`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Память для вашего ПК: какой она будет завтра

+11
голос

Появление в будущем задач, требующих очень большой вычислительной мощности, приведет к поиску новых технических решений не только в плане совершенствования самих процессоров, но и других компонентов ПК.

Независимо от того, как сделаны процессоры — по CMOS-технологии или иной, кардинально новой, количество данных, поставляемых им на обработку, будет определяться возможностями других подсистем компьютера. Емкости современных устройств массовой памяти отражают эту тенденцию. Диски CD-ROM уже позволяют хранить до 650 MB информации. Технология магнитной записи также развивается очень быстро — за последний год типичная емкость жесткого диска в настольных компьютерах возросла до 1 GB и более. Однако в будущем компьютерам придется обрабатывать сотни гигабайт и даже терабайты информации — гораздо больше, чем может вместить любой из существующих сегодня CD-ROM'ов или жестких дисков. Обслуживание таких объемов данных и перемещение их для обработки сверхбыстрыми процессорами требуют радикально новых подходов при создании устройств хранения информации.

Широкие перспективы в этом плане открывает технология оптической записи, известная как голография: она позволяет обеспечить очень высокую плотность записи при сохранении максимальной скорости доступа к данным. Это достигается за счет того, что топографический образ (голограмма) кодируется в один большой блок данных, который записывается всего за одно обращение. А когда происходит чтение, этот блок целиком извлекается из памяти.

Для чтения или записи блоков голографически хранимых на светочувствительном материале данных («страниц») используются лазеры. Теоретически тысячи таких цифровых страниц, каждая из которых содержит до миллиона бит, можно поместить в устройство размером с кусочек сахара. При этом достигается плотность данных в 1 ТВ/куб.см. Практически же исследователи ожидают достижения плотности порядка 10 GB/куб.см, что тоже весьма впечатляет, если сравнивать с используемым сегодня магнитным способом,— 100 КВ/кв. см (без учета самого механизма устройства). При такой плотности записи оптический слой, примерно совпадающий по толщине с колодой обычных игральных карт, позволит хранить около 1 ТВ данных. А если учесть, что такая запоминающая система не имеет движущихся частей, и доступ к страницам данных осуществляется параллельно, можно ожидать, что устройство будет характеризоваться плотностью в 1 GB/куб. см и даже выше. Необычайные возможности голографической памяти заинтересовали ученых многих университетов и промышленных исследовательских лабораторий. Этот интерес вылился в две научно-исследовательские программы. Одна из них — программа Photorefractive Information Storage Materials (PRISM). Рассчитанная на два года, она финансируется совместно агентством ARPA (Advanced Research Projects Agency) при Министерстве обороны США и такими компаниями, как IBM, GTE и Rockwell International. Целью PRISM является поиск подходящих светочувствительных материалов для хранения голограмм и исследование их запоминающих свойств.

 какой она будет завтра

Как устроена голографическая память

Вторая научно-исследовательская программа — Holographic Data Storage System (HDSS). Так же, как и PRISM, она предусматривает ряд фундаментальных исследований, и ее участниками являются те же компании. В то время как целью PRISM является поиск подходящих сред для хранения голограмм, HDSS ориентирована на разработку аппаратных средств, необходимых для практической реализации топографических запоминающих систем.

Как же функционирует система голографической памяти? Рассмотрим для этого установку, собранную исследовательской группой из Almaden Research Center.

На начальном этапе в этом устройстве происходит разделение луча сине-зеленого аргонового лазера на две составляющие — опорный и предметный лучи (последний является носителем самих данных). Предметный луч подвергается расфокусировке, чтобы он мог полностью освещать пространственный световой модулятор (Spatial Light Modulator — SLM). SLM представляет собой просто жидкокристаллическую (LCD) панель, на которой страница данных отображается в виде матрицы, состоящей из светлых и темных пикселов (двоичные данные).

Оба луча направляются внутрь светочувствительного кристалла, где и происходит их взаимодействие. В результате этого взаимодействия образуется интерференционная картина, которая является основой голограммы и запоминается в виде набора вариаций показателя преломления или коэффициента отражения внутри этого кристалла. При чтении данных кристалл освещается опорным лучом, который, взаимодействуя с хранимой в кристалле интерференционной картиной, воспроизводит записанную страницу в виде образа «шахматной доски» из светлых и темных пикселов (голограмма преобразует опорную волну в копию предметной). Затем этот образ направляется в матричный детектор, основой для которого служит устройство со спаренным зарядом (Charge-Coupled Device — CCD), захватывающее всю страницу данных. При чтении данных опорный луч должен падать на кристалл под тем же самым углом, при котором производилась запись этих данных, и допускается изменение этого угла не более, чем на градус. Это условие может показаться поначалу недостатком, но на самом деле дает большое преимущество, так как позволяет получить высокую плотность данных. Изменяя угол опорного луча или его частоту, вы можете записать дополнительные страницы данных в том же самом кристалле.

Однако дополнительные голограммы изменяют свойства материала (а таких изменений может быть только фиксированное количество), в результате образы голограмм становятся тусклыми, что может привести к искажению данных при чтении. Этим и объясняется ограничение объема реальной памяти, которой обладает материал.

Динамическая область среды определяется количеством страниц, которые она может реально вмещать, поэтому участники PRISM и занимаются исследованием ограничений на светочувствительность материалов.

Так как интерференционные шаблоны однородно заполняют весь материал, это наделяет топографическую память другим полезным свойством — высокой достоверностью записанной информации. В то время как дефект на поверхности магнитного диска или магнитной ленты разрушает важные данные, дефект в голографической среде не приводит к потере информации, а вызывает всего лишь потускнение голограммы. Консорциум PRISM хранит 200 голограмм, содержащих страницы данных размером 37,5 KB (640 х 480 бит) в кристалле шириной менее 1 см, при этом достигнута плотность хранения 48 МВ/куб. см. Это, конечно, еще далеко не предел, установленный в 10 GB/куб. см, но уже вполне достаточно, чтобы обеспечить основы для разработки аппаратуры консорциумом HDSS. Небольшие настольные HDSS-устройства должны появиться к 2003 г. Поскольку аппаратура HDSS для изменения угла наклона луча использует акусто-оптический световой дефлектор (кристалл, свойства которого изменяются при прохождении через него звуковой волны), то, по общим оценкам, время извлечения смежных страниц данных составит менее 100 мкс. Любое традиционное оптическое или магнитное устройство памяти нуждается в специальных механических средствах для доступа к данным на различных дорожках, и время этого доступа составляет несколько миллисекунд.

Ошибочно рассматривать устройства голографической памяти как радикально новую технологию, ибо ее основные концепции разработаны еще 30 лет тому назад. Если что и изменилось, так это доступность ключевых компонентов для этой технологии — цены на них стали значительно ниже. Так, полупроводниковый лазер уже не является чем-то диковинным, и большое количество этих устройств производится, например, для CD-проигрывателей. С другой стороны, SLM — это результат той же технологии, которая применяется при изготовлении LCD-экранов для ПК-блокнотов и калькуляторов, а детекторная матрица CCD позаимствована прямо из цифровой видеокамеры. Все это было недоступно 30, а возможно, даже и 10 лет назад.

Другой радикально иной подход в создании устройств хранения данных — так называемый молекулярный.

Группа исследователей центра W. М. Keck Center for Molecular Electronics под руководством профессора Роберта Р. Бирга (Robert R. Birge) получила прототип подсистемы памяти, использующей для запоминания цифровых битов молекулы.

О каких же молекулах идет речь? Это — молекулы протеина, который называется бактериородопсин (bacteriorhodopsin). Он имеет пурпурный цвет, поглощает свет и присутствует в мембране микроорганизма, называемого halobacterium halobium. Этот микроорганизм «проживает» в соляных болотах, где температура может достигать +150°С. Когда уровень содержания кислорода в окружающей среде настолько низок, что для получения энергии невозможно использовать дыхание (окисление), он для фотосинтеза использует протеин.

 какой она будет завтра

Как устроена молекулярная память

Бирг выбрал бактериородопсин, потому что фотоцикл (последовательность структурных изменений, которые молекула претерпевает при реакции со светом) делает эту молекулу идеальным логическим запоминающим элементом типа «AND» или типа переключателя из одного состояния в другое (триггер). Как показали исследования Бирга, bR-состояние (значение бита «0») и Q-состояние (значение бита «1») являются промежуточными состояниями молекулы и могут оставаться стабильными в течение многих лет. Это свойство, в частности, обеспечивает удивительную стабильность протеина и было приобретено эволюционным путем в борьбе за выживание в суровых условиях соляных болот.

По оценкам Бирга, данные, записанные на бактериородопсинном запоминающем устройстве, должны сохраняться приблизительно пять лет. Другой важной особенностью бактериородопсина является то, что эти два состояния имеют заметно отличающиеся спектры поглощения. Это позволяет легко определить текущее состояние молекулы с помощью лазера, настроенного на соответствующую частоту.

Бирг построил прототип системы памяти, в котором бактериородопсин запоминает данные в трехмерной (3-D) матрице. Такая матрица представляет собой кювету (прозрачный сосуд), заполненную полиакридным гелем, в который помещен протеин. Кювета имеет продолговатую форму размером 1 x 1 x 2 дюйма. Протеин, который находится в bR-состоянии, фиксируется в пространстве при полимеризации геля. Кювету окружают батарея лазеров и детекторная матрица, построенная на базе прибора, использующего принцип зарядовой инжекции (Charge-Injection Device — CID), которые служат для записи и чтения данных.

При записи данных сначала надо зажечь желтый «страничный» лазер — для перевода молекул в О-состояние. Пространственный световой модулятор (SLM), который представляет собой LCD-матрицу, создающую маску на пути луча, вызывает возникновение активной (возбужденной) плоскости в материале внутри кюветы. Эта энергоактивная плоскость представляет собой страницу данных, которая может вмещать массив 4 096х 4 096 бит.

Перед возвратом протеина в состояние покоя (в нем он может находиться длительное время, сохраняя информацию) зажигается красный, записывающий лазер, обычно располагаемый под прямым углом по отношению к желтому. Другой SLM отображает двоичные данные и, таким образом, создает на пути луча соответствующую маску, поэтому облучению подвергнутся только определенные пятна (точки) страницы. Молекулы в этих местах перейдут в Q-состояние и будут представлять двоичную единицу. Оставшаяся часть страницы возвратится в первоначальное О-состояние и будет представлять двоичные нули. Для того чтобы прочитать данные, надо опять зажечь страничный лазер, который переводит читаемую страницу в О-состояние. Это делается для того, чтобы в дальнейшем, с помощью различия в спектрах поглощения, идентифицировать двоичные нули и единицы. Через 2 мс после этого страница «окунается» в низкоинтенсивный световой поток красного лазера. Низкая интенсивность нужна для того, чтобы предупредить «перепрыгивание» молекул в Q-состояние. Молекулы, представляющие двоичный нуль, поглощают красный свет, а представляющие двоичную единицу пропускают луч мимо себя. Это создает «шахматный» рисунок из светлых и темных пятен на CID-матрице, которая захватывает страницу цифровой информации.

Для стирания данных достаточно короткого импульса синего лазера, чтобы вернуть молекулы из Q-coстояния в исходное О-состояние. Синий свет не обязательно должен идти от лазера: вы можете стереть всю кювету с помощью обыкновенной ультрафиолетовой лампы. Для обеспечения целостности данных при выборочном стирании страниц Бирг применяет кэширование нескольких смежных страниц. При операциях чтения/записи также используются два дополнительных бита четности, чтобы защититься от ошибок. Страница данных может быть прочитана без разрушения до 5 ООО раз. Каждая страница отслеживается счетчиком, и если происходит 1 024 чтения, то страница «освежается» с помощью новой операции записи.

С какой же скоростью возможен доступ к данным для такой конструкции? Учитывая, что молекула меняет свои состояния в пределах 1 мке, суммарное время для выполнения операции чтения или записи составляет около 10 мс. Однако, по аналогии с системой голографической памяти, это устройство осуществляет параллельный доступ по чтению/записи, что позволяет рассчитывать на скорость до 10 MBps. Такое же быстродействие имеет медленная полупроводниковая память.

Бирг полагает, что если объединить по восемь запоминающих битовых ячеек в байт с параллельным доступом, то можно достигнуть скорости 80 MBps, но для такого способа необходима соответствующая схемотехническая реализация подсистемы памяти. Некоторые версии устройств SLM выполняют страничную адресацию, которая в недорогих конструкциях используется при направлении луча на нужную страницу с помощью поворотной системы гальванических зеркал. Такой SLM обеспечивает доступ за 1 мс, по и стоит соответственно в четыре раза дороже.

Бирг утверждает: «Предложенная нами система по быстродействию близка к полупроводниковой RAM-памяти, пока не встретится страничный дефект. При обнаружении такого дефекта мы должны перенаправить луч для доступа к таким страницам с другой стороны».

Теоретически кювета, о которой уже шла речь, может вместить 1 ТВ данных. На практике Биргу удалось сохранить в такой кювете около 800 MB, но он надеется добиться емкости приблизительно в 1,3 GB. Сегодня ограничения на емкость связаны, в основном, с проблемами линзовой системы и качеством протеина.

Как отмечает Бирг, нынешняя система создавалась для доказательства правильности самой идеи, но его группа уже работает над устройством, которое уже можно будет использовать внутри настольного ПК. По его мнению, в течение трех—пяти лет будет подготовлена к бета-тестированию коммерческая версия продукта.

Сможет ли молекулярная память конкурировать с традиционной полупроводниковой памятью? Ее конструкция, безусловно, имеет определенные преимущества. Во-первых, она основана на протеине, который производится в большом количестве и по недорогой цене, чему способствуют достижения генной инженерии. Во-вторых, система может функционировать в более широком диапазоне температур, чем полупроводниковая память. В-третьих, данные сохраняются постоянно — даже если выключить питание системы памяти, это не приведет к потере информации. И, наконец, кубики с данными, имеющие маленькие размеры, но содержащие гигабайты информации, можно помещать в архив для хранения копий (как магнитные ленты, например). Так как кубики не содержат движущихся частей, это удобнее, чем использование портативных жестких дисков или картриджей с магнитной лентой.

 

 какой она будет завтра

+11
голос

Напечатать Отправить другу

Читайте также

Ишь мечтатели, чего хотели... Наслаждайтесь, не обляпайтесь :-)))
20 лет прошло, плёт нормальный. Сидим на механических дисках, CD-ROMах и даже флешках, которые ажно с 70х годов всем известны.

Мечтатели, такие мечтатели.. Ж8-) Ну да, повзрослели, постарели...

Ну и чтобы 22 раза не ходить. Новости от МС - пытаются сделать накопители на основе ДНК.
так что следующего прорыва будем ждать еще лет 200. :)
[url]https://www.youtube.com/watch?v=46HzRPQe2u8[/url]

ну да, 200 )

а пока посмотрим что там еще Intel все же выкатит со своим 3D XPoint

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT