48198 (Принципы работы голографической памяти), страница 2

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.