Поява у швидкому майбутньому задач, що вимагають дуже великий обчислювальний потужності, змушує вже зараз кинутися до пошуку нових технічних рішень не тільки в плані удосконалювання самих процесорів, але й інших компонентів ПК. Незалежно від того, яка для виготовлення процесора використовується технологія, кількість даних, що поставляються їм на обробку, визначається можливостями й іншими підсистемами комп'ютера. Ємності сучасних пристроїв масової пам'яті відбивають цю тенденцію. Диски СD-ROM дозволяють зберігати до 700МВ інформації, що розвивається технологія DVD-ROM - до 17GB. Технологія магнітного запису також розвивається дуже швидко - за останній рік типова ємність твердого диска в настільних комп'ютерах зросла до 15-20 GB і більш. Однак у майбутньому комп'ютерам прийдеться обробляти сотні гигабайт і навіть терабайти інформації - набагато більше, ніж може вмістити кожної з існуючих сьогодні CD-ROM-ов чи твердих дисків. Обслуговування таких обсягів даних і переміщення їх для обробки сверхбыстрыми процесорами вимагають радикально нових підходів при створенні пристроїв збереження інформації.

Галографічна пам'ять

Широкі перспективи в цьому плані відкриває технологія оптичного запису, відома як голографія: вона дозволяє забезпечити дуже високу щільність запису при збереженні максимальної швидкості доступу до даних. Це досягається за рахунок того, що галографічний образ (голограма) кодується в один великий блок даних, що записується усього за одне звертання. А коли відбувається читання, цей блок цілком витягається з пам'яті. Для читання чи запису блоків галографічно збережених на світлочутливому матеріалі (за основний матеріал прийнятий ніобат літію, LiNb3) даних ("сторінок") використовуються лазери. Теоретично, тисячі таких цифрових сторінок, кожна з який містить до мільйона біт, можна помістити в пристрій розміром зі шматочок цукру. Причому теоретично очікується щільність даних у 1TБ на кубічний сантиметр (TB/sm3). Практично ж дослідники очікують досягнення щільності порядку 10GB/sm3, що теж дуже вражає, якщо порівнювати з використовуваним сьогодні магнітним способом - порядку декількох MB/sm2 - це без обліку самого механічного пристрою. При такій щільності запису оптичний шар, що має товщину близько 1cm, дозволить зберігати близько 1ТВ даних. А якщо врахувати, що така запам'ятовуюча система не має частин, що рухаються, і доступ до сторінок даних здійснюється паралельно, можна екати, що пристрій буде характеризуватися щільністю в 1GB/sm3 і навіть вище.

Надзвичайні можливості топографічної пам'яті зацікавили учених багатьох університетів і промислових дослідницьких лабораторій. Цей інтерес уже досить давно вилився в дві науково-дослідні програми. Одна з них - програма PRISM (Photorefractive Information Storage Material), метою якої є пошук придатних світлочутливих матеріалів для збереження голограм і дослідження їхній запам'ятовуючих властивостей. Друга науково-дослідна програма - HDSS (Holographic Data Storage System). Так само, як і PRISM, вона передбачає ряд фундаментальних досліджень, і її учасниками є ті ж компанії. У той час як метою PRISM є пошук придатних середовищ для збереження голограм, HDSS орієнтована на розробку апаратних засобів, необхідних для практичної реалізації галографічних запам'ятовуючих систем.

Як же функціонує система галографічної пам'яті? Розглянемо для цього установку, зібрану дослідницькою групою з Almaden Research Center.

На початковому етапі в цьому пристрої відбувається поділ лучачи синьо-зеленого аргонового лазера на два складові - опорний і предметний промені (останній є носієм самих даних). Предметний промінь піддається расфокусировке, щоб він міг цілком висвітлювати просторовий світловий модулятор (SLM - Spatial Light Modulator), що являє собою просто жидкокристаллическую (LCD) панель, на якій сторінка даних відображається у виді матриці, що складає зі світлих і темних пікселів.

Обидва промені направляються усередину світлочутливого кристала, де і відбувається їхня взаємодія. У результаті цієї взаємодії утвориться інтерференційна картина, що і є основою голограми і запам'ятовується у виді набору варіацій показника чи переломлення коефіцієнта відображення усередині цього кристала. При читанні даних кристал висвітлюється опорним променем, що, взаємодіючи зі збереженої в кристалі інтерференційною картиною, відтворює записану сторінку у виді образа "шахівниці" зі світлих і темних пикселей (голограма перетворить опорну хвилю в копію предметної). Потім цей образ направляється в матричний детектор, основою для який служить прилад із зарядовим зв'язком (CCD - Charge-Coupled Device чи ПЗС), що захоплює всю сторінку даних. При читанні даних опорний промінь повинний падати на кристал під тим же самим кутом, при якому вироблявся запис цих даних, і допускається зміна цього кута не більше ніж на градус. Це дозволяє одержати високу щільність даних: змінюючи кут опорного чи променя його частоту, можна записати додаткові сторінки даних у тім же самому кристалі.

Однак додаткові голограми змінюють властивості матеріалу (а таких змін може бути тільки фіксована кількість), у результаті образи голограм стають тьмяними, що може привести до перекручування даних при читанні. Цим і порозумівається обмеження обсягу реальної пам'яті, який володіє матеріал. Динамічна область середовища визначається кількістю сторінок, що вона може реально вміщати, тому учасники PRISM і займаються дослідженням обмежень на світлочутливість матеріалів.

Використовувана в тривимірній галографії процедура висновку декількох сторінок з даними в той самий обсяг називається мультиплексируванням. Традиційно використовуються наступні методи мультиплексируванням: по куті падіння опорного пучка, по довжині хвилі і по фазі, але, на жаль, вони вимагають складних оптичних систем і товстих (товщиною в кілька міліметрів) носіїв, що робить їх непридатними для комерційного застосування, принаймні, у сфері обробки інформації. Однак зовсім недавно Bell Labs були винайдені три нових методи мультиплексирування: зсувне, апертурне і кореляційне, засновані на використанні зміни положення носія щодо світлових пучків. При цьому сдвиговое й апертурне мультиплексирование використовують сферичний опорний пучок, а кореляційне - пучок ще більш складної форми. Крім того, оскільки при кореляційному і зсувного мультиплексируваанні задіяні механічні елементи, що рухаються, час доступу при їхньому застосуванні буде приблизно таким же, як і в звичайних оптичних дисків. Bell Labs удалося побудувати експериментальний носій на основі усі того ж ниобата літію, що використовує техніку кореляційного мультиплексируваання, однак уже з щільністю запису близько 226GB на квадратний дюйм.

Іншою складністю, що виникла на шляху створення пристроїв галографічної пам'яті, став пошук придатного матеріалу для носія. Більшість досліджень в області голографії проводилися з використанням фотореактивних матеріалів (головним чином, що згадувався вище ніобата літію), однак якщо вони годять для запису галографічних зображень ювелірних прикрас, те цього ніяк не можна сказати у відношенні запису інформації, так ще в комерційних пристроях: вони дороги, мають слабку чутливість і обмежений динамічний діапазон (частотна смуга пропущення). Тому був розроблений новий клас фотополімерних матеріалів, що володіють непоганими перспективами з погляду комерційного застосування. Фотополімери являють собою речовини, у яких під дією світла відбуваються необоротні зміни, що виражаються у флуктуаціях складу і щільності. Створені матеріали мають більш тривалий життєвий цикл (у плані збереження записаної на них інформації) і стійкі до впливу температур, а також відрізняються поліпшеними оптичними характеристиками, загалом, підходять для однократного запису даних (WORM).

Ну і, нарешті, ще одна проблема - складність використовуваної оптичної системи. Так, для голографической пам'яті не годять светодиоды на базі напівпровідникових лазерів, застосовувані в традиційних оптичних пристроях, оскільки вони мають недостатню потужність, дають пучок з високою розсіяністю і, нарешті, напівпровідниковий лазер, генеруючий випромінювання в середньому діапазоні видимої області спектра, одержати дуже складно. Тут же необхідний могутній лазер, що дає як можна більш рівнобіжний пучок. Те ж саме можна сказати і про просторові світлові модулятори: донедавна не було ні одного подібного пристрою, которое можна було б застосовувати в системах голографической пам'яті. Однак часи міняються, і сьогодні вже стали доступними недорогі твердотілі лазери, з'явилася мікроелектромеханічна технологія (MEM - Micro-Electrical Mechanical, пристрою на її основі являють собою масиви мікродзеркал розміром порядку 17 мікронів), як не можна краще придатна на роль SLM.

Тому що інтерференційні шаблони однородно заповнюють весь матеріал, це наділяє галографічну пам'ять іншою корисною властивістю - високою вірогідністю записаної інформації. У той час як дефект на поверхні магнітного диска чи магнітної стрічки руйнує важливі дані, дефект у галографічному середовищу не приводить до втрати інформації, а викликає усього лише "потускніння" галограми. Невеликі настільні HDSS-пристрої повинні з'явитися до 2003 року. Оскільки апаратура HDSS для зміни кута нахилу лучачи використовує акусто-оптичний дефлектор (кристал, властивості якого змінюються при проходженні через нього звукової хвилі), то за загальними оцінками, час витягу суміжних сторінок даних складе менш 10ms. Будь-який традиційний оптичний чи магнітний пристрій пам'яті має потребу в спеціальних механічних засобах для доступу до даних на різних доріжках, і час цього доступу складає трохи мілісекунд.