Info-MICA: голографическая память
Объемная голографическая запись
Тонкопленочная голографическая запись
Одним из наиболее перспективных направлений развития накопителей на оптических носителях является переход к голографической записи. В этой статье мы расскажем о проекте японской корпорации NTT, которая планирует уже в следующем году представить коммерческие изделия с накопителями на миниатюрных голографических ROM-носителях.
«Больше, быстрее и дешевле» — примерно так можно сформулировать лозунг, отражающий основные тенденции в развитии устройств хранения данных. Повышение удельной емкости носителей и наращивание скорости чтения/записи были и остаются первоочередными задачами для разработчиков самых различных устройств хранения данных.
Прототип 100-слойного носителя Info-MICA
Одним из факторов, сдерживающих рост скорости и удельной емкости современных оптических и магнитооптических носителей, является использование последовательной записи. Данные в этом случае записывают бит за битом на спиральной дорожке, то есть фактически в одном измерении. Таким образом, повышение удельной емкости существующих оптических носителей возможно лишь за счет минимизации физических параметров — в частности, ширины дорожки и длины питов. При этом вполне понятно, что возможности по минимизации данных параметров небезграничны и предельная емкость оптических накопителей, созданных по традиционной технологии, ограничена определенными физическими законами. Кроме того, двигаясь в данном направлении, разработчики сталкиваются с серьезными технологическими проблемами: для считывания диска, имеющего меньшие ширину дорожки и длину питов, требуются источник света с меньшей длиной волны и более точная механическая система. Согласно мнению ряда экспертов, практический предел емкости однослойных 120-миллиметровых оптических дисков, использующих последовательную запись данных на спиральную дорожку, составляет около 60-80 Гбайт на слой.
Объемная голографическая записьДля объемной голографической записи могут быть использованы носители с такой толщиной записывающего слоя, которая многократно превышает длину волны применяемого источника света. В процессе записи свет, излучаемый когерентным источником (лазером), разделяется на два луча — сигнальный, то есть несущий информацию, и опорный. Сигнальный луч пропускается через модулятор (в качестве которого может быть использована DMD-матрица), формирующий отдельные кадры (страницы) записи. Каждый из пикселов модулятора соответствует одному биту текущей страницы и может находиться в двух устойчивых состояниях — пропускать или не пропускать свет. Таким образом, в каждый момент времени информационный луч, прошедший через модулятор, проецирует некий точечный рисунок, соответствующий текущей странице потока данных. Модулированный информационный луч пересекается под определенным углом с опорным лучом, а возникающие в результате интерференции этих лучей картины проецируются на слой светочувствительного материала и фиксируются в нем. При считывании опорный луч проецируется сквозь слой носителя на специальный детектор. Интерференционные картины, зафиксированные в записывающем слое носителя, изменяют показатель преломления записывающего материала. Следовательно, прошедший через записывающий слой носителя опорный луч проецирует на детектор восстановленные изображения записанных страниц.
Чтение данных Поскольку запись и чтение в голографических приводах осуществляются параллельно (то есть одновременно записывается или считывается целый массив битов), данная технология позволяет достичь весьма впечатляющей скорости передачи данных — от десятков до сотен мегабайт в секунду.
Запись данных Изменяя угол падения луча или длину волны источника света, можно записать несколько различных информационных страниц на одном и том же участке светочувствительного материала (для их считывания необходимо воспроизвести такие же параметры опорного луча, которые были использованы при записи), что дает возможность использовать мультиплексирование потоков записываемых данных. Мультиплексирование позволяет значительно увеличить удельную плотность записи, а следовательно, и максимальную емкость носителя. |
||
В отличие от применяемой ныне последовательной записи, голографическая технология имеет ряд важных преимуществ. Первое (и, пожалуй, наиболее существенное) — это значительно более эффективное использование внутреннего объема носителя. Если в случае DVD данные записываются на одном или двух тонких слоях, как бы упакованных в толщу прозрачного пластика, то голографическая запись позволяет использовать внутренний объем носителя практически полностью, благодаря чему удельная плотность записи возрастает на пару порядков.
Еще один плюс голографической записи — значительно более высокая скорость считывания данных. В приводах CD и DVD данные считываются последовательно, бит за битом, а в голографических устройствах информация считывается кадрами, каждый из которых представляет образ двумерного массива данных.
Большинство компаний, ведущих работы в области создания голографических носителей и накопителей (в частности, InPhase Technologies, Optware1 и Polight Technologies), реализуют в своих устройствах технологию объемной, или трехмерной, голографии (подробнее о ней рассказано во врезке «Объемная голографическая запись»). Проект Info-MICA, о котором пойдет речь ниже, интересен тем, что его создатели использовали совершенно иную разновидность голографической записи — тонкопленочную голографию (см. врезку «Тонкопленочная голографическая запись»).
В середине февраля нынешнего года японская корпорация NTT распространила информацию о завершении работ по созданию прототипа миниатюрного оптического ROM-носителя, применяющего голографическую запись, а также малогабаритного привода для его считывания. Проект получил название Info-MICA (Information-Multilayered Imprinted CArd — многослойная штампованная карта). Использованная в названии аббревиатура является ассоциативной: в переводе с английского слово «mica» означает «слюда», а как известно, отличительной особенностью данного минерала является его слоистая структура.
Представленный компанией NTT прототип 100-слойного носителя Info-MICA имеет размеры 25Ѕ25 мм и толщину 2 мм. В качестве материала для изготовления носителей применяется обычный прозрачный пластик. Несмотря на скромные габариты, на таком носителе умещается до 1 Гбайт данных.
Прототип привода для считывания носителей Info-MICA тоже получился весьма компактным — 88Ѕ37Ѕ22 мм. В качестве источника света в приводе Info-MICA используется полупроводниковый лазер, а позиционирование луча на нужный слой носителя осуществляется при помощи сервопривода. Для минимизации размеров оптической системы привода в ее конструкции применены линзы Френеля.
1 См. публикацию «Голографическая запись: терабайт на одном носителе» в № 1’2003.
Тонкопленочная голографическая записьВ тонкопленочной голографии используется запись двумерных образов на носители с многослойной структурой. Максимальная толщина каждого из слоев в данном случае не превышает длину волны применяемого для считывания информации источника света, то есть составляет десятые доли микрона. При этом носитель имеет вафельную структуру: слой с высоким коэффициентом преломления (базовый) чередуется с армирующим слоем, имеющим низкий коэффициент преломления. В процессе записи исходный поток данных преобразуется в двумерное изображение (наподобие штрих-кода), на основе которого затем методом штамповки формируется выпукло-вогнутая структура базового слоя.
В процессе считывания данных лазерный луч фокусируется на торец нужного слоя. Благодаря волноводным свойствам материала, из которого изготовлен базовый слой, свет распространяется вдоль него и при этом оказывается как бы зажатым между расположенными сверху и снизу армирующими слоями, имеющими низкий коэффициент преломления. Сформированная на базовом слое выпукло-вогнутая структура вызывает рассеяние света, и восстановленный образ исходного двумерного изображения проецируется на плоскость, параллельную плоскости слоя. При помощи матрицы светочувствительных элементов полученное изображение преобразуется в цифровой формат, а затем подвергается специальной обработке с целью восстановления исходного цифрового кода. |
||
На первый взгляд выбор разработчиков NTT, взявших в качестве основы своего проекта тонкопленочную голографическую технологию, может показаться неожиданным — большинство компаний, ведущих работы в области создания голографических накопителей и носителей, сделали ставку на использование объемной голографии. Конечно, объемная голография имеет значительно больший потенциал (это касается возможностей по наращиванию удельной емкости носителей и скорости чтения), однако и у тонкопленочной технологии есть свои преимущества, которые мы рассмотрим ниже.
При применении объемной голографии восстановить образ исходного изображения возможно только при точном соблюдении параметров записи (в частности, длины волны источника света и угла наклона его луча). Для этого, в свою очередь, необходимо обеспечить стабильность источника света и высокую точность механической системы привода. Однако наиболее острой проблемой является подбор материала для записывающего слоя носителей, поскольку для этого необходимо вещество, обладающее широким динамическим диапазоном, отличной светочувствительностью и высокой оптической прозрачностью, а также химической и температурной стабильностью. Принципиальное решение описанных проблем уже найдено, однако стоимость производства накопителей и носителей, применяющих принцип объемной голографической записи, на данный момент остается весьма высокой.
При использовании тонкопленочной голографии восстановление образов исходных изображений возможно даже в тех случаях, когда длина волны применяемого источника света, а также угол наклона оси проецируемого на торец носителя светового луча имеют некоторые отклонения от эталонных значений. Благодаря этому в считывающих приводах можно использовать экономичные малогабаритные полупроводниковые лазеры, имеющие тенденцию к изменению длины волны излучаемого света — как с течением времени, так и под действием температур и иных факторов. Кроме того, довольно большие (по сравнению с объемной голографией) допуски позволяют применять для производства тонкопленочных носителей дешевые сорта пластика с относительно большим коэффициентом теплового расширения. Нельзя не упомянуть и о том, что для изготовления тонкопленочных ROM-носителей применима технология штамповки, аналогичная используемой при изготовлении CD- и DVD-дисков.
Прототип привода для чтения носителей Info-MICA
Специалисты корпорации NTT разработали уникальный алгоритм формирования выпукло-вогнутой структуры слоев, использование которого позволяет изготавливать мастер-штампы Info-MICA и осуществлять тиражирование этих носителей на оборудовании, предназначенном для производства DVD-дисков.
Обобщая достоинства носителей Info-MICA, стоит отметить большую удельную плотностью записи в сочетании с низкой себестоимостью производства, а также хорошую защищенность от несанкционированного копирования. Немаловажно и то, что применяемый для производства носителей Info-MICA пластик может быть полностью переработан для вторичного использования. По сравнению с приводами распространенных ныне оптических дисков приводы Info-MICA имеют небольшие габариты и отличаются низким уровнем энергопотребления.
Учитывая указанные преимущества, носители Info-MICA могут стать весьма привлекательной альтернативой полупроводниковым ПЗУ, применяемым сегодня в самых разных электронных устройствах: карманных компьютерах, навигационных системах, игровых приставках, электронных словарях и пр.
Еще одним перспективным направлением для носителей Info-MICA является доставка различной информации. Вследствие низкой стоимости и возможности вторичной переработки такой носитель идеально подходит для распространения электронных книг, газет и журналов, аудио- и видеозаписей и т.п.
По планам NTT первый серийный продукт Info-MICA — миниатюрный ROM-носитель объемом 1 Гбайт — должен появиться на рынке в 2005 году. Что касается производственных затрат, то они будут в значительной степени зависеть от объемов производства. Предполагается, что изначально себестоимость приводов Info-MICA составит несколько тысяч иен (от 40 до 70 долл.), а носители будут обходиться по 100-200 иен (0,8-1,6 долл.).
В будущем NTT планирует вывести на рынок ROM-носители Info-MICA емкостью более 10 Гбайт, которые будут уже вполне пригодны для распространения видеопродукции. По данным исследований компании, предельная величина удельной плотности записи носителей Info-MICA составляет порядка 1,7 Гбит на 1 кв. дюйм (для каждого из слоев). Таким образом, на 100-слойном носителе Info-MICA, имеющем размеры карты памяти Securе Digital (24Ѕ32Ѕ2,1 мм), можно сохранить до 25 Гбайт данных. В настоящее время специалисты NTT ведут работы по созданию записываемых носителей и приводов, использующих принцип тонкопленочной голографии.
