Грядет жестокое уплотнение

Конструкторы обещают радикальное повышение плотности записи на носители

Сергей Самохин

Темпы прироста плотности магнитной записи — 60% в год

«Молекулярная» запись/чтение от Nanochip

Многослойные носители с флюоресценцией

Не секрет, что каждое повышение плотности записи на магнитных дисках вызывает новую волну разговоров о суперпарамагнитном барьере. Тем временем современные оптические технологии близко подошли к дифракционному пределу, равному 0,8 Гбит/см2. Это, в свою очередь, означает, что в будущем для устройств оптического хранения данных придется использовать коротковолновые лазеры и объективы с большей апертурой.

Тем не менее необходимость в увеличении объема хранимых данных имеется, и она диктуется не только потребностями компьютерных технологий, но и новым нарождающимся сектором рынка потребительской электроники. Например, сочетание цифрового блокнота с мобильным телефоном представляет собой новый класс цифровых устройств, для которых весьма существенным является быстрый доступ к данным. Для продвижения телевидения высокой четкости по запросу (video-on-demand) также требуются хранение и передача значительных объемов цифровой информации.

В течение последнего десятилетия плотность записи на магнитные диски растет примерно на 60% ежегодно. В настоящее время производятся устройства с плотностью записи 1,6 Гбит/см2, а на опытных образцах плотность записи достигает уже 5,6 Гбит/см2. Однако существует предел, за которым магнитные домены из-за малых размеров становятся нестабильными (он называется суперпарамагнитным барьером), на этом барьере и остановятся магнитные диски традиционной архитектуры. В оптических дисках, таких как CD, DVD и MO, максимальная плотность записи определяется шириной светового пучка, который однозначно связан с длиной волны записывающего лазера. Переход от красных лазеров с длиной волны 650 нм, применяющихся в настоящее время, к синим с длиной волны 480 нм может повысить плотность записи всего лишь примерно в четыре раза.

Таким образом, налицо потребность в развитии новых технологий хранения данных. Одну из таких технологий представила в середине 1999 года фирма Nanochip (http://www.nanochip.com/). Эта технология хранения данных на молекулярном уровне позволяет получить плотность записи более 32 Гбит/см2, что примерно в шесть раз больше, чем у экспериментальных образцов, основанных на классической технологии магнитной записи, и более чем в 25 разловки, называемой nanoprobe, на которой находятся 10 зондов) и привода по осям X и Y. В качестве носителя используются два разных типа пленки — один для однократной записи, другой для многократной. Головки сканируют поверхность носителя; при этом чувствительность их такова, что они уверенно определяют наличие одного «лишнего» атома. Наличие или отсутствие лишних атомов и несет полезную информацию.

Считывание производится следующим образом: к зонду подводится небольшое напряжение, носитель заземляется. При помощи привода по оси Z высота поддерживается таким образом, чтобы ток оставался постоянным. При этом полезным сигналом являются колебания напряжения, подаваемого на вертикальный привод. Для стирания и записи на зонд подается значительно большее напряжение (–12 В и +12 В соответственно).

Однако эти проблемы не должны забивать голову пользователю, так как в состав устройства включена вся необходимая управляющая электроника. Части, отвечающие за хранение информации и управление, изготавливаются отдельно, а затем собираются на одной подложке методами гибридной электроники. В виде микросхем выпускаются изделия NC900SX емкостью 0,9 Гбайт с возможностью многократной перезаписи и NC2500RX емкостью 2,5 Гбайт для однократной записи.

В планы компании входит также выпуск квазидисков емкостью 210 Гбайт и 1,4 Тбайт. Эти диски состоят из печатных плат, по обе стороны которых установлены микросхемы NC900SX. Интерфейс — SCSI, скорость обмена — 99 Мбайт/с!

Nanochip, несмотря на свою патентованную технологию, — не единственный игрок на этом поле. Используя технологию сканирующей туннельной микроскопии, группа исследователей из Корнуэлльского университета разработала решетку из 144 зондов, организованную в матрицу 12*12. Исследовательский центр IBM в Цюрихе также занимается подобными исследованиями. Однако Nanochip, следует отдать ей должное, первой выпустила на рынок готовый продукт.

Совершенно другой продукт предлагает фирма Constellation 3D (http://www.c-3d.net/). В настоящее время плотность записи для оптических носителей составляет около 0,5 Гбит/см2 и может быть повышена вчетверо путем применения лазеров с длиной волны 480 нм. Изощренные магнитооптические технологии типа Magneto Optic MSR, MAMMOS, HYBRID, Near Field и Super RENS, как ожидается, в течение ближайших десяти лет должны приблизиться к рубежу 8 Гбит/см2, что даст возможность записывать примерно 100 Гбайт на диск, имеющий размеры обыкновенного CD. В этих технологиях будут использоваться голубые лазеры, носители со сложной структурой и очень сложные оптико-механические системы.

Альтернативой сложной магнитооптике в какой-то степени являются технологии с многослойной записью, в которых лазерный луч поочередно фокусируется на нескольких слоях-носителях, разделенных инертным прозрачным слоем толщиной около 15 мкм. Концепция многослойной записи была предложена IBM и Philips и нашла применение в технологии DVD (два слоя). Однако для большего количества слоев когерентность лазерного излучения приводит к интерференции, рассеянию и межслоевому взаимодействию. Проведя исследования шестислойных дисков, IBM заявила о неперспективности этой технологии.

И тогда появилась идея многослойного носителя с флюоресценцией, которая в значительной степени устраняла вышеперечисленные проблемы, порождаемые межслоевым взаимодействием. Было предложено изготавливать информационный слой из флюоресцирующего материала. Когда лазерный луч сфокусирован на этом слое, из-за явления флюоресценции возникает вторичное световое излучение, причем испускаемый свет имеет другую длину волны, слегка сдвинутую в красную сторону спектра, и по природе своей он совершенно некогерентен, в отличие от остальных технологий с отражающим покрытием. Поэтому этот свет беспрепятственно проходит сквозь другие слои. В считывающей системе этот свет отфильтровывается благодаря измененной длине волны, снижая тем самым взаимодействие с прямым пучком, характерное для современных технологий. Теоретические изыскания, подтвержденные практическими исследованиями, показали, что при многослойной технологии с отражающим покрытием качество сигнала с увеличением числа слоев быстро падает. Однако многослойная технология с флюоресцентным покрытием обеспечивает значительно меньшее падение качества считанного сигнала по мере увеличения количества слоев. Исследования показали, что в настоящее время число слоев может достигать сотни, увеличивая емкость одного носителя до десятков и сотен гигабайт в случае применения лазеров с голубым излучением.

Основными преимуществами многослойной технологии с флюоресцирующим покрытием являются следующие:

система оптически прозрачна и однородна, так как отсутствуют отражающие границы между слоями;

• низкое поглощение в каждом из слоев (менее 1% для возбуждающего излучения);
• отсутствие поглощения возбужденного флюоресцентного излучения;
• меньшая чувствительность к отклонениям от стандарта как носителя, так и привода из-за отсутствия интерференционных эффектов;
• линейное разрешение такой системы вдвое превосходит таковое для когерентных систем, что привело к появлению технологии, известной как флюоресцентная сканирующая микроскопия, а общее повышение разрешения — в восемь раз.

Итак, эти технологии обещают революцию в технологии хранения данных. Время покажет — ведь мы помним, сколько революций заканчивалось даже не сменой флага, а просто ничем.

КомпьютерПресс 7'2000