Память будущего. Часть II. Молекулярная память


Молекулярная память

Другой радикально иной подход в создании устройств хранения данных - молекулярный. Группа исследователей центра "W.M. Keck Center for Molecular Electronic" под руководством профессора Роберта Р. Бирга (Robert R. Birge) уже относительно давно получила прототип подсистемы памяти, использующей для запоминания цифровые биты молекулы. Это - молекулы протеина, который называется бактериородопсин (bacteriorhodopsin). Он имеет пурпурный цвет, поглощает свет и присутствует в мембране микроорганизма, называемого halobacterium halobium. Этот микроорганизм "проживает" в соляных болотах, где температура может достигать +150 °С. Когда уровень содержания кислорода в окружающей среде настолько низок, что для получения энергии невозможно использовать дыхание (окисление), он для фотосинтеза использует протеин. Бактериородопсин был выбрал потому, что фотоцикл (последовательность структурных изменений, которые молекула претерпевает при реакции со светом) делает эту молекулу идеальным логическим запоминающим элементом типа "&" или типа переключателя из одного состояния в другое (триггер). Как показали исследования Бирга, bR-состояние (логическое значение бита "0") и Q-состояние (логическое значение бита "1") являются промежуточными состояниями молекулы и могут оставаться стабильными в течение многих лет. Это свойство, в частности, обеспечивающее удивительную стабильность протеина, и было приобретено эволюционным путем в борьбе за выживание в суровых условиях соляных болот.

По оценкам Бирга, данные, записанные на бактериородопсинном запоминающем устройстве, должны сохраняться приблизительно пять лет. Другой важной особенностью бактериородопсина является то, что эти два состояния имеют заметно отличающиеся спектры поглощения. Это позволяет легко определить текущее состояние молекулы с помощью лазера, настроенного на соответствующую частоту.

Был построен прототип системы памяти, в котором бактсриородопсин запоминает данные в трехмерной матрице. Такая матрица представляет собой кювету (прозрачный сосуд), заполненную полиакридным гелем, в который помещен протеин. Кювета имеет продолговатую форму размером 1x1x2 дюйма. Протеин, который находится в bR-состоянии, фиксируется в пространстве при полимеризации геля. Кювету окружают батарея лазеров и детекторная матрица, построенная на базе прибора, использующего принцип зарядовой инжекции (CID - Charge Injection Device), которые служат для записи и чтения данных.

При записи данных сначала надо зажечь желтый "страничный" лазер - для перевода молекул в Q-состояние. Пространственный световой модулятор (SLM), который, как говорилось ранее, представляет собой LCD-матрицу, создающую маску на пути луча, вызывает возникновение активной (возбужденной) плоскости в материале внутри кюветы. Эта энергоактивная плоскость представляет собой страницу данных, которая может вмешать массив 4096x4096 bit. Перед возвратом протеина в состояние покоя (в нем он может находиться довольно длительное время, сохраняя информацию) зажигается красный, записывающий лазер, располагаемый под прямым углом по отношению к желтому. Другой SLM отображает двоичные данные и, таким образом, создает на пути луча соответствующую маску, поэтому облучению подвергнутся только определенные пятна (точки) страницы. Молекулы в этих местах перейдут в Q-состояние и будут представлять двоичную единицу. Оставшаяся часть страницы возвратится в первоначальное bR-состояние и будет представлять двоичные нули. Для того, чтобы прочитать данные, надо опять зажечь страничный лазер, который переводит читаемую страницу в Q-состояние. Это делается для того, чтобы в дальнейшем, с помощью различия в спектрах поглощения, идентифицировать двоичные нули и единицы. Через 2ms после этого страница "окунается" в низкоинтенсивный световой поток красного лазера. Низкая интенсивность нужна для того, чтобы предупредить "перепрыгивание" молекул в Q-состояние. Молекулы, представляющие двоичный нуль, поглощают красный свет, а представляющие двоичную единицу пропускают луч мимо себя. Это создает "шахматный" рисунок из светлых и темных пятен на LCD-матрице, которая захватывает страницу цифровой информации.

Для стирания данных достаточно короткого импульса синего лазера, чтобы вернуть молекулы из Q-состояния в исходное bR-состояние. Синий свет не обязательно должен идти от лазера: так можно стереть всю кювету с помощью обыкновенной ультрафиолетовой лампы. Для обеспечения целостности данных при выборочном стирании страниц применяется кэширование нескольких смежных страниц. При операциях чтения-записи также используются два дополнительных бита четности, чтобы защититься от ошибок. Страница данных может быть прочитана без разрушения до 5000 раз. Каждая страница отслеживается счетчиком, и если происходит 1024 чтения, то страница "освежается" (регенерируется) с помощью новой операции записи.

Учитывая, что молекула меняет свои состояния в пределах 1ms, суммарное время для выполнения операции чтения или записи составляет около 10ms. Однако, по аналогии с системой голографической памяти, это устройство осуществляет параллельный доступ в цикле чтения-записи, что позволяет рассчитывать на скорость до 10MBps. Предполагается, что если объединить по восемь запоминающих битовых ячеек в байт с параллельным доступом, то можно достигнуть скорости 80MBps, но для такого способа необходима соответствующая схемотехническая реализация подсистемы памяти. Некоторые версии устройств SLM выполняют страничную адресацию, которая в недорогих конструкциях используется при направлении луча на нужную страницу с помощью поворотной системы гальванических зеркал. Такой SLM обеспечивает доступ за 1ms, но и стоит соответственно в четыре раза дороже.

Сам Бирг утверждает, что предложенная им система по быстродействию близка к полупроводниковой памяти, пока не встретится страничный дефект. При обнаружении такого дефекта необходимо перенаправить луч для доступа к таким страницам с другой стороны. Теоретически, кювета, о которой уже шла речь, может вместить 1ТВ данных. Ограничения на емкость связаны, в основном, с проблемами линзовой системы и качеством протеина.

Сможет ли молекулярная память конкурировать с традиционной полупроводниковой памятью? Ее конструкция, безусловно, имеет определенные преимущества. Во-первых, она основана на протеине, который производится в большом количестве и по недорогой цене, чему способствуют достижения генной инженерии. Во-вторых, система может функционировать в более широком диапазоне температур, чем полупроводниковая память. В-третьих, данные сохраняются постоянно - даже если выключить питание системы памяти, это не приведет к потере информации. И, наконец, кубики с данными, имеющие маленькие размеры, но содержащие гигабайты информации, можно помещать в архив для хранения копий (как магнитные ленты). Так как кубики не содержат движущихся частей, это удобнее, чем использование портативных жестких дисков или картриджей с магнитной лентой.

Часть I   читать еще по теме

Комментарии

оперативка

отличный обзор. на такую оперативку можно даже устанавливать одноразовую ОС типа линукс и каждый день её стирать (борьба с вирусами) и записывать заново. Можно даже применить фрактальность информации когда отдельный кусочек голограмммы содержит инфу обо всей структуре.