Голографическая память

В технологии голографической памяти много темных мест и подводных камней, но есть в ней качество, выгодно отличающее ее от многих технологий будущего - она никоим образом не обделена вниманием корпораций. Причем интерес их не платонический: вкладываются немалые деньги.

Пятилетняя программа корпорации Tamarack Storage Devices оценивается в 22 млн. долл. Приблизительно 50% финансирования берет на себя Министерство обороны через агентство DARPA, другой крупнейший инвестор (37%) - корпорация Projectavision, которая живет лицензированием и разработками самых передовых технологий (сейчас она лицензирует новую технологию жидкокристаллических дисплеев для проекционного телевидения).

Разработку называют системой волноводной голографической памяти (Wave Guide Holographic Storage System). Работа над ней началась 8 лет назад в консорциуме Microelectronics and Computer Technology Corporation. В консорциум входят такие "монстры", как Motorola, AMD, DEC, AT&T GIS и еще 70 компаний, в том числе, конечно, и Projectavision. В разработке участвуют корпорации Polaroid, Physical Optics, Silicon Mountain Design, Rainbow Display Devices, Diffraction Limited, Boulder Non-Linear Systems, университеты Аризонский, Техасский, Сиракузский, лаборатория Radiant Research Laboratory. Помимо военных применений, планируется ее использование в бытовой видеотехнике, системах документирования и архивации, а также в ноутбуках, в беспленочных фотоаппаратах и видеокамерах.

Глава корпорации Tamarack Джон Стокман считает, что эта система станет базовой для хранения данных в информационных супермагистралях следующего века, что не помешает ей стать в менее отдаленном будущем составной частью серверов интерактивного видео, серверов обработки транзакций и высокоскоростных дисководов. Стокман верит, что ее стоимость (которая сейчас очень высока) снизится настолько, что системы можно будет использовать в портативных компьютерах. Крэг Филдс, директор DARPA, говорит о рынке в 20 млрд. долл..

Системы голографической памяти хранят информацию в виде трехмерных изображений внутри кубиков из особого материла. Доступ к данным будет значительно более быстрым за счет того, что картинка передается не последовательно, а целиком. Оптимисты говорят о гигабайтах мгновенно доступной информации по цене меньшей, чем цена обычного винчестера. Во всяком случае, Tamarack работает над чейнджером на 30 дисков по 640 Мбайт каждый при времени доступа на 3 порядка меньше. "Уже готова важнейшая часть - оптическая головка", - утверждает представитель совета директоров Мервин Маслов.

Чтобы не оказаться на обочине, канадские производители образовали консорциум Optical Processing and Computing Consortium of Canada (OPCOM) с капиталом в 15 млн. долл.. Эксперты оценивают рынок фотоники в 60 млрд. долл., а его преспективы - в 236 млрд. долл. к 2000 году.

Как это работает

Летом 1994 года профессор Хесселинк из Стенфордского университета продемонстрировал возможности первого цифрового голографического запоминающего устройства, работу над которым он начал 12 лет назад.

Picture 1

Схема голографической памяти

Голографическая память - технология совершенно новая. Технология самой голографии - не такая уж новая, но и не общеизвестная. Голограммы получают с помощью когерентного монохроматического света, разделенного на два пучка. Один из них направляется на запоминаемый объект, а второй интерферирует с ним на голограмме в качестве опорного, формирующего в светочувствительной среде (в данном случае это кристалл LiNbO[3], легированный железом) представляет собой сочетание ярких пятен, образующихся в местах их синфазных соотношений. При последующем освещении аналогичным опорному пучком света, голограмма с плоской пленки дает трехмерное изображение объекта, которое при относительном перемещении наблюдателя видно в разных ракурсах (параллакс). Если изображение запечатлеть на голографической ленте, можно смотреть голографическую стереокинограмму.

В системе голографической памяти записываемые данные сначала преобразуются в оптический сигнал с помощью пространственного модулятора света (ПМС) в виде одной страницы информации, чтобы они смогли запечатлеться в голографической реагирующей среде (фоторефракторном кристалле). Множество страниц вводится в кристалл способом углового мультиплексирования, путем поворота опорного луча на 50 микрорадиан от страницы к странице, и может рассматриваться как стек.

При считывании оптический сигнал подается на ПЗС-матрицу. Эта схема поясняется рисунком, на котором можно также увидеть входной телескоп с цилиндрической оптикой "ТЦ". Кристалл перемещается в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка.

ПЗС снова переводит оптический сигнал в электрический, обеспечивая высокую скорость сема за счет параллельности действия матрицы. Время доступа определяется скоростью перевода опорного пучка из одной позиции в другую в то время, как емкость памяти и частота ошибок определяется уровнем шума. При увеличении количества N голограмм (страниц) падает их дифракционная эффективность (пропорционально 1/(N^2)), а вместе с ней и отношение сигнал/шум, так как шум от рассеяния света не зависит от N. Частота ошибок зависит еще и от внутри- и межстраничных флуктаций сигнала. Источники шума лимитуруют возможности объемной голографии при аналоговой форме сигнала. Авторы разработки использовали для борьбы с шумами полностью автоматический цифровой метод, когда и запись и считывание происходят в цифровом виде. С этой целью применен способ дифференциального кодирования, а также корректирующий код Хэмминга. Таким путем достигается частота битовых ошибок 10^-6 при потоке данных 3*10" пикселей в секунду и обьеме ЗУ в 163 Кбайт.

Используемая сравнительно простая оптика позволила отобразить на ПЗС 8 х 16 пикселей на бит информации с учетом дифференциального кода (это не оговорка - в оптических системах приходится иногда использовать большое число пикселей на бит, а не наоборот). На детекторе в качестве бита принимаемой информации используется знак разности интенсивности сигнала соседних пикселей. Тем самым отсекаются не только межстраничные флуктуации сигнала, но и межпиксельные некоррелированные шумы. Это резко снижает вероятность ошибок. При этом использовался ПМС на жидких кристаллах (ЖК) на 480 х 440 пикселей из видеопроектора. Корректирующий код Хэммиига снизил на 2-3 порядка частоту ошибок ценой добавления четырех контрольных бит к 8-битной последовательности данных. Достигнутые параметры достаточны для запоминания сжатых видеоданных и вполне пригодны для записи цветного изображения. Полная емкость системы составляет 4 стека по 308 страниц в сумме на 2.6*(10^8) пикселей с плотностью записи в 3*(10^9) пикселей на см^3 (экспериментально доказано, что на одном кристалле можно хранить одновременно до 5000 аналоговых изображений с улучшенным контрастом). Скорость сема данных - 6.3*(10^6) пикселей/с.

Первоначально после нескольких считываний информации лазерным пучком кристалл терял возможность считывания, но Хесселинк преодолел этот недостаток путем использования второго лазерного луча другого цвета. Излучение другой длины волны возбуждает электроны атомной решетки, приводя их в дополнительное возвратно-поступательное движение. Благодаря этому при одновременном действии двух лазеров возможно обновление записи. При действии одного лишь опорного пучка производится неразрушающее считывание, но не запись. Далее с помощью интерфейсных устройств типа фрейм-граббера интенсивный поток двоичных символов поступает в компьютер. Полупроводниковая технология позволяет выращивать кристаллы с однородно распределенными примесями, геометрически защищенными от рассеянного света, вызывающего оптический шум.

Замечательное свойство такой системы памяти - параллелизм записи и считывания (так называемый "постраничный режим" вместо последовательного побитного). Система памяти может выполнять ряд функций параллельного векторного спецпроцессора, производя операции (например сложения) сразу над двумя страницами данных в аналоговом виде, а затем переводить результат в цифровую форму. Компьютер, снабженный такой памятью, может сравнивать все страницы в своем ЗУ, обрабатывая изображения Марса, сравнивая дактилограммы преступников, производя экспертизу - не фальшивая ли улыбка у Моны Лизы.

Хесселеник выбрал для первой демонстрации оцифрованную "Мону Лизу" объемом около 50 Кбайт. Пресловутая улыбка была успешно запечатлена и считана с кристалла размером с кусок сахара. На этом скромном результате профессор отнюдь не собирается останавливаться. В доказательство серьезности своих намерений он основал собственную компанию Optitek, которую поддерживает компания GTE, помогая в разработке быстрых цифровых интерфейсов. Вице-президент GTE Джозеф Спаранья говорит, что через три-пять лет уже можно ждать появления конкурентоспособного продукта. Пока что не хватает 3-4 млн. долл. венчурного капитала, чтобы усовершенствовать прототип. Потом надо построить завод - еще 12-15 млн. За это время как раз будут созданы высокоскоростной цифровой интерфейс и другие необходимые аксессуары. В результате плотность записи будет доведена до уровня винчестеров. Но цель - принципиально достижимые значения в 1 Тбайт, 1 Гбайт/с и 100 мкс (время случайного доступа). На них и нацеливается GTE, разрабатывающая систему интерактивного видео, которая потребует компактных носителей для терабайт данных, которые должны быть с не то что быстро, а "с быстротоймолнии", как выразился Спаранья.

Полимерная и ДНК-память

В последнее время решена проблема дисторсии в кристаллах путем использования полимерных фоторефракторных органических материалов. Здесь была специфическая трудность - колоссальный ассортимент материалов (около 60000), из которых был выбран лучший. Выбранный полимер сочетает в себе низкую стоимость, структурную гибкость и легкость производства с высокими характеристиками.

В России работы в этом направлении ведутся и довольно успешно, В НПО "Вега-М" создан макет голографического дискового устройства многоразовой записи/считывания на базе магнитооптических пленочных носителей. В макете используется объемная запись особого рода с наложением до 10 голограмм.

Полимеры имеют несколько потенциальных преимуществ над неорганическими кристаллами. Прежде всего потому, что их диэлектрические константы много ниже. Это уменьшает затеняющий эффект соседних голограмм. Замечательна гибкость композиции и простота изготовления и легирования примесями образцов, простота обработки полимеров. Они могут обеспечить 86-процентную диффракционную эффективность. Их коэффицент модуляции и "чистый" коэффициент усиления превосходят аналогичные показатели неорганических кристаллов. Предстоит еще оптимизировать оптические качества и ресурс работы этих материалов.

Специалисты из лаборатории в городе Рим (шт. Нью-Йорк) идут еще дальше в поиске новых материалов для голографической памяти. Они синтезируют ДНК-фоточуствительные среды, используя глаза раков и растения "алгэ" - триллобита, растущего в пресных и соленых водах, в почве, на скалах, деревьях и в других организмах. "Римский проект оптической памяти" обходится в 5-6 млн. долл. в год, зато сулит большой скачок в технологии.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями