Обзоры
Вторжение высокоемких технологий хранения данных. Голография
0

Вторжение высокоемких технологий хранения данных. Голография


Не успели медиагиганты "разобраться" с угрозой, исходившей от DVD Audio, и подготовиться к массовому внедрению очередного "кошмара" в виде флуоресцентных дисков FMD от Constellation3D, как целый сонм компаний различных размеров и форм владения приготовились выбросить на рынок новые технологии.


Речь идет о технологиях хранения гигабайтовых объемов информации на пластинках,
дисках и чипах размером с кредитную карточку и меньше. Более того, некоторые "умники",
похоже, вздумали шутить "над святым", делая анонсы несуществующих и
невероятных по своим характеристикам устройств. Разобраться в сумятице разразившейся
"эпидемии" — вот главная цель данной серии статей. Начнем с голографической
технологии.

Иду на рекорд

В 1994 г. правительство США посредством небезызвестного агентства DARPA инициировало
программу PRISM (PhotoRefractive Information Storage Materials), целью которой
стало создание носителя данных для голографической записи. Годом позже получила
финансирование программа HDSS (Holographic Data Storage Systems), ориентированная
на совершенствование собственно технологии записи. В работе приняло участие большое
количество научных и коммерческих организаций. В частности, над новыми материалами
"ломали голову" ученые из Rockwell Science Center и Aprilis, методику
записи разрабатывали специалисты Стэнфорда, IBM Almaden Research Center и Siros
Technology. В ноябре 2000 г. исследователи собрались на финальную конференцию,
в ходе которой было продемонстрировано действующее устройство — итоговый результат
шестилетнего труда. Привод работал с однократно записываемыми носителями (WORM)
и обеспечивал скорость считывания на уровне 10 Gbps. Это абсолютный рекорд для
накопителей, использующих вращающиеся диски. Чтобы наглядно доказать правдивость
цифр, была проведена демонстрация по одновременному воспроизведению 12 несжатых
видеопотоков. Удовлетворенные ученые не преминули отпраздновать столь знаменательное
событие в отеле Stanford Park Hotel, ну а мы поинтересуемся — как же они добились
таких успехов?

Технология успеха



Рис. 1


Рис. 2а
Рис. 2б

На чем основывается идея голографической записи? Практически на том же
процессе, что и "обыкновенная" голографическая фотография. Типичная
установка записи/считывания включает в себя лазер, жидкокристаллическую панель,
кристалл ниобата лития и фотосенсор (рис.1). Луч лазера полупрозрачным зеркалом
разделяется на предметный и опорный пучки. Первый просвечивает ЖК-панель, на которой
отображается в виде пиксельной картинки страница информации. Оба луча пересекаются
внутри фоточувствительного кристалла, где в результате интерференции формируется
голограмма, представляющая собой перераспределение электронов (рис. 2, а).
Если затем осветить кристалл лучом, совпадающим по характеристикам с опорным,
свет дифрагирует на центрах концентрации электронов, и на выходе мы получим исходное
изображение (рис. 2, б). Его фиксирует фотосенсор, например CCD-матрица
из цифрового фотоаппарата. Однако разрешение панели ЖК ограничено, следовательно,
необходимо придумать способ увеличить емкость кристалла. И он был найден — изменение
угла вхождения опорного луча. Дело в том, что воспроизведение такой "плоской"
голограммы возможно, только если углы записи и считывания совпадают. И чем толще
кристалл, тем более прецизионная настройка требуется. Если угол вхождения опорного
луча при воспроизведении отклонится хотя бы на долю градуса — изображения не
будет. Изменяя угол при записи, можно сохранить в одном фоточувствительном носителе
множество отдельных страниц данных. Обычно исследователи используют механический
сканирующий дефлектор, но существуют и другие способы, позволяющие добиться значительно
более высокого быстродействия.

Открытие методики варьирования угла не решило всех проблем. Кристалл ниобата лития (с примесью железа) обладает весьма неприятным свойством — чем больше голограмм в нем записано, тем слабее каждая из них дает отклик (бледнеют, как старые фотографии). Зависимость ослабления угрожающая — квадратичная. 1000 голограмм дают снижение эффективности дифракции до 0,0001% от исходной. Здесь уже начинают проявляться электронные помехи в оборудовании, тепловые шумы, чувствительность сенсоров в конце концов. Если фотографиям небольшие искажения не так страшны, то для цифровых данных появление ошибок при считывании — намного серьезнее.

Как это было



Изобретатель голографии Деннис
Габор

Первый эксперимент по записи множества страниц данных в один кристалл
был поставлен группой исследователей (Juan J. Amodei, William Phillips и David
L. Staebler) из RCA Laboratories в 1970 г. Им удалось совместить 500 голограмм.
Но прогресс тормозился множеством факторов: несовершенством оборудования, отсутствием
компактных и качественных ЖК-панелей, сенсоров, лазеров, мощных компьютеров. В
1991 г. наконец образовалась необходимая критическая масса — голографической
технологией заинтересовалось агентство DARPA. На выделенный грант Фай Мок (Fai
Mok), а затем и присоединившийся к нему Димитрий Псалтис (Demetri Psaltis) стали
экспериментировать с ниобатом лития, содержащим примеси железа. Через два года
они добились впечатляющих результатов — 10 тыс. страниц данных емкостью
320 • 220 бит = 8800 байт • 10000 = 88 МВ в односантиметровом кристалле. Без использования
алгоритмов коррекции ошибок один неправильный бит приходился на 100 тыс. считанных
верно. Дальнейшее усовершенствование пошло по экстенсивному пути — увеличение
численности кристаллов или количества локаций, в которые записывались независимые
наборы голограмм. Джон Хонг (John H. Hong) и Ян МакМайкл (Ian McMichael) из Рокуэлского
исследовательского центра (Rockwell’s research center) сумели разделить один кристалл
на 20 зон, в каждой из которых было зафиксировано 1000 страниц данных. Причем
данные считывались без ошибок.

Пришел черед совершенствовать материалы — были созданы полимерные пленки, способные обеспечить запись до тысячи голограмм при толщине всего 100 микрон. Полимеры вскоре проявили свой серьезный недостаток — однократность записи, а ниобат лития после добавки к нему примесей железа и церия показал свое преимущество — чувствительность к красному свету. Если обычно приходится использовать дорогие голубые и зелено-голубые лазеры, то новая модификация кристалла открыла дорогу еще одному усовершенствованию голографической технологии. Благодаря компактным и недорогим полупроводниковым красным лазерам, широко применяющимся в производстве коммуникационного оборудования и оптических приводов, становится реальным уменьшение внушительных размеров голографической установки до приемлемых габаритов.



Рис. 3

Венцом творения стал накопитель на голографических дисках (рис. 3), функционирующий
по знакомому нам с детства принципу грампластинки или, если угодно, CD-ROM. Его
рабочая поверхность сформирована из тончайшей полимерной пленки толщиной 100 микрон.
Остальные элементы не уменьшились: с помощью ЖК-панели формируются страницы данных,
фотосенсор их регистрирует, а лазер генерирует пучок когерентного света. В 1994
г. специалисты Калифорнийского технологического института (California Institute
of Technology, или Caltech) изготовили и протестировали прототип устройства. Достигнутая
максимальная плотность записи десятикратно превзошла характеристики CD — 1 бит/мкм2.
По нынешним меркам — скромно, однако теоретически увеличить ее проще простого.
Емкость зависит от толщины полимерной пленки, одномиллиметровый полимер позволяет
записать уже 100 бит на одном квадратном микроне.

Одно из наиболее поражающих воображение применений голографической технологии — ассоциативный поиск. Если освещать кристалл не опорным, а предметным лучом, то мы получим "изображение" исходного опорного луча. То есть будет воссоздан оригинальный угол его вхождения. Следовательно, чем точнее изображение, проецируемое на кристалл, соответствует записанному, тем ярче будет исходящий луч. Более того, проявятся и все опорные лучи, связанные с похожими страницами, а интенсивность каждого из них будет определяться степенью их схожести с предъявленным образцом. Регистрируя отклонение с помощью фотосенсора, можно проводить поиск, сравнивая выбранное изображение с записанными. Исследователи из Caltech даже сконструировали мини-робота, ориентирующегося на местности с помощью фотографий "контрольных точек". На основе этого эффекта была построена и система идентификации отпечатков пальцев.

Возможные рыночные ниши для
продвижения голографической памяти

Продукты класса DRAM
Общая емкость: 25 GB;
время доступа: 10 нс;
постоянный кэш.

Продукты класса HDD
Общая емкость: 1 TB;
время доступа: 10 мс;
высокая надежность/доступность.

Продукты класса CD/DVD-ROM
Общая емкость: 1 TB;
время доступа: 10 мс;
высокая емкость/низкая цена.

Продукты класса архивных массивов накопителей
Общая емкость: 1 PB;
время доступа: 10 с;
высокая пространственная плотность.


Проблемы и решения

Написанное выше оставляет удивительно благостное впечатление, возникает
лишь один вопрос: почему мы до сих пор вставляем компакт-диски в CD-ROM, а не
жонглируем миниатюрными голографическими картами? Ответ есть у Гленна Синсербокса
(Glenn Sincerbox), директора центра Optical Data Storage Center Университета Аризоны.
Он активно участвовал в программах PRISM и HDSS, работая в IBM, но в 1996 г. покинул
корпорацию и перешел в университет.

Одна из наиболее значительных проблем, по его словам, заключается в ограниченном
"сроке службы" носителей. Оказывается, что не только запись дополнительных
страниц влияет на фоторефрактивные свойства кристаллов, но и считывание тоже,
хотя и в меньшей мере. Освещая носитель опорным лучом с целью восстановить изображение
определенной страницы данных, мы тем самым частично стираем ее. С каждым циклом
голограмма, образно выражаясь, "блекнет", а частота возникновения ошибок
постепенно приближается к критическому уровню, за границами которого алгоритмы
коррекции становятся бессильны. Избежать ослабления сигнала, вызванного перераспределением
электронов в кристалле, можно несколькими способами. Наиболее простым является
термический — достаточно нагреть носитель до 120° С сразу после записи, и
сдвинувшиеся со своих позиций ионы, привлеченные электрическим полем, сконцентрируются
вокруг областей скопления электронов. После того как кристалл остынет, ионы уже
не смогут сдвинуться с места, словно намертво вплавленные в кристаллическую решетку.
Ну а лазерному пучку абсолютно безразлично, что или кто создает флуктуации оптической
плотности — электроны или ионы.

Длительность процесса нагрева и остывания делает методологию непригодной для создания
быстродействующих приводов и, скорее всего, найдет свое применение на заводах
по изготовлению "штампованных" носителей. Более подходящим выглядит
вариант электрической фиксации — путем приложения электрического поля, напряженностью
превышающего коэрцитивные силы материала. В результате вокруг скоплений электронов
образуются стабильные домены. Загвоздка заключается только в размере этих доменов:
по существующей методике в обычных материалах они получаются чересчур большими,
что означает снижение максимальной емкости (количества различимых элементов) каждой
страницы.



Типичная действующая установка
голографической записи данных

Еще один вариант фиксации называется "gating-процессом": при записи
кристалл освещают дополнительным излучением на частоте, отличающейся от частоты
предметного и опорного лучей. При этом не обязательно gating-освещение должно
быть когерентным — его вполне может генерировать обыкновенный диод. Так, кристалл
ниобата лития освещают лучом лазера с длиной волны 488 нм, в то время как голограмма
записывается лучом с длиной волны 852 нм. Достоинства трехлучевого метода отражает
так называемое gating-соотношение, показывающее изменение фоточувствительности
кристалла в присутствии gating-излучения. В лучшем случае соотношение может достигать
значений 5000/1. Таким образом, если при обычном процессе запись осуществляется
высокоэнергетическими фотонами зелено-голубой области спектра, то при наличии
зелено-голубого gating-освещения для этого уже достаточно энергии инфракрасного
лазера. Теперь запись одной голограммы уже не влияет на изображения других. Конечно,
даже само по себе зелено-голубое освещение способно стирать данные, но это происходит
только при длительной экспозиции. Дополнительный источник используют только во
время записи. Количество циклов считывания созданной таким способом голограммы
увеличивается в 4 раза.

И наконец, наиболее очевидный, но не наиболее эффективный метод повторяет технологию работы ОЗУ. Считанную страницу тут же перезаписывают — обновляют. Это делается как посредством полной цепочки (детектор — компьютер — запись), так и замкнутой (считанное изображение сразу используется для записи). Однако подобная рециркуляция существенно снижает скорость считывания, нивелируя одно из наиболее значимых преимуществ голографической памяти.

И на этом список неприятностей, поджидающих исследователей, не исчерпывается. Вы помните, что инженеры не смогли добиться более высокой плотности записи голографическим методом на полимерном диске по причине чересчур тонкого слоя полимерной пленки? Полагаете, они просто поленились сделать его толще? Как бы не так. Оказывается, пока никто еще не смог изобрести способ изготовления более толстых полимерных покрытий! Столь важное увеличение емкости голографического диска, представлявшееся элементарным с точки зрения теоретика, не реализуется на практике. Более того, полимеры обнаружили крайне неприятную тенденцию к… сжатию. То есть вы наносите строго определенный по своей толщине слой, а он после нескольких циклов записи/считывания "усыхает"! Мало того, что это снижает максимальную емкость, так и уже записанные страницы утрачивают свою первоначальную четкость, возрастает количество ошибок, проявляются перекрестные наводки между голограммами.

Предварительные итоги



Голографический ассоциативный
сенсор для распознавания отпечатков пальцев

Судя по всему, никто не знает, насколько близки мы к появлению емкого,
быстродействующего, ассоциативного голографического хранилища данных. Конечно,
может случиться и так, что многочисленные физические ограничения, касающиеся как
методики, так и материалов, отодвинут счастливый миг на долгие годы. Тогда, вероятно,
о голографии забудут. Разработчики, причастные к созданию технологии, понимают,
что рынок вряд ли воспримет дорогостоящее нововведение, обладающее незначительными
достоинствами по сравнению с традиционными продуктами. В настоящий момент голографии
нечем особенно хвастаться. Высокая скорость считывания и записи компенсируется
дороговизной и габаритностью оборудования, большая емкость — трудностями с выбором
материала, долговечность — малым количеством циклов считывания/записи. В то же
время магнитные и оптические технологии хранения данных развиваются просто невероятными
темпами, а борьба на рынке перешла в самый низкий ценовой диапазон. Скептики,
к которым без сомнения можно причислить президента DiskTrend Джима Портера (Jim
Porter), говорят, что голография сегодня — по большому счету, дым без огня ("mostly
smoke and no fire"). А рынок решений на основе этой технологии не зарождается,
а просто не существует. Портер приводит и более конкретные аргументы: "Из-за
того, что первые продукты будут поддерживать только однократную запись, голографическая
технология не повлияет на то, что мы делаем сегодня с магнитными пленками и дисками".

Тем не менее совсем недавно появилась надежда на скорое воплощение многообещающих преимуществ голографии. Компания Aprilis, участвовавшая в программе PRISM и добившаяся значительных успехов на момент ее завершения, анонсировала привод, работающий с голографическими дисками. Основной козырь — оригинальный полимер CROP (Cationic Ring Opening Polymerization), не страдающий от сжатия после рабочего цикла. Первые коммерческие образцы ожидаются в ближайшие два года.

Не только Aprilis участвует в гонке — InPhase Technologies, отпрыск Lucent Technologies, также собирается представить свой вариант технологии. Инвестиции поступили от такого солидного производителя оптических и магнитных носителей, как Imation. Судя по обещаниям специалистов InPhase, фотополимер, вокруг которого фирма строит свою стратегию, должен превзойти по параметрам ниобат лития. Так что основания для оптимизма далеко не исчерпаны.


Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: