РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ:

Два напрямки створення пам'яті майбутнього

Поява у швидкому майбутньому задач, що вимагають дуже великий обчислювальний потужності, змушує вже зараз кинутися до пошуку нових технічних рішень не тільки в плані удосконалювання самих процесорів, але й інших компонентів ПК. Незалежно від того, яка для виготовлення процесора використовується технологія, кількість даних, що поставляються їм на обробку, визначається можливостями й іншими підсистемами комп'ютера. Ємності сучасних пристроїв масової пам'яті відбивають цю тенденцію. Диски СD-ROM дозволяють зберігати до 700МВ інформації, що розвивається технологія DVD-ROM - до 17GB. Технологія магнітного запису також розвивається дуже швидко - за останній рік типова ємність твердого диска в настільних комп'ютерах зросла до 15-20 GB і більш. Однак у майбутньому комп'ютерам прийдеться обробляти сотні гигабайт і навіть терабайти інформації - набагато більше, ніж може вмістити кожної з існуючих сьогодні CD-ROM-ов чи твердих дисків. Обслуговування таких обсягів даних і переміщення їх для обробки сверхбыстрыми процесорами вимагають радикально нових підходів при створенні пристроїв збереження інформації.

Галографічна пам'ять

Широкі перспективи в цьому плані відкриває технологія оптичного запису, відома як голографія: вона дозволяє забезпечити дуже високу щільність запису при збереженні максимальної швидкості доступу до даних. Це досягається за рахунок того, що галографічний образ (голограма) кодується в один великий блок даних, що записується усього за одне звертання. А коли відбувається читання, цей блок цілком витягається з пам'яті. Для читання чи запису блоків галографічно збережених на світлочутливому матеріалі (за основний матеріал прийнятий ніобат літію, LiNb3) даних ("сторінок") використовуються лазери. Теоретично, тисячі таких цифрових сторінок, кожна з який містить до мільйона біт, можна помістити в пристрій розміром зі шматочок цукру. Причому теоретично очікується щільність даних у 1TБ на кубічний сантиметр (TB/sm3). Практично ж дослідники очікують досягнення щільності порядку 10GB/sm3, що теж дуже вражає, якщо порівнювати з використовуваним сьогодні магнітним способом - порядку декількох MB/sm2 - це без обліку самого механічного пристрою. При такій щільності запису оптичний шар, що має товщину близько 1cm, дозволить зберігати близько 1ТВ даних. А якщо врахувати, що така запам'ятовуюча система не має частин, що рухаються, і доступ до сторінок даних здійснюється паралельно, можна екати, що пристрій буде характеризуватися щільністю в 1GB/sm3 і навіть вище.

Надзвичайні можливості топографічної пам'яті зацікавили учених багатьох університетів і промислових дослідницьких лабораторій. Цей інтерес уже досить давно вилився в дві науково-дослідні програми. Одна з них - програма PRISM (Photorefractive Information Storage Material), метою якої є пошук придатних світлочутливих матеріалів для збереження голограм і дослідження їхній запам'ятовуючих властивостей. Друга науково-дослідна програма - HDSS (Holographic Data Storage System). Так само, як і PRISM, вона передбачає ряд фундаментальних досліджень, і її учасниками є ті ж компанії. У той час як метою PRISM є пошук придатних середовищ для збереження голограм, HDSS орієнтована на розробку апаратних засобів, необхідних для практичної реалізації галографічних запам'ятовуючих систем.

Як же функціонує система галографічної пам'яті? Розглянемо для цього установку, зібрану дослідницькою групою з Almaden Research Center.

На початковому етапі в цьому пристрої відбувається поділ лучачи синьо-зеленого аргонового лазера на два складові - опорний і предметний промені (останній є носієм самих даних). Предметний промінь піддається расфокусировке, щоб він міг цілком висвітлювати просторовий світловий модулятор (SLM - Spatial Light Modulator), що являє собою просто жидкокристаллическую (LCD) панель, на якій сторінка даних відображається у виді матриці, що складає зі світлих і темних пікселів.

Обидва промені направляються усередину світлочутливого кристала, де і відбувається їхня взаємодія. У результаті цієї взаємодії утвориться інтерференційна картина, що і є основою голограми і запам'ятовується у виді набору варіацій показника чи переломлення коефіцієнта відображення усередині цього кристала. При читанні даних кристал висвітлюється опорним променем, що, взаємодіючи зі збереженої в кристалі інтерференційною картиною, відтворює записану сторінку у виді образа "шахівниці" зі світлих і темних пикселей (голограма перетворить опорну хвилю в копію предметної). Потім цей образ направляється в матричний детектор, основою для який служить прилад із зарядовим зв'язком (CCD - Charge-Coupled Device чи ПЗС), що захоплює всю сторінку даних. При читанні даних опорний промінь повинний падати на кристал під тим же самим кутом, при якому вироблявся запис цих даних, і допускається зміна цього кута не більше ніж на градус. Це дозволяє одержати високу щільність даних: змінюючи кут опорного чи променя його частоту, можна записати додаткові сторінки даних у тім же самому кристалі.

Однак додаткові голограми змінюють властивості матеріалу (а таких змін може бути тільки фіксована кількість), у результаті образи голограм стають тьмяними, що може привести до перекручування даних при читанні. Цим і порозумівається обмеження обсягу реальної пам'яті, який володіє матеріал. Динамічна область середовища визначається кількістю сторінок, що вона може реально вміщати, тому учасники PRISM і займаються дослідженням обмежень на світлочутливість матеріалів.

Використовувана в тривимірній галографії процедура висновку декількох сторінок з даними в той самий обсяг називається мультиплексируванням. Традиційно використовуються наступні методи мультиплексируванням: по куті падіння опорного пучка, по довжині хвилі і по фазі, але, на жаль, вони вимагають складних оптичних систем і товстих (товщиною в кілька міліметрів) носіїв, що робить їх непридатними для комерційного застосування, принаймні, у сфері обробки інформації. Однак зовсім недавно Bell Labs були винайдені три нових методи мультиплексирування: зсувне, апертурне і кореляційне, засновані на використанні зміни положення носія щодо світлових пучків. При цьому сдвиговое й апертурне мультиплексирование використовують сферичний опорний пучок, а кореляційне - пучок ще більш складної форми. Крім того, оскільки при кореляційному і зсувного мультиплексируваанні задіяні механічні елементи, що рухаються, час доступу при їхньому застосуванні буде приблизно таким же, як і в звичайних оптичних дисків. Bell Labs удалося побудувати експериментальний носій на основі усі того ж ниобата літію, що використовує техніку кореляційного мультиплексируваання, однак уже з щільністю запису близько 226GB на квадратний дюйм.

Іншою складністю, що виникла на шляху створення пристроїв галографічної пам'яті, став пошук придатного матеріалу для носія. Більшість досліджень в області голографії проводилися з використанням фотореактивних матеріалів (головним чином, що згадувався вище ніобата літію), однак якщо вони годять для запису галографічних зображень ювелірних прикрас, те цього ніяк не можна сказати у відношенні запису інформації, так ще в комерційних пристроях: вони дороги, мають слабку чутливість і обмежений динамічний діапазон (частотна смуга пропущення). Тому був розроблений новий клас фотополімерних матеріалів, що володіють непоганими перспективами з погляду комерційного застосування. Фотополімери являють собою речовини, у яких під дією світла відбуваються необоротні зміни, що виражаються у флуктуаціях складу і щільності. Створені матеріали мають більш тривалий життєвий цикл (у плані збереження записаної на них інформації) і стійкі до впливу температур, а також відрізняються поліпшеними оптичними характеристиками, загалом, підходять для однократного запису даних (WORM).

Ну і, нарешті, ще одна проблема - складність використовуваної оптичної системи. Так, для голографической пам'яті не годять светодиоды на базі напівпровідникових лазерів, застосовувані в традиційних оптичних пристроях, оскільки вони мають недостатню потужність, дають пучок з високою розсіяністю і, нарешті, напівпровідниковий лазер, генеруючий випромінювання в середньому діапазоні видимої області спектра, одержати дуже складно. Тут же необхідний могутній лазер, що дає як можна більш рівнобіжний пучок. Те ж саме можна сказати і про просторові світлові модулятори: донедавна не було ні одного подібного пристрою, которое можна було б застосовувати в системах голографической пам'яті. Однак часи міняються, і сьогодні вже стали доступними недорогі твердотілі лазери, з'явилася мікроелектромеханічна технологія (MEM - Micro-Electrical Mechanical, пристрою на її основі являють собою масиви мікродзеркал розміром порядку 17 мікронів), як не можна краще придатна на роль SLM.

Тому що інтерференційні шаблони однородно заповнюють весь матеріал, це наділяє галографічну пам'ять іншою корисною властивістю - високою вірогідністю записаної інформації. У той час як дефект на поверхні магнітного диска чи магнітної стрічки руйнує важливі дані, дефект у галографічному середовищу не приводить до втрати інформації, а викликає усього лише "потускніння" галограми. Невеликі настільні HDSS-пристрої повинні з'явитися до 2003 року. Оскільки апаратура HDSS для зміни кута нахилу лучачи використовує акусто-оптичний дефлектор (кристал, властивості якого змінюються при проходженні через нього звукової хвилі), то за загальними оцінками, час витягу суміжних сторінок даних складе менш 10ms. Будь-який традиційний оптичний чи магнітний пристрій пам'яті має потребу в спеціальних механічних засобах для доступу до даних на різних доріжках, і час цього доступу складає трохи мілісекунд.

Мабуть, помилково розглядати пристрою галографічної пам'яті як радикально нову технологію, тому що її основні концепції розроблені близько 30 років тому. Якщо що і змінилося, так це приступність ключових компонентів для цієї технології - ціни на них стали значно нижче. Так, напівпровідниковий лазер уже не є чимось дивовижним, а давним-давно вже став стандартом. З іншого боку, SLM - це результат тієї ж технології, що застосовується при виготовленні LCD-екранів для Пк-блокнотів і калькуляторів, а детекторна матриця CCD запозичена прямо з цифрової відеокамери.

Отже, переваг у нової технології більш ніж досить: крім того, що інформація зберігається і зчитується паралельно, можна досягти дуже високої швидкості передачі даних і, в окремих випадках, високій швидкості довільного доступу. А саме головне - практично відсутні механічні компоненти, властиві нинішнім хоронителям інформації (наприклад, шпинделі з гігантським числом оборотів). Це гарантує не тільки швидкий доступ (для даної технології правильно сказати миттєвий) до даних, меншу імовірність збоїв, але і більш низьке споживання електроенергії, оскільки сьогодні твердий диск - один з найбільш енергоємних компонентів комп'ютера.

Молекулярна пам'ять

Інший радикально інший підхід у створенні пристроїв збереження даних - молекулярний. Група дослідників центра "W.M. Keck Center for Molecular Electronic" під керівництвом професора Роберта Р. Бирга (Robert R. Birge) уже відносно давно одержала прототип підсистеми пам'яті, що використовує для запам'ятовування цифрові біти молекули. Це - молекули протеїну, що називається бактеріородопсин (bacteriorhodopsin). Він має пурпурний колір, поглинає світло і є присутнім у мембрані мікроорганізму, називаного halobacterium halobium. Цей мікроорганізм "проживає" у соляних болотах, де температура може досягати +150 °С. Коли рівень змісту кисню в навколишнім середовищі настільки низок, що для одержання енергії неможливо використовувати подих (окислювання), воно для фотосинтезу використовує протеїн.

Бактеріородопсин був вибрав тому, що фотоцикл (послідовність структурних змін, що молекула перетерплює при реакції зі світлом) робить цю молекулу ідеальним логічним запам'ятовуючим елементом типу "&" чи типу перемикача з одного стану в інше (тригер). Як показали дослідження Бирга, bR-стан (логічне значення біта "0") і Q-стан (логічне значення біта "1") є проміжними станами молекули і можуть залишатися стабільними протягом багатьох літ. Це властивість, зокрема, що забезпечує дивну стабільність протеїну, і було придбано еволюційним шляхом у боротьбі за виживання в суворих умовах соляних боліт.

По оцінках Бирга, дані, записані на бактеріородопсином запам'ятовуючому пристрої, повинні зберігатися приблизно п'ять років. Іншою важливою особливістю бактериородопсина є те, що ці два стани мають помітно відрізняються спектри поглинання. Це дозволяє легко визначити поточний стан молекули за допомогою лазера, набудованого на відповідну частоту.

Був побудований прототип системи пам'яті, у якому бактеріородопсин запам'ятовує дані в тривимірній матриці. Така матриця являє собою кювету (прозора судина), заповнену поліакридним гелем, у який поміщений протеїн. Кювету має довгасту форму розміром 1x1x2 дюйми. Протеїн, що знаходиться в bR-стані, фіксується в просторі при полімеризації гелю. Кювету оточують батарея лазерів і детекторна матриця, побудована на базі приладу, що використовує принцип зарядової інжекції (CID - Charge Injection Device), що служать для запису і читання даних.

При записі даних спочатку треба запалити жовтий "сторінковий" лазер - для перекладу молекул у Q-стан. Просторовий світловий модулятор (SLM), що, як говорилося раніше, являє собою LCD-матрицю, що створює маску на шляху лучачи, викликає виникнення активної (збудженої) площини в матеріалі усередині кювети. Ця энергоактивна площина являє собою сторінку даних, що може вмішати масив 4096x4096 bit. Перед поверненням протеїну в стан спокою (у ньому він може знаходитися досить тривалий час, зберігаючи інформацію) запалюється червоний, записуючий лазер, розташовуваний під прямим кутом стосовно жовтого. Інший SLM відображає двоцифрові дані і, таким чином, створює на шляху лучачи відповідну маску, тому опроміненню піддадуться тільки визначені плями (крапки) сторінки. Молекули в цих місцях перейдуть у Q-стан і будуть представляти двоцифрову одиницю. Частина сторінки, що залишилася, повернеться в первісний bR-стан і буде представляти двоцифрові нулі. Для того, щоб прочитати дані, треба знову запалити сторінковий лазер, що переводить сторінку, що читається, у Q-стан. Це робиться для того, щоб надалі, за допомогою розходження в спектрах поглинання, ідентифікувати двоичные нулі й одиниці. Через 2ms після цього сторінка "занурюється" у низькоінтенсивний світловий потік червоного лазера. Низька інтенсивність потрібна для того, щоб попередити "перепригування" молекул у Q-стан. Молекули, що представляють двоцифровий нуль, поглинають червоне світло, а представляючи двоцифрову одиницю пропускають промінь повз себе. Це створює "шаховий" малюнок зі світлих і темних плям на LCD-матриці, що захоплює сторінку цифрової інформації.

Для стирання даних досить короткого імпульсу синього лазера, щоб повернути молекули з Q-стану у вихідний bR-стан. Синє світло не обов'язково повинне йти від лазера: так можна стерти всю кювету за допомогою звичайної ультрафіолетової лампи. Для забезпечення цілісності даних при вибірковому стиранні сторінок застосовується кеширування декількох суміжних сторінок. При операціях читання-запису також використовуються два додаткових біти парності, щоб захиститися від помилок. Сторінка даних може бути прочитана без руйнування до 5000 разів. Кожна сторінка відслідковується лічильником, і якщо відбувається 1024 читання, то сторінка "освіжається" (регенерується) за допомогою нової операції запису.

З огляду на, що молекула змінює свої стани в межах 1ms, сумарний час для виконання операції чи читання записи складає близько 10ms. Однак, за аналогією із системою голографической пам'яті, цей пристрій здійснює рівнобіжний доступ у циклі читання-запису, що дозволяє розраховувати на швидкість до 10MBps. Передбачається, що якщо об'єднати по восьми запам'ятовуючих бітових осередків у байт із рівнобіжним доступом, то можна досягти швидкості 80MBps, але для такого способу необхідна відповідна схемотехнічна реалізація підсистеми пам'яті. Деякі версії пристроїв SLM виконують сторінкову адресацію, що у недорогих конструкціях використовується при напрямку лучачи на потрібну сторінку за допомогою поворотної системи гальванічних дзеркал. Такий SLM забезпечує доступ за 1ms, але і коштує відповідно в чотири рази дорожче.

Сам Бирг затверджує, що запропонована їм система по швидкодії близька до напівпровідникової пам'яті, поки не зустрінеться сторінковий дефект. При виявленні такого дефекту необхідно перенаправляти промінь для доступу до таких сторінок з іншої сторони. Теоретично, кювету, про яку вже йшла мова, може вмістити 1ТВ даних. Обмеження на ємність зв'язані, в основному, із проблемами лінзової системи і якістю протеїну.

Чи зможе молекулярна пам'ять конкурувати з традиційною напівпровідниковою пам'яттю? Її конструкція, безумовно, має визначені переваги. По-перше, вона заснована на протеїні, що виробляється у великій кількості і за недорогою ціною, чому сприяють досягнення генної інженерії. По-друге, система може функціонувати в більш широкому діапазоні температур, чим напівпровідникова пам'ять. По-третє, дані зберігаються постійно - навіть якщо виключити харчування системи пам'яті, це не приведе до втрати інформації. І, нарешті, кубики з даними, що мають маленькі розміри, але містять гігабайти інформації, можна поміщати в архів для збереження копій (як магнітні стрічки). Тому що кубики не містять частин, що рухаються, це зручніше, ніж використання портативних твердих чи дисків картриджів з магнітною стрічкою.

Використано матеріали журналу "BYTE"
Адаптація: Максим Лінь ([email protected])
Опубліковано -- 19 січня 2001 р.
Опубліковано в журналі "Компьютер Price"

Ссылки (links):

mailto:[email protected]

http://www.comprice.ru/