Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 20
|
Московский Государственный Технический Университет имени Н.Э.Баумана Группа АК5-71 по курсу «организация ЭВМ» на тему: «Перспективные устройства хранения информации» Выполнил: Хорошко Д. В. Проверил: Степнев В.А. Москва 2010 Оглавление Бактериородопсиновые оптические диски. 12
Holographic Versatile Disc. 13
Запоминающее устройство (ЗУ) - блок вычислительной машины или самостоятельное устройство, предназначенное для записи, хранения и воспроизведения информации. Фиксация информации в ЗУ основана на различных физических принципах: механическое перемещение или удаление части материала носителя информации (перфорационные ленты, перфокарты), изменение магнитного состояния материала (магнитные ленты, диски, барабаны, ферритовые сердечники), накопление электростатического заряда в диэлектриках (конденсаторные ЗУ, запоминающие электроннолучевые трубки), использование звуковых и ультразвуковых колебаний (линии задержки), применение явления сверхпроводимости (Криогенные элементы) и др. В зависимости от назначения, способов размещения информации и особенностей функционирования ЗУ, как правило, классифицируют в соответствии со схемой, представленной на рис. 1. Рис 1. Классификация ЗУ По способу поиска нужной информации различают адресные ЗУ, в которых каждой ячейке памяти присваивается определённый адрес и требуемая информация ищется по конкретному адресу, и ассоциативные запоминающие устройства, в которых информация отыскивается по совокупности признаков. В ЗУ возможно как последовательное, так и циклическое обращение к ячейкам либо произвольный доступ, когда обращение к любой ячейке осуществляется независимо от её расположения среди других ячеек. В зависимости от кратности записи ЗУ делятся на нестирающиеся, допускающие однократную запись с последующим многократным считыванием без регенерации, и стирающиеся (ЗУ на магнитных носителях, ферритовых сердечниках, электронных триггерах и др.). Статическими называются такие ЗУ, в которых состояния носителя, соответствующие записанному коду, неподвижны относительно носителя информации. К статическим относятся и все ЗУ с неразрушающим считыванием. В динамических ЗУ последовательность сигналов, соответствующая фиксируемому коду, циркулирует по замкнутому контуру, включающему линию задержки. Статические ЗУ могут быть устойчивыми, в которых информация сохраняется неограниченно долго (например, ЗУ на триггерах, ферритовых сердечниках), и неустойчивыми, обладающими свойством самопроизвольного стирания информации (конденсаторные ЗУ, запоминающие электроннолучевые трубки). Объемы информации непрерывно растут, если раньше было достаточно нескольких мегабайт, то в настоящее время счет пошел на терабайты. И это совсем не удивительно – фильмы с высоким разрешением, многоканальный звук, реалистичные игры и прочие радости жизни пожирают пространство с фантастической скоростью. Хочется терабайтных винчестеров и не менее терабайтных компактов, чтобы, наконец, не чувствовать себя стесненным. Посмотрим, что в ближайшем и отдаленном будущем смогут нам предложить производители. В технологии Blu-Ray используется синий лазер с длиной волны 405 нм. Такое уменьшение позволило сузить дорожку в два раза больше, чем у обычного DVD-диска до 0,32 микрон, и увеличить плотность записи данных. Уменьшение толщины защитного слоя в шесть раз (0,1 мм вместо 0,6 мм) предоставило возможность проведения более качественного и корректного течения операций чтения/записи. Помимо этого у BLU-Ray приводов увеличено значение числовой апертуры линзы (NA - Numeric Aperture) с 0,6 до 0,85. Новый формат обеспечивает рекордную скорость передачи данных 36 Mbps, при общей емкости диска 23.3GB/25GB/27GB. Увеличение числовой апертуры линзы с 0,6 до 0,85 позволяет увеличить плотность записи в два раза, а более короткая длина волны - в 2,6 раза. Умножая два коэффициента друг на друга мы получаем искомый результат - увеличение емкости по сравнению с DVD в пять раз. В данном случае мы говорим о дисках, имеющих геометрические размеры обычного CD (120 мм в диаметре). Но это далеко не все, на что рассчитывают разработчики Blu-Ray. Например, Philips выпустила 30-мм диски и привод к ним. Емкость таких носителей информации составляет 1 Гб. Эта разработка предназначается для пользователей портативных устройств и мобильных телефонов. Но если мы сейчас говорим о Blu-Ray-диске (BD), то подразумеваем принятый стандарт - размеры как у CD (120 мм в диаметре), емкость - 27 Гб. Blu-Ray диски предназначены большей частью для записи цифрового видео. Так, например, их хватит для того, чтобы записать до 2 часов в формате HDTV (телевидения высокой четкости) со скоростью передачи данных более 24 Mbps или более 12 часов видео с 4 Mbps (SDTV/VHS). Ожидается, что с массовым приходом цифрового телевидения стандарт HDTV станет необходимым апгрейдом для тех, кто стремится к качеству. Устройства Blu-Ray позволяют производить качественную (самую качественную на сегодня) запись телепрограмм, фильмов, сигнала с цифровых камер и т.п. В технологии HD DVD используется лазер с той же длиной волны (сине-фиолетовый), что и в Blu-ray технологии. Именно поэтому HD DVD обеспечивают большую плотность записи, чем DVD, при том, что у них много общего. Отличаются Blu-ray и HD DVD фокусным расстоянием фокусирующей системы привода, а, следовательно, и углом светового конуса сфокусированного лазерного луча, синус половины которого называется апертурой. У оптических головок Blu-ray апертура равна 0,85, а у HD DVD всего 0,65. Для сравнения — у современных оптических головок DVD приводов апертура равна 0,6. Из-за того, что у BD головки расстояние от внешней линзы до точки фокусировки меньше — толщину защитного слоя у BD дисков пришлось уменьшить. Толщина защитного слоя HD DVD дисков равна 0,6 мм — такая же, как у современных DVD дисков. Именно из-за этого нельзя сделать большую апертуру оптической головки, то есть сильнее сфокусировать лазерный луч, что позволило бы получить меньшее пятно света и, следовательно, увеличить плотность записи. Намеченная революция с внедрением HD-оптических дисков пока протекает слишком вяло – сплошные задержки с выходом устройств, проблемы с совместимостью, взломы защиты и прочая неразбериха. Однако постепенный переход на Blu-Ray и HD DVD-диски все же неизбежный процесс, правда, жаль, что производители так и не смогли договориться о введении единого формата DVD-будущего, так как соперничество между стандартами ни производителям, ни потребителям совершенно ни к чему. Все лишь затянется и запутается. В эту борьбу подключается и третий претендент – диски FVD (Forward Versatile Disc), продвигаемые тайваньскими производителями. Особенностью FVD является использование красного лазера, благодаря чему технология получается самой дешевой среди HD-конкурентов (стартовая цена FVD-плеера всего $150 – колоссальная разница с первыми представителями Blu-ray и HD DVD, зашкаливающими за $1000). Правда, у FVD подкачала емкость (5,4 Гб – однослойный, 11 Гб – двухслойный), но кто знает, что выберут покупатели – низкую цену или высокую вместительность. Наиболее вероятным вариантом дальнейшего развития оптических накопителей пока является переход на лазеры с меньшей длиной волны. На этом пути не так много преград, и пока переход от CD к DVD и от DVD к Blu-ray и HD DVD происходил именно по такому сценарию. За голубыми лазерами, используемыми в HD-приводах, следуют ультрафиолетовые лазеры, у которых длина волны меньше приблизительно в два раза. С таким калибром можно будет вдвое сузить ширину дорожки оптического диска по сравнению с HD-дисками и в итоге повысить емкость до 500 Гбайт для стандартного 120-мм диска. Подобные опытные образцы, в частности, удалось создать в лабораториях Pioneer, и разработчики были удовлетворены результатом эксперимента. Кроме того, к моменту появления ультрафиолетовых лазеров ученые наверняка продвинутся в вопросах создания многослойных дисков, так что можно и не сомневаться, что хрестоматийный рубеж в один терабайт будет взят. Помимо этого корпорации присматриваются к органическому сырью, которое можно использовать при производстве оптических дисков. Правда, эта технология не имеет отношения к повышению плотности записи, зато позволяет заметно понизить себестоимость, что для HD-дисков весьма актуально, да и производство их станет экологически чище. Один из вариантов данной технологии разработан компаниями Sony и Toppan Printing, причем в органической основе половину массы занимает обычная бумага, а опробовать данное нововведение планируется уже на Blu-ray-дисках. Компания Constellation 3D (C3D) основана в 1995 году нашими соотечественниками, эмигрировавшими из России. Компанию возглавлял Евгений Левич, который являлся исполнительным директором и президентом компании Примерно в 1999-2000 году компания C3D потрясла компьютерное сообщество заявлением, что их усилиями разработаны прототипы оптических дисков кардинального нового типа под названием FMD (Fluorescent Multilayer Disk – флуоресцентный многослойный диск). В пресс-релизе значилось, что новые носители способны вмещать от 140 Гб до нескольких десятков терабайт данных, а скорость чтения с них может достигать 1 Гб/с. Великолепно, не правда ли? Разберемся, как это работает. С одной стороны, FMD напоминает привычные CD/DVD, а с другой стороны, основывается на совершенно других принципах. Диск FMD по геометрическим размерам аналогичен CD, но при этом для невооруженного глаза полностью прозрачен. Для чтения данных также используется полупроводниковый лазер, только в отличие от CD/DVD приемник фиксирует не отраженный луч, а флуоресцентное излучение, испускаемое веществом диска. При считывании с устройства лазер освещает вращающийся диск, вызывая флуоресценцию ячеек, несущих биты информации. Специальный объектив фокусирует луч лазера в небольшую "точку", вызывая интенсивную флуоресценцию именно тех ячеек, которые попадают в эту точку. Перемещая объектив, можно легко добиться считывания с любого заданного слоя. Материал носителя подобран таким образом, чтобы сдвигать длину волны света на строго определенную величину, кроме того, данная величина сдвига напрямую зависит от толщины слоя, что позволяет работать с дисками, состоящими из колоссального количества слоев (в идеале, можно и 1000). О том, чтобы создать столь многослойный диск в рамках стандартных отражающих CD/HD DVD, не может идти и речи. Дополнительное преимущество многослойных FMD-дисков – возможность считывать информацию одновременно с нескольких слоев, за счет этого скорость чтения может достигать обещанных 1 Гб/с. Запись может осуществляться двумя способами. 1. Одноразовая запись (FMD ROM). В этом случае после заполнения пит специальным органическим составом, включающим фотоинициатор. Последний компонент при облучении светом с определенной длиной волны вызывает полимеризацию всего состава. Образующийся при этом полимер обладает флуоресценцией с необходимыми для работы ячейки свойствами. Таким образом, после заполнения пит составом, остается только облучить их светом лазера, и диск записан. Но, поскольку происходящая полимеризация необратима, - перезаписать такой диск после записи на заводе уже не удастся. 2. Однократно записываемый FMD (WORM: Write Once - Read Many). Здесь предлагается сразу два варианта. В первом - термическом - в исходном (не записанном) состоянии все ячейки диска обладают флуоресценцией. При записи в устройстве пользователя лазер нагревает нужные ячейки до температуры, при которой молекулы активного вещества перестают флуоресцировать. Этот вариант хорошо разработан, и менее требователен к лазеру - в документах компании сообщается о разработке устройств с красными, зелеными и голубыми лазерами. Второй вариант WORM FMD использует другое явление - пороговую фотохимическую реакцию. При облучении активного вещества с мощностью, превышающей определенное значение - порог, - оно претерпевает химическое превращение и становится флуоресцирующим. В этом случае требования к мощности лазера меньше, чем в первом, так что лазер может заменить LED - матрицу (набор светоизлучающих диодов, организованный в массив, подобное устройство часто используется в лазерных принтерах). Это позволяет поднять скорость записи за счет параллельной записи сразу нескольких ячеек. Работающие образцы новой техники были представлены C3D на выставке Comdex Fall в ноябре 2000 г. Конкретно, были показан 10 слойный диск емкостью 50 Гб, на котором был записан фильм в DVD формате. По отзывам участников, несмотря на то, что диск (в демонстрационных целях), был изготовлен с дефектами, фильм смотрелся без каких бы-то не было проблем. Там же C3D порадовала зрителей другим новшеством - ClearCard, или Fluorescent Multilayer Card (FMC). Это небольшая прозрачная карта, устроенная подобно диску, но меньшая по размеру, и прямоугольная. Вместе с картой демонстрировался обычный (и работающий) и портативный (пока - не работающий) считыватели информации для неё. После 140 Гб диска емкость такой карты может показаться маленькой - всего 10 Гб, чего не скажешь о возможных применениях. Среди практических применений варианта карты "только для чтения" (FMC-ROM) предназначается компанией для издания электронных книг, записи портативных игр, фильмов, музыки и т.д. Вариант FMC-WORM предполагается использовать в портативных цифровых видео и фотокамерах, записи данных для сотовых телефонов, записи персональных данных для деловых применений. Стоимость изготовления одной карты обещает также быть не высокой - не более 10$. Не сумев привлечь инвестиции для запуска этих дисков в производство, в 2001 г. компания была объявлена банкротом. По словам генерального директора компании, Лежнева, после банкротства компании-основателя их фирма продолжала свою деятельность. Несколько раз она меняла название – например, работала под именами 3D Stor Vostok и «Трехмерная память». В ближайшем будущем, говорит Лежнев, компания опять собирается поменять название. Для выполнения госконтракта с ФСБ компания, по словам Лежнева, будет использовать уже существующие собственные разработки – технологии флуоресцентного оптического диска и считывающего/записывающего устройства для него – цифрового многослойного плеера (Digital Multi-layer Disk Player). Три года назад партия комплектов таких плееров с дисками была поставлена в кинотеатры Ханты-Мансийска. По словам Лежнева, их технологии близко соответствуют описанным в техзадании конкурса. С куда более амбициозными планами выступили ученые из Гарвардского медицинского колледжа, разработавшие технологию создания оптических дисков вместимостью до 50 Тб. Они предложили покрыть носитель слоем генетически-модифицированных светочувствительных белков (протеин со сложным названием «бактериородопсин», сокращенно bR). Этот протеин был впервые обнаружен в мембране бактерий Halobacterium Salinarum, обитающих в средах с высоким содержанием соли. Уникальное свойство данного белка – способность распадаться под действием света на промежуточные молекулы, которые отличаются от изначального состояния и цветом, и формой. В таком промежуточном состоянии они могут находиться от нескольких часов до нескольких дней, после чего вновь собираться в исходное положение. Но, подвергнув бактерии, вырабатывающие данный белок, генной модификации, ученые смогли добиться того, что белок научился храниться в состоянии распада в течение нескольких лет. Таким образом, получаем два состояния, которыми можно задать логические ноль и единицу, при этом «ячейки» можно размещать друг от друга на расстоянии порядка 3 нм, не опасаясь за их стабильность. С такой плотностью легко удастся достичь терабайтной емкости. Причем считывать данные с диска можно при помощи как обычного полупроводникового лазера (правда, с достаточно малой длиной волны), так и оптического микроскопа. Конечно, на сегодня технология смотрится сыровато – за кадром остались многие важные вопросы, и на первый взгляд белковые компакты можно вообще принять за очередной PR-ход в поддержку своего колледжа, однако ученые полны решимости представить работоспособные общедоступные устройства уже через полтора-два года, причем в этой инициативе они уже заручились поддержкой корпорации NEC. Кстати, создатели собрались похоронить своей технологией как обычные CD/HD DVD, так и жесткие диски, по их скромному мнению с началом серийного производства необходимость в жестких дисках просто отпадет. Другой вариант развития идеи оптических носителей – голографические диски HVD (Holographic Versatile Disc). Основы технологии были заложены в 1963 году, но существенных успехов удалось добиться лишь в конце 2000 года. Голографические диски на порядок вместительнее классических CD/HD DVD, при использовании голубого лазера плотность записи может достигать 250 Гб на квадратный дюйм, это даже при нынешнем уровне развития технологии. Естественно, принцип функционирования голографических систем на порядок сложнее CD. Для записи данных используется два лазерных луча – сигнальный и опорный (точнее, один луч, разделенный на два потока), изменяя угол и длину волны опорного луча, а также положение носителя, в одной и той же области удается записать сразу несколько различных голограмм (матриц светлых и темных пикселей, кодирующих информацию). Считывание данных происходит проще, опорный луч, отражаясь от диска, проецирует на систему датчиков сразу несколько записанных в данной области голограмм, причем все они считываются одновременно. Таким образом достигается и высокая скорость чтения. Голографические диски требуют к себе более бережного отношения, поэтому они запечатаны в защитные картриджи и никогда из них не извлекаются. В отличие от предыдущих двух технологий голографические диски уже семимильными шагами движутся к серийному производству, технология отточена до мелочей и заинтересованные компании не видят никаких препятствия для ее дальнейшего совершенствования. К сожалению, голографические носители в первую очередь позиционируются для корпоративного сектора – для домашних пользователей оборудование пока заоблачно дорого: болванки от $120 до $200, а привод и вовсе $15’000. Впрочем, когда технология обретет более-менее массовый характер, прогнозируется заметное снижение цен. Жесткие диски пока остаются основным хранилищем информации для персональных компьютеров и в ближайшие годы вряд ли сдадут свои позиции. Тем более с появлением вместительных сверхкомпактных накопителей (форм-фактора 1” и 0.8”) магнитный способ хранения информации вновь подхватила волна интереса общественности, и в скором времени явно стоит ожидать массу электронных новинок на основе жестких дисков: видеокамеры, сотовые телефоны, карманные компьютеры, плееры и прочую, и прочую высокотехнологичную технику. Правда, на пятки жестким стал постепенно наступать флэш, однако жесткие диски отвечают ему взаимностью, отнимая долю рынка среди сотовых и карманных компьютеров. Недавно в технологии жестких дисков произошли серьезные нововведения – появились серийные образцы накопителей с перпендикулярной записью, которая предполагает не горизонтальное, а вертикальное расположение магнитных доменов. Такой трюк позволил снова заняться повышением плотности записи, что оказалось невозможно в рамках предыдущей технологии из-за нестабильности магнитных областей, которые при предельно плотном расположении начинали самопроизвольно изменять направление вектора намагниченности, увлекая за собой соседние домены и, после такой лавинообразной революции, превращая информацию на жестком диске в хаотический набор битов. Правда, перпендикулярная запись – тоже не универсальный рецепт, и по мере постепенного увеличения плотности записи и в данном случае на пути дальнейшего роста плотности встанет аналогичная проблема (так называемый супермагнитный предел), однако это произойдет не так уж и скоро. В частности, компания Seagate обещает выпустить жесткий диск с перпендикулярной записью емкостью 2.5 Тб (в форм-факторе 3.5”). Однако достижение предела вместимости все равно намечается, так что многие компании давно занимаются разработкой альтернативных методик. Наиболее вероятным следующим шагом будет внедрение технологии HAMR (Heat Assisted Magnetic Record – магнитная запись с нагревом), которая продвигается компанией Seagate. Нововведением HAMR будет добавление к считывающей головке лазера, который будет разогревать поверхность блина в месте записи, а также использование новых материалов для пластин, отличающихся тем свойством, что при стандартной температуре они крайне неохотно меняют направление намагниченности, но при сильном нагреве сопротивляются на порядок слабее. Переход на HAMR, позволит снова в течение нескольких лет наращивать плотность записи простым масштабированием. Дальнейшие улучшения жестких дисков, скорее всего, будут связаны с использованием принципиально новых магнитных материалов, например, с самоорганизующейся структурой, а позднее и полноценным переходом на нанотехнологии. Впрочем, даже самые передовые технологии оптических и жестких дисков смотрятся достаточно привычно. К счастью, ученые пока не исчерпали запас идей и регулярно представляют совершенно неожиданные разработки. Например, есть несколько оригинальных способов хранить информацию с использованием механических систем MEMS (Micro-Electro Mechanical System), в которых каждый бит данных можно фактически потрогать. В частности, авторство одной из таких технологий принадлежит компании IBM: их устройство под названием Millipede, можно сказать, возводит идеи перфокарты до совершенства. В качестве непосредственного носителя информации используется кремниевая положка с полимерной пленкой, а в качестве считывающей головки – матрица микроскопических «игл». Всего в массив включено 1024 иглы (32x32), толщина каждой из которых 0.5 мкм, а длина 70 мкм. Для записи информации одна из игл разогревается до температуры порядка 400 градусов и на долю секунды опускается в полимер, оставляя в нем углубление диаметром порядка 10 нм. Чтение происходит аналогичным образом, только нагрев производится до меньших температур, и если иголка попадает не в углубление, а утыкается в ровную поверхность (углубление не возникает из-за пониженной температуры), то острие сразу охлаждается, а это моментально фиксируется электроникой. Таким образом, ямками на полимере можно записывать стандартную битовую информацию, а также с легкостью ее считывать. Для стирания и дальнейшей перезаписи бита вплотную с углублением делается несколько дополнительных ямок, которые выравнивают поверхностью полимера. Интересно, что движущейся частью является не считывающая головка, а подложка с полимером. Первый прототип Millipede мог похвастаться достойной плотностью записи – 25 Гб на квадратный дюйм, а с развитием технологии эту величину планировалось поднять до сотен гигабайт, при этом скорость чтения/записи может достигать 1-2 Мбит/с. Увы, технология была анонсирована летом 2002 года, и пока до серийного производства так и не добралась. Кстати, разработка IBM – далеко не единственная в природе MEMS-система. Например, компания Cavendish Kinetics разработала систему Nanomech, в которой под массивом электродов находится гибкая металлическая пластина, изгибающаяся при появлении высокой разницы потенциалов. При этом пластина, выгнувшись, касается электрода, обнуляет электрическое сопротивление и застревает в подобном положении, фиксируя один бит информации.
| |||||