Перспективы голографической памяти. Краткий обзор.
Очевидно, что существует только один путь преодолеть суперпарамагнитный порог - использовать немагнитные методы записи. Самым перспективным и разработанным из них является голография.
Фирма IBM, признанный лидер в области систем хранения данных, исследовала историю и перспективы развития запоминающих устройств (ЗУ) с точки зрения поверхностной плотности записи (рис. 1).
Голографическая память, по сравнению со всеми остальными видами памяти, как известно, имеет ряд выигрышных позиций. Здесь и высочайшая скорость чтения, поскольку обмен происходит целыми страницами, которые могут содержать миллионы двоичных битов, и высочайшая плотность, которая теоретически может достигать нескольких десятков терабит на кубический сантиметр носителя. 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.
Так как интерференционные шаблоны однородно заполняют весь материал, это наделяет голографическую память другим полезным свойством - высокой достоверностью записанной информации. В то время как дефект на поверхности магнитного диска или магнитной ленты разрушает важные данные, дефект в голографической среде не приводит к потере информации, а вызывает всего лишь "потускнение" голограммы. Кроме того, весьма впечатляет и феномен, связанный с тем, что при разбиении носителя на несколько фрагментов каждый из них несет в себе всю информацию - это означает высочайшую надежность, устойчивость к повреждениям и простоту тиражирования.
Исследования проводятся по двум направлениям - оперативная память и ПЗУ.
Существует несколько типов голографических ЗУ:
1) Голографические ПЗУ.
На первый взгляд принцип работы устройств голографической памяти достаточно прост (см. Рис.3(а) и (б)). При записи лазерный луч расщепляется на объектный и опорный лучи. Первый проходит через пространственный модулятор света (Spatial Light Modulator, SLM), кодирующий исходную информацию, которая представлена в виде двоичной матрицы или т. н. страницы. Проходя через оптическую систему, лучи пересекаются в специальном светочувствительном носителе, который запоминает интерференционный узор. Изменяя угол пересечения лучей (этот метод называется угловым мультиплексированием), можно сохранить в единичном объеме носителя тысячи страниц двоичных данных. Кроме того, можно менять положение точки пересечения лучей в носителе. Таким образом, информация записывается не только на поверхности носителя, но и по всему его объему. Для считывания записанных данных достаточно направить на носитель луч лазера под определенным углом и преобразовать оптический сигнал с помощью матрицы световых датчиков, например ПЗС-матрицы.
Несмотря на кажущуюся простоту, суть явлений, происходящих в процессе записи и считывания информации голографическими методами, достаточно сложна. Ее невозможно наглядно изобразить на паре картинок, здесь более уместен язык формул, понятный лишь избранным. Вероятно, именно этим объясняется то, что, хотя "академические" разработки в области голографической памяти ведутся уже давно - еще с начала 60-х гг., практические результаты появляются гораздо медленнее, чем хотелось бы, несмотря на пристальный интерес к этой технологии со стороны крупнейших промышленных компаний, государственных и военных структур. Напомним, что в 1995 г. по инициативе Управления перспективных исследований и разработок министерства обороны США (DARPA) были начаты работы в рамках пятилетней программы, среди участников которой компании IBM, Kodak, Rockwell и несколько университетов. Ее составными частями стали проект HDSS (Holographic Data Storage Systems) по разработке голографических систем хранения данных и проект по исследованию материалов носителей - PRISM (Photorefractive Information Storage Materials). С состоянием работ и результатами обширных научных исследований можно ознакомиться в подробном и хорошо иллюстрированном отчете принимавшей в них участие группы ученых из компании IBM, опубликованном в Интернете по адресу www.research.ibm.com/journal/rd/443/ashley.html. К сожалению, из этого документа невозможно понять, насколько же действительно приблизилась перспектива появления реальных коммерческих продуктов. Более того, заключительный раздел отчета с описанием возможных применений голографической памяти и типов устройств на ее основе содержит рассуждения весьма общего характера, которые уже давно хорошо знакомы всем, кто когда-либо интересовался этим вопросом. Из-за этого создается впечатление, что, несмотря на все исследования, воз и ныне там, по крайней мере в аспекте практических разработок.
Защита данных
Объёмное считывание в корне отличается от считывания компакт-дисков или магнитных носителей. Здесь нет возможности считать информацию напрямую, как скажем, с компакт-диска, где можно считать точки и штрихи или с жёсткого диска, где можно определить положение магнитных доменов. Здесь всё по-иному, по трёхмерному. Помимо этого, компании InPhase Tech удалось принять на вооружение и несколько методов защиты данных от несанкционированного доступа, причём как физических, так и логических.
Каждый диск Tapestry имеет встроенный чип, используемый для хранения карты данных, чем-то напоминающей FAT жёсткого диска. В этой библиотеке хранятся все данные о партициях, формате и положении данных. При установке диска в устройство, прежде всего, производится считывание информации с этого чипа. Если эти данные утеряны, считать информацию будет очень сложно, практически невозможно. Эти карты данных могут быть зашифрованы методом криптования, так что доступ к ним получит только владелец информации.
Другое средство защиты - ватермарки, встроенные в диск. Прежде, чем считать данные, потребуется считать и распознать ватермарки, закодированные в носителе.
Ещё одно средство защиты - изменение длины волны лазера. Малейшее изменение длины волны лазера позволит защитить данные от считывания другими приводами, на которых установлена другая длина волны. Не зная длины волны, считать данные не получится. Длина волны лазера может изменяться от 403 до 407 нм.
Уникальные маркировки так же используются для защиты данных. Чтобы считать эти маркировки, потребуется использовать красный лазер и знать точные адреса хранения этих маркировок. Если не известны их адреса, то считать информацию не получится. По крайней мере, на обычном Tapestry приводе.
Так же имеется возможность защитить данные от считывания на другом приводе посредством привязки их к прошивке своего привода. Прошивка может изменять способы записи страниц на диск, положения заголовков и т.д. и т.п. На плате электроники привода располагается модуль OTP PROM, способный программироваться пользователем. Этот блок при записи обращается к разным частям прошивки привода и считывает оттуда идентификаторы, используемые при записи. Вскрыть эту защиту практически невозможно, так что если вы хотите "привязать" ваши данные именно к вашему приводу Tapestry, вы сможете это сделать.
Последний, наиболее эффективный метод защиты данных - фазовая маска. Суть её заключается в том, что привод может накладывать определённую маску на пути лазерного луча, несущего данные. Эта маска потребуется как при записи, так и при считывании данных. После применения фазовой маски считать данные на стандартных приводах уже не получится. Эту функцию можно установить на некоторых приводах по заказу без увеличения стоимости продукта. Каждая маска уникальна, она получается с использованием генератора случайных чисел и повторить её не удастся.
Таким образом, хранение информации на голографических дисках Tapestry гарантирует защиту информации от несанкционированного доступа.
Сегодня приводы Tapestry позволяют записывать 200 Гигабайтные диски со скоростью 20 Мб/с. До 2010 года компания InPhase Tech обещает достигнуть ёмкости 1.6 Тб и скорости записи 120 Мб/с. Время хранения данных на одном диске составляет не менее 50 лет, то есть эти диски очень долговечны, особенно по сравнению со стримерными картриджами.
Интересно отметить, что на фоне очередной волны увеличивающегося интереса к голографическим методам записи своеобразной альтернативой сегодня выступает идея многослойных дисков (до 20 слоев) с использованием отработанных технологий, таких как Blu-ray. В этом направлении активно работают Sharp и Canon, которые уже показали двухслойные прототипы, способные хранить до 50 GB данных. Это, конечно, по сути, экстенсивный подход, но он позволяет со временем достичь все того же желанного 1 TB на базе апробированных и массовых технологий.
2) Голографические ОЗУ. Рассмотрим пример страничного ОЗУ (см. рис.4).
Лазер генерирует пучок когерентного света, дефлектор, управляемый адресным устройством, обеспечивает быстрое и точное отклонение лазерного луча в любую из позиций на накопительной пластине. Матрица гололинз, которая представляет собой двумерный массив постоянно записанных диаграмм, обеспечивает расщепление светового пучка на объектный и опорный. Каждая гололинза предназначена для записи голограммы только на единственную позицию в накопительной среде. Устройство набора страниц (УНС) - это 2-мерная матрица электрически управляемых световых модуляторов. Это устройство ввода информации (которая формируется буферным ЗУ в виде страниц).
Стоит отметить, что в последние годы делается упор всё-таки на голографические ПЗУ, и исследования по ОЗУ практически нигде не ведутся. Скорее всего, это связано с их сложностью и высокой стоимостью, а также тем фактом, что современные полупроводниковые ОЗУ по скорости уже способны конкурировать с голографическими ОЗУ.
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. 5).
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.
Нельзя ожидать, что такие носители, рассчитанные на корпоративный рынок, будут стоить дёшево. Однако, возможно, развитие технологий голографической записи позволит когда-нибудь перенести их и на потребительский рынок.
©2007 Иван Самков
При использовании материалов с сайта, пожалуйста, указывайте ссылку на первоисточник: www.dlrm.ru.
|
|
