Память будущего. Часть I. Голографическая память


Максим Лень

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.

Голографическая память

Широкие перспективы в этом плане открывает технология оптической записи, известная как голография: она позволяет обеспечить очень высокую плотность записи при сохранении максимальной скорости доступа к данным. Это достигается за счет того, что голографический образ (голограмма) кодируется в один большой блок данных, который записывается всего за одно обращение. А когда происходит чтение, этот блок целиком извлекается из памяти. Для чтения или записи блоков голографически хранимых на светочувствительном материале (за основной материал принят ниобат лития, LiNbO3) данных ("страниц") используются лазеры. Теоретически, тысячи таких цифровых страниц, каждая из которых содержит до миллиона бит, можно поместить в устройство размером с кусочек сахара. Причем теоретически ожидается плотность данных в 1TБ на кубический сантиметр (TB/sm3). Практически же исследователи ожидают достижения плотности порядка 10GB/sm3, что тоже весьма впечатляет, если сравнивать с используемым сегодня магнитным способом - порядка нескольких MB/sm2 - это без учета самого механизма устройства. При такой плотности записи оптический слой, имеющий толщину около 1cm, позволит хранить около 1ТВ данных. А если учесть, что такая запоминающая система не имеет движущихся частей, и доступ к страницам данных осуществляется параллельно, можно ожидать, что устройство будет характеризоваться плотностью в 1GB/sm3 и даже выше.

Необычайные возможности топографической памяти заинтересовали ученых многих университетов и промышленных исследовательских лабораторий. Этот интерес уже довольно давно вылился в две научно-исследовательские программы. Одна из них - программа PRISM (Photorefractive Information Storage Material), целью которой является поиск подходящих светочувствительных материалов для хранения голограмм и исследование их запоминающих свойств. Вторая научно-исследовательская программа - HDSS (Holographic Data Storage System). Так же, как и PRISM, она предусматривает ряд фундаментальных исследований, и ее участниками являются те же компании. В то время как целью PRISM является поиск подходящих сред для хранения голограмм, HDSS ориентирована на разработку аппаратных средств, необходимых для практической реализации голографических запоминающих систем.

Как же функционирует система голографической памяти? Рассмотрим для этого установку, собранную исследовательской группой из Almaden Research Center.

На начальном этапе в этом устройстве происходит разделение луча сине-зеленого аргонового лазера на две составляющие - опорный и предметный лучи (последний является носителем самих данных). Предметный луч подвергается расфокусировке, чтобы он мог полностью освещать пространственный световой модулятор (SLM - Spatial Light Modulator), который представляет собой просто жидкокристаллическую (LCD) панель, на которой страница данных отображается в виде матрицы, состоящей из светлых и темных пикселей (двоичные данные).

Оба луча направляются внутрь светочувствительного кристалла, где и происходит их взаимодействие. В результате этого взаимодействия образуется интерференционная картина, которая и является основой голограммы и запоминается в виде набора вариаций показателя преломления или коэффициента отражения внутри этого кристалла. При чтении данных кристалл освещается опорным лучом, который, взаимодействуя с хранимой в кристалле интерференционной картиной, воспроизводит записанную страницу в виде образа "шахматной доски" из светлых и темных пикселей (голограмма преобразует опорную волну в копию предметной). Затем этот образ направляется в матричный детектор, основой для которого служит прибор с зарядовой связью (CCD - Charge-Coupled Device или ПЗС), захватывающее всю страницу данных. При чтении данных опорный луч должен падать на кристалл под тем же самым углом, при котором производилась запись этих данных, и допускается изменение этого угла не более чем на градус. Это позволяет получить высокую плотность данных: изменяя угол опорного луча или его частоту, можно записать дополнительные страницы данных в том же самом кристалле.

Однако дополнительные голограммы изменяют свойства материала (а таких изменений может быть только фиксированное количество), в результате образы голограмм становятся тусклыми, что может привести к искажению данных при чтении. Этим и объясняется ограничение объема реальной памяти, которой обладает материал. Динамическая область среды определяется количеством страниц, которые она может реально вмещать, поэтому участники PRISM и занимаются исследованием ограничений на светочувствительность материалов.

Используемая в трехмерной голографии процедура заключения нескольких страниц с данными в один и тот же объем называется мультиплексированием. Традиционно используются следующие методы мультиплексирования: по углу падения опорного пучка, по длине волны и по фазе, но, к сожалению, они требуют сложных оптических систем и толстых (толщиной в несколько миллиметров) носителей, что делает их непригодными для коммерческого применения, по крайней мере, в сфере обработки информации. Однако совсем недавно Bell Labs были изобретены три новых метода мультиплексирования: сдвиговое, апертурное и корреляционное, основанные на использовании изменения положения носителя относительно световых пучков. При этом сдвиговое и апертурное мультиплексирование используют сферический опорный пучок, а корреляционное - пучок еще более сложной формы. Кроме того, поскольку при корреляционном и сдвиговом мультиплексировании задействованы механические движущиеся элементы, время доступа при их применении будет примерно таким же, как и у обычных оптических дисков. Bell Labs удалось построить экспериментальный носитель на основе все того же ниобата лития, использующий технику корреляционного мультиплексирования, однако уже с плотностью записи около 226GB на квадратный дюйм.

Другой сложностью, возникшей на пути создания устройств голографической памяти, стал поиск подходящего материала для носителя. Большинство исследований в области голографии проводились с использованием фотореактивных материалов (главным образом, упоминавшегося выше ниобата лития), однако если они годятся для записи голографических изображений ювелирных украшений, то этого никак нельзя сказать в отношении записи информации, да еще в коммерческих устройствах: они дороги, имеют слабую чувствительность и ограниченный динамический диапазон (частотная полоса пропускания). Поэтому был разработан новый класс фотополимерных материалов, обладающих неплохими перспективами с точки зрения коммерческого применения. Фотополимеры представляют собой вещества, в которых под действием света происходят необратимые изменения, выражающиеся во флуктуациях состава и плотности. Созданные материалы имеют более продолжительный жизненный цикл (в плане хранения записанной на них информации) и устойчивы к воздействию температур, а также отличаются улучшенными оптическими характеристиками, в общем, подходят для однократной записи данных (WORM).

Ну и, наконец, еще одна проблема - сложность используемой оптической системы. Так, для голографической памяти не годятся светодиоды на базе полупроводниковых лазеров, применяемые в традиционных оптических устройствах, поскольку они обладают недостаточной мощностью, дают пучок с высокой расходимостью и, наконец, полупроводниковый лазер, генерируемый излучение в среднем диапазоне видимой области спектра, получить очень сложно. Здесь же необходим мощный лазер, дающий как можно более параллельный пучок. То же самое можно сказать и о пространственных световых модуляторах: до недавнего времени не было ни одного подобного устройства, которое можно было бы применять в системах голографической памяти. Однако времена меняются, и сегодня уже стали доступными недорогие твердотельные лазеры, появилась микроэлектромеханическая технология (MEM - Micro-Electrical Mechanical, устройства на ее основе представляют собой массивы микрозеркал размером порядка 17 микрон), как нельзя лучше подходящая на роль SLM.

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. Небольшие настольные HDSS-устройства должны появиться к 2003 году. Поскольку аппаратура HDSS для изменения угла наклона луча использует акусто-оптический дефлектор (кристалл, свойства которого изменяются при прохождении через него звуковой волны), то по общим оценкам, время извлечения смежных страниц данных составит менее 10ms. Любое традиционное оптическое или магнитное устройство памяти нуждается в специальных механических средствах для доступа к данным на различных дорожках, и время этого доступа составляет несколько миллисекунд.

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".

Читаем дальше (часть II)