Rozbijte magnetické disky, máme přece holografické paměti

Budoucnost ukládání dat Prostor potřebný k ukládání informací se rok od roku zvyšuje a s tím samozřejmě souvisej...


Budoucnost ukládání dat
Prostor potřebný k ukládání informací se rok od roku zvyšuje a s tím samozřejmě
souvisejí rostoucí požadavky na úložný prostor, a pokud možno na co nejmenší
ploše. V současné době používaná magnetická média ale již začínají pomalu
dosahovat svých limitů nepřekonatelné fyzikální bariéry.
Výrobcům proto nezbývá nic jiného, než hledat řešení v jiných technologiích,
jejichž fyzické hranice jsou opět o kousek dále. Jedním z možných směrů jsou i
holografické paměti, které k záznamu a čtení používají světlo, a tím mohou na
mnohem menším prostoru uchovat více informací než stará magnetická média.
Nově vyvíjená média tak pravděpodobně uspokojí prudký rozvoj optických
komunikací a paralelních počítačových systémů, pokryjí požadavky na nové
paměťové systémy s kapacitou, sahající až k oblastem terabajtů, velkou
rychlostí přístupu, čtení a zápisu více než 1 Gb/s. Všechny tyto požadované
vlastnosti by v budoucnu mohly nabídnout holografické paměti, které umožňují
velmi rychlé paralelní čtení paměti okolo 10 Gb/s. Idea, zabývající se
myšlenkou využití holografických pamětí, byla odstartována v Rusku v 60. letech
našeho století a zakončena v 70. letech holografickým paměťovým systémem s
rychlostí až 7 Gb/s.
Další důležitou vlastností holografických pamětí je jejich hustota záznamu
informace. Na jedné holografické destičce může být uloženo až 1010 b/cm3 i
více. Pro výrobu tříprostorových hologramových systémů se používá např.
materiálů na bázi lithium niobit a barium stroncium niobit s dalšími přísadami,
jako jsou fotochromatické materiály nebo fotopolymery. Tyto materiály se však
ukazují jako nevhodné pro praktické využití z důvodů malé citlivosti, velkého
šumu, komplikovanosti zápisu informace. Jinou možnou cestou, jak zajistit
velkou kapacitu paměti, je použití více vrstev systémů 2D. Pro tuto formu 3D
paměti je nutné zrealizovat co největší kapacitu v každé vrstvě, kde je pak
výsledná kapacita dána součtem kapacit jednotlivých vrstev.
Základní princip záznamu dat s využitím hologramů
Interference dvou koherentních svazků laseru signálového a referenčního je
využita pro holografický záznam dat. Signálový svazek je modulován prostorovým
světelným modulátorem, který se skládá z pole čtvercových bodů o hraně d a
vzdálenosti d. Všechny body jsou ozařovány dopadajícím signálovým svazkem
rovnoměrně.
Obrázek číslo 1 ukazuje základní uspořádání systému 2D hologramu. Body
modulátoru jsou pro signálový svazek transparentní, jestliže logická hodnota
bitu má být jedna nebo netransparentní, pokud má být logická hodnota bitu nula.
Svazek paprsků za modulátorem je zaostřen pomocí čočky na holografický
materiál. V místech, kde dochází k interferenci s referenčním svazkem, vznikne
indexová mřížka. Další čočka je použita pro rekonstrukci signálu na detektoru,
který má stejné geometrické uspořádání jako prostorový modulátor.
Holografické RAM paměti
Holografické paměti přitahují v posledních letech pozornost jako technologie,
která poskytne velkou kapacitu a vysokou rychlost. Informace je zaznamenána na
holografické médium prostřednictvím interference dvou svazků koherentních
paprsků. Svazek nesoucí informaci je nazýván signálový svazek. Svazek
interferující je nazýván svazkem referenčním. Výsledkem interference je, že
vzor je zapsán do materiálu jako indexová mřížka (hologram). Jestliže hologram
postupně osvětlujeme pomocí jednoho z referenčních svazků, paprsek je odražen
na indexové mřížce (hologramu) v tom směru, kam má směřovat signálový svazek.
Více hologramů může být umístěno na stejném materiálovém substrátu s využitím
úhlového, vlnového nebo fázového multiplexování. Obrázek číslo 2 ukazuje
typické úhlové multiplexování holografické paměti s 90stupňovou geometrií.
Tímto způsobem je umožněno multiplexovat tisíce hologramů na jednom substrátu
nepatrnou změnou úhlu referenčního svazku s každou novou datovou stránkou. To
poskytuje obrovskou hustotu záznamu dat. Tento způsob záznamu dat pomocí
hologramů má dále ještě výhodu v paralelním zápisu a snímání dat. Konvenční
způsoby záznamu dat, jako je CD-ROM nebo magnetický harddisk, umožňují přístup
k jednomu bitu dat v časové jednotce. Naproti tomu holografické paměti
poskytnou celou datovou stránku (více než megabit) v jednom okamžiku.
Technologie holografických pamětí slibuje velké využití jako pamětí s náhodným
přístupem (HRAM holographic random acces memory), jejichž kompaktní konstrukce
za pomoci paměťových modulů poskytne nenákladné read-write paměti velké
kapacity. Potenciální místo pro takové paměti je v paměťové hierarchii mezi
magnetickými disky a polovodičovými pamětmi DRAM. Pravděpodobně se HRAM paměti
stanou konkurenceschopné v případě, že optoelektronická technologie pokročí v
rozvoji následujících bodů:
1. SLM a detektor s velikostí pixelu v řádu 1 mikrometr.
2. Holografický materiál s vysokou citlivostí záznamu se saturací méně než 1
J/cm2.
3. Levná prostorová laserová dioda s výkonem 500 mW v blízkosti infračerveného
záření.
Časové čtení z paměti
Přes velký teoretický limit hustoty paměťové kapacity holografické paměti v
praktickém provedení holografických systémů zabírají často velký objem různých
komponent, které jsou potřebné pro čtecí a zapisovací mechanismy na krystal.
Systém na obrázku je jednoduchý, s relativně malým počtem komponent, nicméně
vzdálenosti mezi čočkami a krystalem vznášejí požadavky, jak přesně mají být
komponenty umístěny. Např. prostorový světelný modulátor (SLM) a detektor mají
rozměr 1 cm, a vysoce kvalitní čočky s ohniskovou vzdáleností mezi detektorem,
čočkami a krystalem, která musí být alespoň 1 cm. Systém na obrázku číslo 2 pak
bude zabírat místo o rozměru přibližně 6 cm x 5 cm x 1cm, což je asi 30krát
větší než záznamový materiál. Když provádíme zápis na hologram pomocí
signálového svazku divergujícího ze SLM a záznam se čte pomocí originálního
referenčního svazku, dostáváme virtuální obraz vstupní datové stránky a nyní je
potřeba další čočka pro zaostření na detektor. Je možné eliminovat systém čoček
mezi SLM a detektorem, jestliže rekonstruujeme reálný obraz místo virtuálního.
Jednou z cest, jak toho docílit, je využít časového čtení, jak je patrné z
obrázku číslo 3. Využitím této metody je zápis na hologram prováděn klasicky
pomocí signálového a referenčního svazku, ale čtení je prováděno v časové fázi,
kdy je referenční svazek směrován v opačném směru než pro zápis. To zapříčiní,
že rekonstrukce signálu z hologramu se šíří ve směru, odkud přichází originální
signálový svazek a zaostřuje se na plochu SLM. Metoda časového čtení tedy
eliminuje čočky, a tím způsobené velké vzdálenosti mezi jednotlivými
komponentami paměti, ale na druhé straně způsobuje, že vstupní a výstupní
zařízení jsou umístěna na stejné straně krystalu. Jedna z možností řešení
tohoto problému je vytvořit pole, kde v každém pixelu bude kombinována jak
funkce světelného modulátoru, tak funkce detektoru. Vznikne tak integrovaný
optoelektronický prvek OEIC (optoelectronic integrated circuit).
Dynamický hologramový obnovovací čip
Na obrázku číslo 4 je znázorněn řez prvkem OEIC. Základ OEIC tvoří křemíkový
substrát, pokrytý nematickým tekutým krystalem a transparentní elektrodou, na
kterou je nanesena krycí vrstva skla. Obvod se dále skládá z fotodetektoru a
statického paměťového elementu, kde jsou zaznamenána data. Dále ještě obsahuje
obvody pro řízení kapalných krystalů. Každý pixel má na povrchu křemíkového
substrátu plošku z kovu, která je využita pro řízení pole vrstvy kapalných
krystalů, které mění polarizaci odráženého světla od kovové plošky. Při vhodné
polarizaci může být odraz od každého SLM pixelu zapnut nebo vypnut. V
současnosti je vyvinut prototyp takovéhoto obvodu, který obsahuje pole roz-měru
20 x 24 pixelů a který je zamýšlen jako statická paměť s náhodným přístupem.
Pro řízení této paměti je zapotřebí mikroprocesor. V každém pixelu je pak
fototranzistor typu PNP. Velikost pixelu tohoto prototypu je 132 mm x 211 mm.
Rozměr odrazové plošky SLM v každém pixelu je 49 mm a ploška fotodetektoru 18
mm. Toto konstrukční uspořádání se označuje jako dynamický hologramový
obnovovací čip DHR (dynamic hologram refresher chip).
Periodické kopírování
Pokud si přejeme, aby holografický systém pracoval jako přepisovatelná paměť,
musíme zachovat dynamickou povahu zaznamenané mřížky. Pro tento případ je
fotocitlivý krystal (např. lithium niobit nebo barium titanit BaTiO3) velice
perspektivním typem holografického média. Avšak, když je fotocitlivý krystal
využit jako záznamový materiál, zapsaná mřížka se postupně ztrácí při
osvětlování referenčním laserem. Jednou z cest, jak kompenzovat tento problém,
je použití kopírovací techniky pro periodické obnovování zapsaného hologramu.
Hologram musí být pravidelně přečten a přepsán, aby se zesílila indexová mřížka.
Architektura s rychlým přístupem
Zatímco časové čtení eliminovalo čočky v signálové cestě paměťového systému, je
zde stále požadavek na kompaktní tvar s rychlým odkloňováním referenčního
svazku laseru z důvodu multiplexování. Systém na obrázku číslo 2 je limitován
jak spolehlivostí, tak mechanickou rychlostí otáčivého zrcadla. Zrcadlo může
být nahrazeno laserem VCSEL (vertical-cavity surface-emitting). Tento laser se
skládá ze stovek spolupracujících polí, přičemž v každém poli je laserový
zdroj. To nám umožní vytvořit systém, ve kterém je každému úhlu náležejícímu
multiplexovanému hologramu přiřazen laserový zdroj. Tato architektura je na
obrázku číslo 5, svazek signálového laseru je koherentní se svazkem
referenčního laserového pole. Posun mezi elementy referenčního svazku laseru je
konvertován čočkou v úhlový posun roviny vln, pronikajících krystalem.
Porovnání s konkurenčními technologiemi
V současné době se tato technologie teprve rozvíjí a zatím ještě není schopna
konkurovat pamětem DRAM. Sledováním vývoje DRAM a HRAM je možné předpokládat,
že v horizontu šesti let budou mít tyto technologie následující parametry.
Rychlost přístupu u pamětí typu DRAM 10-40 ns, rychlost zápisu a čtení se bude
pohybovat okolo 10 GB/s, avšak počet pinů bude asi 800, a tím se zvýší jak
náklady na výrobu, tak i cena těchto pamětí. Naopak cena u HRAM pamětí by měla
časem klesat a náklady na 1 MB by měly být 10krát nižší než v případě DRAM.
Ačkoli je možná rychlost čtení u HRAM až 53 GB/s, z důvodů použití křemíku při
výrobě DHR je skutečná rychlost stejná jako u DRAM, tj. 10 GB/s. Možnosti pro
zvýšení rychlosti HRAM se budou muset hledat v SLM technologii, kde je nutné
snížení velikosti pixelu pod 1 mm. Tím se umožní zvětšit datová stránka na 10
000 x 10 000 pixelů, zatímco pole si udrží svou velikost 1 cm2. Zvětšením
datové stránky získáme dvě výhody, větší paměť a vyšší rychlost záznamu, neboť
bude možnost zapsat více dat paralelně. Vyřešením všech těchto problémů se HRAM
paměti stanou alternativní paměťovou technologií vedle magnetických paměťových
médií a DRAM pamětí.
0 2321 / alsn
Historie a základní princip holografie
Základní princip holografie objevil v roce 1947 britský vědec maďarského původu
Dennis Gabor (získal za něj Nobelovu cenu), který tuto teorii objevil při
vylepšování rozlišení elektronového mikroskopu. Svůj objem nazval podle řeckých
slov holo což znamená celé a gram, tedy sdělení, zpráva. A jde opravdu o
výstižný název, hologramy jsou totiž dokonalé obrazy svých předloh, tedy
nedostáváte ploché obrazy, ale dokonalé 3rozměrné fotografie. Tento objev byl
samozřejmě dále rozvíjen, a tak např. doktor Denisyuk vytvořil v roce 1962
první reflexní hologram, který byl poprvé viditelný i v normálním světle. Tento
zlomový moment přiblížil celé možnosti holografie průmyslu a netechnickému
využití. S holografií se tedy již nesetkáte pouze v temných laboratořích, ale
můžete si ji koupit domů ve formě obrazu, díky ní jsou technici schopni zjistit
chyby na materiálech a třeba se jednoho dne dočkáme i trojrozměrné televize.
Základní princip
Z předchozího textu zřejmě jasně vyplývá, co je hlavním úkolem holografie
zachytit jednotlivé fotony, protože jenom tak lze pak z obrazu zrekonstruovat
kompletní otisk, beze ztráty informace. Tohoto nejednoduchého cíle holografie
dosahuje pomocí interference a difrakce světelných vln.
Z toho vyplývá i další nutný požadavek na tvorbu hologramů koherentní světelné
vlny (mají tedy stejnou vlnovou délku a fázi). Pokud si tedy představíte dvě
takovéto vlny, které se setkají na stejném místě, pak v závislosti na jejich
fázovém posunu dojde k interferenci buď se vlny složí a výsledná vlna bude mít
větší amplitudu, anebo naopak se výsledná intenzita zmenší. Je tedy vidět, že
místo kompletní informace o světelném vlnění lze zaznamenávat jen její
intenzitu tedy to, co dělá klasická fotografie.
Na obrázku pak můžete vidět, co to prakticky znamená při záznamu transmisního
hologramu (typ hologramu, který je ozařován zpoza obrazu při rekonstrukci
"holografovaného" objektu). Aby bylo docíleno oné kýžené interference, je
svazek paprsků rozdělen na dva, z nichž jeden osvětluje objekt a druhý pak
fotografickou desku. Paprsky dopadající na "holografovaný" předmět se poté
odrazí a interferují s paprsky z druhého svazku. Interferované paprsky pak
dopadají na citlivou holografickou desku, kde se zaznamenává jejich intenzita.
Takto získaný obraz pak stačí osvětlit pomocí paprsků stejné vlnové délky,
které byly použity pro záznam, a dojde k dokonalé rekonstrukci objektových vln
objekt tak uvidíte trojrozměrně.
Budujeme vlastní studio
Na podobném principu pak fungují i známější reflexní hologramy ty nemusejí být
již osvětlovány zezadu a k jejich rekonstrukci není potřeba specializovaného
světla a stačí nekoherentní vlnění. Právě tyto hologramy jsou pak asi
nejčastěji k vidění na různých výstavách, a to hlavně díky své relativně
jednoduché výrobě celý proces je jen o málo složitější než klasická fotografie
a díky postupu ve výrobě kvalitních a levných laserů si můžete takovou malou
holografickou laboratoř postavit i doma. Na malé reflexní hologramy by měl
stačit již laser, který pořídíte za cca 8 000 Kč, k němu pak stačí jen sehnat
speciální holografický materiál a sestavit vlastní aparaturu velice podobnou
té, jejíž schéma je zde zobrazeno.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.