Реферат: Два напрямки створення пам'яті майбутнього

Мабуть, помилково розглядати пристрою галографічної пам'яті як радикально нову технологію, тому що її основні концепції розроблені близько 30 років тому. Якщо що і змінилося, так це приступність ключових компонентів для цієї технології - ціни на них стали значно нижче. Так, напівпровідниковий лазер уже не є чимось дивовижним, а давним-давно вже став стандартом. З іншого боку, SLM - це результат тієї ж технології, що застосовується при виготовленні LCD-екранів для Пк-блокнотів і калькуляторів, а детекторна матриця CCD запозичена прямо з цифрової відеокамери.

Отже, переваг у нової технології більш ніж досить: крім того, що інформація зберігається і зчитується паралельно, можна досягти дуже високої швидкості передачі даних і, в окремих випадках, високій швидкості довільного доступу. А саме головне - практично відсутні механічні компоненти, властиві нинішнім хоронителям інформації (наприклад, шпинделі з гігантським числом оборотів). Це гарантує не тільки швидкий доступ (для даної технології правильно сказати миттєвий) до даних, меншу імовірність збоїв, але і більш низьке споживання електроенергії, оскільки сьогодні твердий диск - один з найбільш енергоємних компонентів комп'ютера.

Молекулярна пам'ять

Інший радикально інший підхід у створенні пристроїв збереження даних - молекулярний. Група дослідників центра "W.M. Keck Center for Molecular Electronic" під керівництвом професора Роберта Р. Бирга (Robert R. Birge) уже відносно давно одержала прототип підсистеми пам'яті, що використовує для запам'ятовування цифрові біти молекули. Це - молекули протеїну, що називається бактеріородопсин (bacteriorhodopsin). Він має пурпурний колір, поглинає світло і є присутнім у мембрані мікроорганізму, називаного halobacterium halobium. Цей мікроорганізм "проживає" у соляних болотах, де температура може досягати +150 °С. Коли рівень змісту кисню в навколишнім середовищі настільки низок, що для одержання енергії неможливо використовувати подих (окислювання), воно для фотосинтезу використовує протеїн.

Бактеріородопсин був вибрав тому, що фотоцикл (послідовність структурних змін, що молекула перетерплює при реакції зі світлом) робить цю молекулу ідеальним логічним запам'ятовуючим елементом типу "&" чи типу перемикача з одного стану в інше (тригер). Як показали дослідження Бирга, bR-стан (логічне значення біта "0") і Q-стан (логічне значення біта "1") є проміжними станами молекули і можуть залишатися стабільними протягом багатьох літ. Це властивість, зокрема, що забезпечує дивну стабільність протеїну, і було придбано еволюційним шляхом у боротьбі за виживання в суворих умовах соляних боліт.

По оцінках Бирга, дані, записані на бактеріородопсином запам'ятовуючому пристрої, повинні зберігатися приблизно п'ять років. Іншою важливою особливістю бактериородопсина є те, що ці два стани мають помітно відрізняються спектри поглинання. Це дозволяє легко визначити поточний стан молекули за допомогою лазера, набудованого на відповідну частоту.

Був побудований прототип системи пам'яті, у якому бактеріородопсин запам'ятовує дані в тривимірній матриці. Така матриця являє собою кювету (прозора судина), заповнену поліакридним гелем, у який поміщений протеїн. Кювету має довгасту форму розміром 1x1x2 дюйми. Протеїн, що знаходиться в bR-стані, фіксується в просторі при полімеризації гелю. Кювету оточують батарея лазерів і детекторна матриця, побудована на базі приладу, що використовує принцип зарядової інжекції (CID - Charge Injection Device), що служать для запису і читання даних.

При записі даних спочатку треба запалити жовтий "сторінковий" лазер - для перекладу молекул у Q-стан. Просторовий світловий модулятор (SLM), що, як говорилося раніше, являє собою LCD-матрицю, що створює маску на шляху лучачи, викликає виникнення активної (збудженої) площини в матеріалі усередині кювети. Ця энергоактивна площина являє собою сторінку даних, що може вмішати масив 4096x4096 bit. Перед поверненням протеїну в стан спокою (у ньому він може знаходитися досить тривалий час, зберігаючи інформацію) запалюється червоний, записуючий лазер, розташовуваний під прямим кутом стосовно жовтого. Інший SLM відображає двоцифрові дані і, таким чином, створює на шляху лучачи відповідну маску, тому опроміненню піддадуться тільки визначені плями (крапки) сторінки. Молекули в цих місцях перейдуть у Q-стан і будуть представляти двоцифрову одиницю. Частина сторінки, що залишилася, повернеться в первісний bR-стан і буде представляти двоцифрові нулі. Для того, щоб прочитати дані, треба знову запалити сторінковий лазер, що переводить сторінку, що читається, у Q-стан. Це робиться для того, щоб надалі, за допомогою розходження в спектрах поглинання, ідентифікувати двоичные нулі й одиниці. Через 2ms після цього сторінка "занурюється" у низькоінтенсивний світловий потік червоного лазера. Низька інтенсивність потрібна для того, щоб попередити "перепригування" молекул у Q-стан. Молекули, що представляють двоцифровий нуль, поглинають червоне світло, а представляючи двоцифрову одиницю пропускають промінь повз себе. Це створює "шаховий" малюнок зі світлих і темних плям на LCD-матриці, що захоплює сторінку цифрової інформації.

Для стирання даних досить короткого імпульсу синього лазера, щоб повернути молекули з Q-стану у вихідний bR-стан. Синє світло не обов'язково повинне йти від лазера: так можна стерти всю кювету за допомогою звичайної ультрафіолетової лампи. Для забезпечення цілісності даних при вибірковому стиранні сторінок застосовується кеширування декількох суміжних сторінок. При операціях читання-запису також використовуються два додаткових біти парності, щоб захиститися від помилок. Сторінка даних може бути прочитана без руйнування до 5000 разів. Кожна сторінка відслідковується лічильником, і якщо відбувається 1024 читання, то сторінка "освіжається" (регенерується) за допомогою нової операції запису.

З огляду на, що молекула змінює свої стани в межах 1ms, сумарний час для виконання операції чи читання записи складає близько 10ms. Однак, за аналогією із системою голографической пам'яті, цей пристрій здійснює рівнобіжний доступ у циклі читання-запису, що дозволяє розраховувати на швидкість до 10MBps. Передбачається, що якщо об'єднати по восьми запам'ятовуючих бітових осередків у байт із рівнобіжним доступом, то можна досягти швидкості 80MBps, але для такого способу необхідна відповідна схемотехнічна реалізація підсистеми пам'яті. Деякі версії пристроїв SLM виконують сторінкову адресацію, що у недорогих конструкціях використовується при напрямку лучачи на потрібну сторінку за допомогою поворотної системи гальванічних дзеркал. Такий SLM забезпечує доступ за 1ms, але і коштує відповідно в чотири рази дорожче.

Сам Бирг затверджує, що запропонована їм система по швидкодії близька до напівпровідникової пам'яті, поки не зустрінеться сторінковий дефект. При виявленні такого дефекту необхідно перенаправляти промінь для доступу до таких сторінок з іншої сторони. Теоретично, кювету, про яку вже йшла мова, може вмістити 1ТВ даних. Обмеження на ємність зв'язані, в основному, із проблемами лінзової системи і якістю протеїну.

Чи зможе молекулярна пам'ять конкурувати з традиційною напівпровідниковою пам'яттю? Її конструкція, безумовно, має визначені переваги. По-перше, вона заснована на протеїні, що виробляється у великій кількості і за недорогою ціною, чому сприяють досягнення генної інженерії. По-друге, система може функціонувати в більш широкому діапазоні температур, чим напівпровідникова пам'ять. По-третє, дані зберігаються постійно - навіть якщо виключити харчування системи пам'яті, це не приведе до втрати інформації. І, нарешті, кубики з даними, що мають маленькі розміри, але містять гігабайти інформації, можна поміщати в архів для збереження копій (як магнітні стрічки). Тому що кубики не містять частин, що рухаються, це зручніше, ніж використання портативних твердих чи дисків картриджів з магнітною стрічкою.

Використано матеріали журналу "BYTE"
Адаптація: Максим Лінь (carcass@silur.com)
Опубліковано -- 19 січня 2001 р.
Опубліковано в журналі "Компьютер Price"