омп'ютерн≥ науки > ƒва напр¤мки створенн¤ пам'¤т≥ майбутнього

ƒва напр¤мки створенн¤ пам'¤т≥ майбутнього

ѕо¤ва у швидкому майбутньому задач, що вимагають дуже великий обчислювальний потужност≥, змушуЇ вже зараз кинутис¤ до пошуку нових техн≥чних р≥шень не т≥льки в план≥ удосконалюванн¤ самих процесор≥в, але й ≥нших компонент≥в ѕ . Ќезалежно в≥д того, ¤ка дл¤ виготовленн¤ процесора використовуЇтьс¤ технолог≥¤, к≥льк≥сть даних, що поставл¤ютьс¤ њм на обробку, визначаЇтьс¤ можливост¤ми й ≥ншими п≥дсистемами комп'ютера. ™мност≥ сучасних пристроњв масовоњ пам'¤т≥ в≥дбивають цю тенденц≥ю. ƒиски —D-ROM дозвол¤ють збер≥гати до 700ћ¬ ≥нформац≥њ, що розвиваЇтьс¤ технолог≥¤ DVD-ROM - до 17GB. “ехнолог≥¤ магн≥тного запису також розвиваЇтьс¤ дуже швидко - за останн≥й р≥к типова Їмн≥сть твердого диска в наст≥льних комп'ютерах зросла до 15-20 GB ≥ б≥льш. ќднак у майбутньому комп'ютерам прийдетьс¤ обробл¤ти сотн≥ гигабайт ≥ нав≥ть терабайти ≥нформац≥њ - набагато б≥льше, н≥ж може вм≥стити кожноњ з ≥снуючих сьогодн≥ CD-ROM-ов чи твердих диск≥в. ќбслуговуванн¤ таких обс¤г≥в даних ≥ перем≥щенн¤ њх дл¤ обробки сверхбыстрыми процесорами вимагають радикально нових п≥дход≥в при створенн≥ пристроњв збереженн¤ ≥нформац≥њ.

√алограф≥чна пам'¤ть

Ўирок≥ перспективи в цьому план≥ в≥дкриваЇ технолог≥¤ оптичного запису, в≥дома ¤к голограф≥¤: вона дозвол¤Ї забезпечити дуже високу щ≥льн≥сть запису при збереженн≥ максимальноњ швидкост≥ доступу до даних. ÷е дос¤гаЇтьс¤ за рахунок того, що галограф≥чний образ (голограма) кодуЇтьс¤ в один великий блок даних, що записуЇтьс¤ усього за одне звертанн¤. ј коли в≥дбуваЇтьс¤ читанн¤, цей блок ц≥лком вит¤гаЇтьс¤ з пам'¤т≥. ƒл¤ читанн¤ чи запису блок≥в галограф≥чно збережених на св≥тлочутливому матер≥ал≥ (за основний матер≥ал прийн¤тий н≥обат л≥т≥ю, LiNb3) даних ("стор≥нок") використовуютьс¤ лазери. “еоретично, тис¤ч≥ таких цифрових стор≥нок, кожна з ¤кий м≥стить до м≥льйона б≥т, можна пом≥стити в пристр≥й розм≥ром з≥ шматочок цукру. ѕричому теоретично оч≥куЇтьс¤ щ≥льн≥сть даних у 1TЅ на куб≥чний сантиметр (TB/sm3). ѕрактично ж досл≥дники оч≥кують дос¤гненн¤ щ≥льност≥ пор¤дку 10GB/sm3, що теж дуже вражаЇ, ¤кщо пор≥внювати з використовуваним сьогодн≥ магн≥тним способом - пор¤дку дек≥лькох MB/sm2 - це без обл≥ку самого механ≥чного пристрою. ѕри так≥й щ≥льност≥ запису оптичний шар, що маЇ товщину близько 1cm, дозволить збер≥гати близько 1“¬ даних. ј ¤кщо врахувати, що така запам'¤товуюча система не маЇ частин, що рухаютьс¤, ≥ доступ до стор≥нок даних зд≥йснюЇтьс¤ паралельно, можна екати, що пристр≥й буде характеризуватис¤ щ≥льн≥стю в 1GB/sm3 ≥ нав≥ть вище.

Ќадзвичайн≥ можливост≥ топограф≥чноњ пам'¤т≥ зац≥кавили учених багатьох ун≥верситет≥в ≥ промислових досл≥дницьких лаборатор≥й. ÷ей ≥нтерес уже досить давно виливс¤ в дв≥ науково-досл≥дн≥ програми. ќдна з них - програма PRISM (Photorefractive Information Storage Material), метою ¤коњ Ї пошук придатних св≥тлочутливих матер≥ал≥в дл¤ збереженн¤ голограм ≥ досл≥дженн¤ њхн≥й запам'¤товуючих властивостей. ƒруга науково-досл≥дна програма - HDSS (Holographic Data Storage System). “ак само, ¤к ≥ PRISM, вона передбачаЇ р¤д фундаментальних досл≥джень, ≥ њњ учасниками Ї т≥ ж компан≥њ. ” той час ¤к метою PRISM Ї пошук придатних середовищ дл¤ збереженн¤ голограм, HDSS ор≥Їнтована на розробку апаратних засоб≥в, необх≥дних дл¤ практичноњ реал≥зац≥њ галограф≥чних запам'¤товуючих систем.

як же функц≥онуЇ система галограф≥чноњ пам'¤т≥? –озгл¤немо дл¤ цього установку, з≥брану досл≥дницькою групою з Almaden Research Center.

Ќа початковому етап≥ в цьому пристроњ в≥дбуваЇтьс¤ под≥л лучачи синьо-зеленого аргонового лазера на два складов≥ - опорний ≥ предметний промен≥ (останн≥й Ї нос≥Їм самих даних). ѕредметний пром≥нь п≥ддаЇтьс¤ расфокусировке, щоб в≥н м≥г ц≥лком висв≥тлювати просторовий св≥тловий модул¤тор (SLM - Spatial Light Modulator), що ¤вл¤Ї собою просто жидкокристаллическую (LCD) панель, на ¤к≥й стор≥нка даних в≥дображаЇтьс¤ у вид≥ матриц≥, що складаЇ з≥ св≥тлих ≥ темних п≥ксел≥в.

ќбидва промен≥ направл¤ютьс¤ усередину св≥тлочутливого кристала, де ≥ в≥дбуваЇтьс¤ њхн¤ взаЇмод≥¤. ” результат≥ ц≥Їњ взаЇмод≥њ утворитьс¤ ≥нтерференц≥йна картина, що ≥ Ї основою голограми ≥ запам'¤товуЇтьс¤ у вид≥ набору вар≥ац≥й показника чи переломленн¤ коеф≥ц≥Їнта в≥дображенн¤ усередин≥ цього кристала. ѕри читанн≥ даних кристал висв≥тлюЇтьс¤ опорним променем, що, взаЇмод≥ючи з≥ збереженоњ в кристал≥ ≥нтерференц≥йною картиною, в≥дтворюЇ записану стор≥нку у вид≥ образа "шах≥вниц≥" з≥ св≥тлих ≥ темних пикселей (голограма перетворить опорну хвилю в коп≥ю предметноњ). ѕот≥м цей образ направл¤Їтьс¤ в матричний детектор, основою дл¤ ¤кий служить прилад ≥з зар¤довим зв'¤зком (CCD - Charge-Coupled Device чи ѕ«—), що захоплюЇ всю стор≥нку даних. ѕри читанн≥ даних опорний пром≥нь повинний падати на кристал п≥д тим же самим кутом, при ¤кому виробл¤вс¤ запис цих даних, ≥ допускаЇтьс¤ зм≥на цього кута не б≥льше н≥ж на градус. ÷е дозвол¤Ї одержати високу щ≥льн≥сть даних: зм≥нюючи кут опорного чи промен¤ його частоту, можна записати додатков≥ стор≥нки даних у т≥м же самому кристал≥.

ќднак додатков≥ голограми зм≥нюють властивост≥ матер≥алу (а таких зм≥н може бути т≥льки ф≥ксована к≥льк≥сть), у результат≥ образи голограм стають тьм¤ними, що може привести до перекручуванн¤ даних при читанн≥. ÷им ≥ порозум≥ваЇтьс¤ обмеженн¤ обс¤гу реальноњ пам'¤т≥, ¤кий волод≥Ї матер≥ал. ƒинам≥чна область середовища визначаЇтьс¤ к≥льк≥стю стор≥нок, що вона може реально вм≥щати, тому учасники PRISM ≥ займаютьс¤ досл≥дженн¤м обмежень на св≥тлочутлив≥сть матер≥ал≥в.

¬икористовувана в тривим≥рн≥й галограф≥њ процедура висновку дек≥лькох стор≥нок з даними в той самий обс¤г називаЇтьс¤ мультиплексируванн¤м. “радиц≥йно використовуютьс¤ наступн≥ методи мультиплексируванн¤м: по кут≥ пад≥нн¤ опорного пучка, по довжин≥ хвил≥ ≥ по фаз≥, але, на жаль, вони вимагають складних оптичних систем ≥ товстих (товщиною в к≥лька м≥л≥метр≥в) нос≥њв, що робить њх непридатними дл¤ комерц≥йного застосуванн¤, принаймн≥, у сфер≥ обробки ≥нформац≥њ. ќднак зовс≥м недавно Bell Labs були винайден≥ три нових методи мультиплексируванн¤: зсувне, апертурне ≥ корел¤ц≥йне, заснован≥ на використанн≥ зм≥ни положенн¤ нос≥¤ щодо св≥тлових пучк≥в. ѕри цьому сдвиговое й апертурне мультиплексирование використовують сферичний опорний пучок, а корел¤ц≥йне - пучок ще б≥льш складноњ форми.  р≥м того, оск≥льки при корел¤ц≥йному ≥ зсувного мультиплексируваанн≥ зад≥¤н≥ механ≥чн≥ елементи, що рухаютьс¤, час доступу при њхньому застосуванн≥ буде приблизно таким же, ¤к ≥ в звичайних оптичних диск≥в. Bell Labs удалос¤ побудувати експериментальний нос≥й на основ≥ ус≥ того ж ниобата л≥т≥ю, що використовуЇ техн≥ку корел¤ц≥йного мультиплексируваанн¤, однак уже з щ≥льн≥стю запису близько 226GB на квадратний дюйм.

≤ншою складн≥стю, що виникла на шл¤ху створенн¤ пристроњв галограф≥чноњ пам'¤т≥, став пошук придатного матер≥алу дл¤ нос≥¤. Ѕ≥льш≥сть досл≥джень в област≥ голограф≥њ проводилис¤ з використанн¤м фотореактивних матер≥ал≥в (головним чином, що згадувавс¤ вище н≥обата л≥т≥ю), однак ¤кщо вони год¤ть дл¤ запису галограф≥чних зображень ювел≥рних прикрас, те цього н≥¤к не можна сказати у в≥дношенн≥ запису ≥нформац≥њ, так ще в комерц≥йних пристро¤х: вони дороги, мають слабку чутлив≥сть ≥ обмежений динам≥чний д≥апазон (частотна смуга пропущенн¤). “ому був розроблений новий клас фотопол≥мерних матер≥ал≥в, що волод≥ють непоганими перспективами з погл¤ду комерц≥йного застосуванн¤. ‘отопол≥мери ¤вл¤ють собою речовини, у ¤ких п≥д д≥Їю св≥тла в≥дбуваютьс¤ необоротн≥ зм≥ни, що виражаютьс¤ у флуктуац≥¤х складу ≥ щ≥льност≥. —творен≥ матер≥али мають б≥льш тривалий життЇвий цикл (у план≥ збереженн¤ записаноњ на них ≥нформац≥њ) ≥ ст≥йк≥ до впливу температур, а також в≥др≥зн¤ютьс¤ пол≥пшеними оптичними характеристиками, загалом, п≥дход¤ть дл¤ однократного запису даних (WORM).

Ќу ≥, нарешт≥, ще одна проблема - складн≥сть використовуваноњ оптичноњ системи. “ак, дл¤ голографической пам'¤т≥ не год¤ть светодиоды на баз≥ нап≥впров≥дникових лазер≥в, застосовуван≥ в традиц≥йних оптичних пристро¤х, оск≥льки вони мають недостатню потужн≥сть, дають пучок з високою розс≥¤н≥стю ≥, нарешт≥, нап≥впров≥дниковий лазер, генеруючий випром≥нюванн¤ в середньому д≥апазон≥ видимоњ област≥ спектра, одержати дуже складно. “ут же необх≥дний могутн≥й лазер, що даЇ ¤к можна б≥льш р≥вноб≥жний пучок. “е ж саме можна сказати ≥ про просторов≥ св≥тлов≥ модул¤тори: донедавна не було н≥ одного под≥бного пристрою, которое можна було б застосовувати в системах голографической пам'¤т≥. ќднак часи м≥н¤ютьс¤, ≥ сьогодн≥ вже стали доступними недорог≥ твердот≥л≥ лазери, з'¤вилас¤ м≥кроелектромехан≥чна технолог≥¤ (MEM - Micro-Electrical Mechanical, пристрою на њњ основ≥ ¤вл¤ють собою масиви м≥кродзеркал розм≥ром пор¤дку 17 м≥крон≥в), ¤к не можна краще придатна на роль SLM.

“ому що ≥нтерференц≥йн≥ шаблони однородно заповнюють весь матер≥ал, це над≥л¤Ї галограф≥чну пам'¤ть ≥ншою корисною властив≥стю - високою в≥рог≥дн≥стю записаноњ ≥нформац≥њ. ” той час ¤к дефект на поверхн≥ магн≥тного диска чи магн≥тноњ стр≥чки руйнуЇ важлив≥ дан≥, дефект у галограф≥чному середовищу не приводить до втрати ≥нформац≥њ, а викликаЇ усього лише "потускн≥нн¤" галограми. Ќевелик≥ наст≥льн≥ HDSS-пристроњ повинн≥ з'¤витис¤ до 2003 року. ќск≥льки апаратура HDSS дл¤ зм≥ни кута нахилу лучачи використовуЇ акусто-оптичний дефлектор (кристал, властивост≥ ¤кого зм≥нюютьс¤ при проходженн≥ через нього звуковоњ хвил≥), то за загальними оц≥нками, час вит¤гу сум≥жних стор≥нок даних складе менш 10ms. Ѕудь-¤кий традиц≥йний оптичний чи магн≥тний пристр≥й пам'¤т≥ маЇ потребу в спец≥альних механ≥чних засобах дл¤ доступу до даних на р≥зних дор≥жках, ≥ час цього доступу складаЇ трохи м≥л≥секунд.

1	2

Ќазва: ƒва напр¤мки створенн¤ пам'¤т≥ майбутнього
ƒата публ≥кац≥њ: 2005-02-22 (1216 прочитано)