эти голограммы записываются в виде особых структур на слоях носителя. Слои представляют собой волноводы. Когда луч лазера фокусируется на торце такого волноводного слоя, он начинает распространяться по нему, рассеиваясь на записанных структурах. Рассеянный свет формирует двухмерные изображения в плоскости, параллельной волноводному слою. Они захватываются CCD-сенсорами и декодируются в исходные цифровые данные.

Достоинства новой технологии Info-MICA состоят в высокой плотности записи, малых размерах дисковода, низком энергопотреблении, возможности дешевого массового производства носителей, трудности несанкционированного копирования данных с них и простоте утилизации.

В NTT полагают, что Info-MICA вследствие их дешевизны и малых размеров могут заменить другие устройства ROM. Рассматривают их и как заменитель бумаги в качестве носителя информации. Эти карты будут полезны при массовом распространении игр, музыки, кинофильмов и электронных изданий, поскольку клонирование их пиратами затруднено. Предполагаются и многие другие применения новой технологии.

Первые кард-ридеры (стоимостью несколько сот долларов) и носители емкостью 1 Gb ($1–2) уже появились на рынке. В планах компании – выпуск Info-MICA ROM емкостью 10 Gb и разработка устройств записи и перезаписи носителей.

InPhase Technology

Рисунок 14. Схема оптики для голографической записи/чтения данных фирмы InPhase Technology

Рисунок 15. Голографический накопитель HDS-300R фирмы InPhase Technology

Схема голографического устройства фирмы InPhase показана на рис. 8. Как видим, здесь применена классическая схема с двумя неколлинеарными лучами.

Первый дисковод типа Tapestry HDS-300R (рис. 9) оборудован встроенной системой радиоидентификации (RFID) и использует диски 300 GB с однократной записью, предназначенные для профессионального архивирования. Он имеет SCSI-интерфейс со скоростью передачи 20 MBps, среднее время доступа 250 мс. Длина волны лазера – 407 нм, объем страницы – 1,4 Mb, вероятность ошибки не превышает 10-15. Среднее время безотказной работы – 100 000 ч. Носителем служит диск 130 мм, размещенный в картридже размером 5,25×6×0,25", срок хранения записи – до трех лет, архивного хранения – более 50 лет.

В ближайшей перспективе – создание конструкции с многократной перезаписью. InPhase сообщает, что к 2009 г. емкость дисков будет доведена до 1,6 TB. Планируется также выпуск других изделий, подобных носителю 2 GB также размером с почтовую марку, и устройства размером с кредитную карточку емкостью 210 GB.

4.2 Optware

Хотя Optware в настоящее время не является лидером рынка, ее технология может очень скоро получить широкое признание, так как в голографические накопители заложена совместимость с DVD-дисками, физическое кодирование дисков, возможность использования голографической памяти как альтернативы флэш-памяти в таких устройствах, как сотовые телефоны и видеокамеры.

Рисунок 16 . Схема коллинеарной голографической записи/чтения (при чтении включают только опорные лучи)

В то время как для других систем требуются два отдельных луча – данных и опорного, в Optware лучи коллинеарные (рис. 10), что значительно упрощает конструкцию системы чтение/запись, повышает ее надежность, а также снижает стоимость.

Эта так называемая коллинеарная система может использовать предварительно форматированные диски с адресными метками на поверхности гальванического покрытия, подобно технологиям CD и DVD. В то время как зелено-голубой лазер читает и записывает данные, лазер, генерирующий в красной области спектра, гарантирует прецизионное позиционирование. Система позиционирования сервопривода настолько подобна стандартному DVD, что дисководы Optware способны работать с дисками обоих типов. Коллинеарная технология также удобна для физического кодирования дисков, что позволит значительно повысить степень защиты авторских прав.

Группа японских, европейских и американских компаний, возглавляемая корпорацией Sony, проявляет немалый интерес к данным решениям. Еще в 2004 г. представители Sony заказали у Optware оборудование для поддержки коллинеарной технологии, намереваясь оценить перспективы дальнейшего развития голографической записи и производства дисков с использованием голубого лазера.

«Специалисты Sony и других ведущих японских компаний, работающих в области электроники, внимательно изучают особенности голографической технологии, которая должна прийти на смену HD DVD и дискам Blu-ray, – сообщил менеджер Optware по маркетингу и развитию бизнеса Ясухиде Кагеяма. – В Sony уже сейчас готовы приступить к созданию систем хранения послезавтрашнего дня, и должен отметить, что наше коллинеарное решение вызвало большой интерес».

Первое коммерческое изделие Optware, HVD Pro Series 1000 MAGNUM будет хранить 200 GB на диске, очень похожем на DVD и фактически совместимом с ним. Компания экспериментально проверила голографический дисковод емкостью до 3,9 TB при скорости передачи 1 Gbps. Optware обещает, что сегодняшние дисководы смогут читать диски с емкостью вплоть до 3,9 TB. Компания представила свою систему HVD в Европейскую ассоциацию производителей компьютеров (European Computer Manufacturers Association) для стандартизации и собирается представить ее в Международную организацию по стандартам (International Standards Organization – ISО).

Тем временем и Optware, и InPhase выпустили свои устройства на коммерческий рынок. Стоимость дисководов приблизительно 12 000–15 000 долл., а голографических дисков – $120–150. Архивный ресурс гарантируется в течение 50 лет.

Специалист по технологиям Хидейоши Хоримаи (Hideyoshi Horimai) из Optware уверен, что доступные для массовых потребителей устройства HVD появятся, вероятно, в конце 2009 г.

Так что ждать осталось недолго.

Заключение

Пожалуй, ошибочно рассматривать устройства голографической памяти как радикально новую технологию, ибо ее основные концепции разработаны около 30 лет назад. Если что и изменилось, так это доступность ключевых компонентов для этой технологии - цены на них стали значительно ниже. Так, полупроводниковый лазер уже не является чем-то диковинным, а давным-давно уже стал стандартом. С другой стороны, SLM - это результат той же технологии, которая применяется при изготовлении LCD-экранов для ПК-блокнотов и калькуляторов, а детекторная матрица CCD позаимствована прямо из цифровой видеокамеры.

Итак, преимуществ у новой технологии более чем достаточно: кроме того, что информация сохраняется и считывается параллельно, можно достичь очень высокой скорости передачи данных и, в отдельных случаях, высокой скорости произвольного доступа. А самое главное - практически отсутствуют механические компоненты, свойственные нынешним хранителям информации (например, шпиндели с гигантским числом оборотов). Это гарантирует не только быстрый доступ (для данной технологии правильней сказать мгновенный) к данным, меньшую вероятность сбоев, но и более низкое потребление электроэнергии, поскольку сегодня жесткий диск - один из наиболее энергоемких компонентов компьютера. Правда, есть трудности с юстировкой оптики, поэтому на первых порах данные устройства, вероятно, будут все еще "бояться" сторонних "механических воздействий".

Библиографический список

http://www.talentcity.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=41&Itemid=79

http://www.nanonewsnet.ru/news/2007/perezapisyvaemaya-golograficheskaya-pamyat

http://www.1on.ru/2006_02_14/golograficheskaja_pamjat_vskore_zamenit_format_DVD.html

http://www.pcwork.ru/kak_budet_rabotat_golograficheskaya_pamyat.htm