Неупереджена статистика відзначає, що в останні кілька років людство щорічно накопичує близько 5 екзабайт (1018 байт) інформації, і темпи продовжують рости. Це вимагає створення все більш ємних, швидких і надійних пристроїв для зберігання даних. Одне з численних напрямків розробок використовує методи оптичної голографії. Успіхи в цій області такі, що на ринку вже з'явилися перші комерційні продукти.
Фірма IBM досліджувала історію і перспективи розвитку запам'ятовуючих пристроїв (ЗУ) з точки зору поверхневої щільності запису (рис. 1). Очевидно, що існує тільки один шлях подолати суперпарамагнітна поріг - використовувати немагнітні методи запису. Найперспективнішим і розробленим з них є голографія.
Голографічна пам'ять розвивається, починаючи з робіт Пітера ван Хеердена (Pieter J. Van Heerden), співробітника фірми Polaroid. Він запропонував ідею зберігання даних в трьох вимірах ще в 1963 р а сьогодні деякі виробники вже приступили до комерційного випуску голографічних ЗУ.
Технологія дозволяє записати і прочитати мільйони біт даних за один спалах лазера. Гранична об'ємна щільність інформації N (N
1012 bit / cm 3) визначається довжиною хвилі випромінювання.
Тисячі голографічних сторінок можуть бути збережені в одному і тому ж обсязі записуючої середовища за допомогою різних варіантів мультиплексування. Його можна виконати за рахунок зміни кута падіння променів лазера, довжини його хвилі, фази опорного променя просторової зміни точки входу інформаційного і опорного променів в середу записи при її зсуві або обертанні, а також комбінації всіх цих способів.
Мал. 2. Порівняння оптичних і голографічних методів запису
Мал. 3. Принцип голографічної записи
Мал. 4. Схема запису / читання даних методом голографії
Переваги голографічного пам'яті: висока щільність запису і велика швидкість читання; паралельний запис інформації (не по одному біту, а цілими сторінками, рис. 2); висока точність відтворення сторінки; низький рівень шуму при відновленні даних; неруйнуюче читання; тривалий термін зберігання даних - 30-50 і більше років; конкурентоспроможність з іншими оптичними технологіями.
Принцип голографічної записи показаний на рис. 3. Луч одного лазера (на малюнку не зображений) розщеплюється на два промені. Один з них використовується як опорний, а іншим висвітлюється об'єкт (або його пропускають через просторовий оптичний модулятор, в якому поміщена прямокутна таблиця даних) - це промінь, що містить дані. При перетині в певній області простору ці промені створюють інтерференційну картину (рис. 3,1). Якщо в цю область помістити прозорий фоточутливий носій (рис. 3,2), то в ньому збережеться інтерференційна картина (голограма) (рис. 3,3) - дані будуть записані. Для читання досить освітити носій опорним променем, і після їх взаємодії ми отримаємо промінь з точною копією записаних даних. На відміну від звичайної фотографії інформація міститься у великому обсязі носія. Якщо цей обсяг розділити, наприклад, на п'ять частин, то вийде п'ять ідентичних копій записаної інформації. Це властивість значно підвищує надійність зберігання даних. Детальна схема пристрою голографічного запису / читання представлена на рис. 4.
Технологія голографічного пам'яті не має обмежень звичайних оптичних за рахунок застосування тривимірного запису даних, а не двовимірних читання і запису лазерним променем на площині. Це означає, що теоретично для запису даних в голографічного пам'яті може використовуватися повний обсяг кристала, хоча є і практичні обмеження. Однак і з обмеженнями тривимірний носій - істотна перевага для технології голографічного пам'яті. Його можливості достатні, щоб залишити далеко позаду DVD і Blu-ray. Швидкості передачі даних можуть досягати 1 GBps і більш. Це набагато швидше будь-який інший оптичної технології типу CD, DVD, HD DVD і Blu-ray, де максимальна швидкість передачі не перевищує 11 MBps.
Теоретично голограми можуть зберігати 1 біт в обсязі, що дорівнює кубу довжини хвилі лазера. Наприклад, червоний промінь лазера на суміші неону і гелію має довжину хвилі 632,8 нм, і досконала голографічна пам'ять могла б зберігати 4 Gb в кубічному міліметрі. Насправді ж щільність запису даних набагато нижче, чому є, принаймні, чотири причини: необхідність корекції помилок, недоліки і обмеження оптичної системи, економічні (зі збільшенням щільності запису вартість зростає непропорційно швидше) і фізичні обмеження (кінцівку довжини хвилі лазера, міжатомної відстані в кристалі записи і недосконалість оптичних систем).
Мал. 5. Фотополімер запам'ятовує інформацію при висвітленні променем лазера
Одна з головних проблем в області зберігання голографічного інформації - створення відповідних матеріалів для запису. Голографічні носії повинні задовольняти строгим критеріям, включаючи розширений динамічний діапазон, високу фоточутливість, безусадочность, оптичну прозорість, неруйнуюче зчитування, термо- і вологостійкість, а також мати низьку ціну. Розробники знайшли безліч матеріалів: фазовращающіе матеріали, фоторефрактивному кристали типу LiNbO3, органічні полімери, рідкі кристали, полімери зі структурною поверхнею і навіть такі екзотичні середовища, як бактеріородопсин в желатинових матрицях. Найдешевші у виробництві - фотополімери. При висвітленні ділянки полімеру поляризованим світлом його молекули орієнтуються і надовго зберігають такий стан (рис. 5).
Мал. 6. Варіанти застосування голографічного пам'яті: голографічні пристрої, що запам'ятовують
Можливі застосування голографічних запам'ятовуючих пристроїв представлені на рис. 6.
Роботи зі створення голографічного пам'яті почалися більше 40 років тому, і сьогодні ряд компаній, наприклад NTT і Optware в Японії, InPhase Technology в США, мають закінчені розробки з голографічними дисками (Holographic Versatile Disc - HVD) і картами (Holographic Versatile Card - HVC) , і нарешті приступають до продажу своїх перших комерційних приладів. Розглянемо кілька голографічних пристроїв, які вже вийшли на ринок.
Мал. 7. Голографічна карта Info-MICA (зверху), пристрій читання (по середині) і відносний розмір (знизу)
Компанія NTT продемонструвала прототип накопичувача високої ємності, в основу якого покладена технологія багатошарової тонкоплівкової голографії, і пристрій для зчитування даних (рис. 7). Ємність носія (сто шарів) розмірами з поштову марку - 1 Gb. Нова карта пам'яті була названа Info-MICA (Information-Multilayered Imprinted CArd), так як її багатошарова структура схожа на структуру породи слюди. Запис інформації виробляється в такий спосіб. Спочатку цифрові дані перекодуються в двомірні зображення, які потім перетворюються в голограму за допомогою технології CGH (Computer Generated Hologram), і нарешті ці голограми записуються у вигляді особливих структур на шарах носія. Шари є хвилеводи. Коли промінь лазера фокусується на торці такого волноводного шару, він починає поширюватися по ньому, розсіюючись на записаних структурах. Розсіяне світло формує двомірні зображення в площині, паралельній волноводному шару. Вони захоплюються CCD-сенсорами і декодуються в вихідні цифрові дані.
Переваги нової технології Info-MICA складаються у високій щільності запису, малих розмірах дисковода, низькому енергоспоживанні, можливості дешевого масового виробництва носіїв, труднощі несанкціонованого копіювання даних з них і простоті утилізації.
В NTT вважають, що Info-MICA внаслідок їх дешевизни і малих розмірів можуть замінити інші пристрої ROM. Розглядають їх і як замінник паперу в якості носія інформації. Ці карти будуть корисні при масовому розповсюдженні ігор, музики, кінофільмів і електронних видань, оскільки клонування їх піратами утруднено. Передбачаються і багато інших застосування нової технології.
Перші кард-рідери (вартістю кілька сотень доларів) і носії ємністю 1 Gb ($ 1-2) вже з'явилися на ринку. У планах компанії - випуск Info-MICA ROM ємністю 10 Gb і розробка пристроїв запису і перезапису носіїв.
InPhase Technology
Мал. 8. Схема оптики для голографічного запису / читання даних фірми InPhase Technology
Мал. 9. Голографічний накопичувач HDS-300R фірми InPhase Technology
Схема голографічного пристрою фірми InPhase показана на рис. 8. Як бачимо, тут застосована класична схема з двома неколінеарна променями.
Перший дисковод типу Tapestry HDS-300R (рис. 9) обладнаний вбудованою системою радіоідентіфікаціі (RFID) і використовує диски 300 GB з одноразовою записом, призначені для професійного архівування. Він має SCSI-інтерфейс зі швидкістю передачі 20 MBps, середній час доступу 250 мс. Довжина хвилі лазера - 407 нм, обсяг сторінки - 1,4 Mb, ймовірність помилки не перевищує 10-15. Середній час безвідмовної роботи - 100 000 ч. Носієм служить диск 130 мм, розміщений в картриджі розміром 5,25 × 6 × 0,25 ", термін зберігання запису - до трьох років, архівного зберігання - понад 50 років.
Мал. 10. Схема колінеарний голографічного запису / читання (при читанні включають тільки опорні промені)
У той час як для інших систем потрібні два окремих променя - даних і опорного, в Optware промені Колінеарні (рис. 10), що значно спрощує конструкцію системи читання / запис, підвищує її надійність, а також знижує вартість.
«Фахівці Sony та інших провідних японських компаній, що працюють в галузі електроніки, уважно вивчають особливості голографічного технології, яка повинна прийти на зміну HD DVD і дискам Blu-ray, - повідомив менеджер Optware з маркетингу та розвитку бізнесу Ясухіде Кагеяма. - У Sony вже зараз готові приступити до створення систем зберігання післязавтра дня, і повинен зазначити, що наше колінеарну рішення викликало великий інтерес ».
Тим часом і Optware, і InPhase випустили свої пристрої на комерційний ринок. Вартість дисководів приблизно 12 000-15 000 дол. А голографічних дисків - $ 120-150. Архівний ресурс гарантується протягом 50 років.
Так що чекати залишилося недовго.