Două direcții pentru o memorie de viitor

Vă mulțumim pentru sprijinul acordat!

Aspectul în aplicațiile care necesită viitorul apropiat foarte mare putere de calcul face ca acum se străduiesc să găsească noi soluții tehnice, nu numai în ceea ce privește îmbunătățirea procesatorilor ei înșiși, dar și alte componente ale PC-ului. Nu contează ce procesor este utilizat pentru fabricarea de tehnologie, cantitatea de date care le sunt livrate pentru prelucrare, determinate de capacitățile și alte subsisteme informatice. Capacități de dispozitive moderne de stocare în masă reflectă această tendință. Discurile CD-ROM poate stoca până la informații 700mV, dezvoltarea tehnologiei DVD-ROM - până la 17GB. Tehnologia de înregistrare magnetică este, de asemenea, evoluează foarte repede - în ultimul an este o capacitate tipică hard disk în calculatoare desktop a crescut la 15-20 GB sau mai mult. Cu toate acestea, în viitor computerele vor trebui să proceseze sute de gigabiți și chiar terabytes de informații - mult mai mult decât poate găzdui orice astăzi, CD-ROM-uri existente, sau hard disk-uri. Menținerea astfel de volume de date și de a le muta la prelucrarea procesoare ultrarapide necesită o abordare radical noi pentru a crea dispozitive de stocare.

memorie holografică

largi perspective în acest domeniu se deschide tehnologia de înregistrare optică, cunoscut sub numele holografie: permite să asigure înregistrarea cu densitate foarte mare menținând în același timp viteza maximă de acces la date. Acest lucru se realizează prin faptul că imaginea holografică (hologramă) este codificată într-un bloc mare de date, care este înregistrată într-un singur tratament. Iar atunci când are loc citirea, întreaga unitate este eliminată din memorie. Pentru citire sau scriere blocuri stocate holografic pe un material fotosensibil (materialul de bază adoptat pentru niobat de litiu, LiNbO3) date ( „pagini“) sunt utilizate lasere. Teoretic, mii de astfel de pagini digitale, fiecare dintre ele conținând până la un milion de biți, poate fi plasat în mărimea unui bulgăre de zahăr. Și, teoretic, de așteptat, 1TB densitatea de date pe centimetru cub (TB / Nm3). În practică, cercetătorii se așteaptă să atingă 10GB densitate / sm3 a ordinului, care este, de asemenea, foarte impresionant în comparație cu utilizate astăzi magnetic - de ordinul a mai multor MB / SM2 - aceasta nu include mecanismul de dispozitiv. La această densitate a stratului de înregistrare optic având o grosime de aproximativ 1 cm, se va stoca date despre 1TV. Și având în vedere că un astfel de sistem de stocare nu are părți în mișcare, precum și accesul la pagini de date în paralel, se poate preconiza că dispozitivul va avea o densitate în 1GB / sm3 și chiar mai mare.

Posibilități extraordinare de memorie topografic oamenii de știință interesați de la mai multe universități și laboratoare de cercetare industrială. Acest interes a fost mult timp transformat în două programe de cercetare. Unul dintre ei - Programul PRISM (Photorefractive Information Material de stocare), care își propune să găsească materiale fotosensibile adecvate pentru depozitarea hologramele și un studiu al proprietăților lor de stocare. Al doilea program de cercetare - HDSS (holografic de date Sistem de stocare). La fel ca PRISM, acesta oferă un număr de cercetare de bază, iar membrii săi sunt aceeași companie. În timp ce scopul este de a găsi mass-media PRISM adecvate pentru depozitarea holograme, HDSS axat pe dezvoltarea hardware-ul necesar pentru realizarea practică a sistemelor de stocare holografice.

Cum sistemul de memorie holografic? Luați în considerare pentru această instalare, un grup de cercetare de la Centrul de Cercetare Almaden colectate.

La etapa inițială în acest dispozitiv este o divizie a fasciculului de laser cu argon albastru-verde în două componente - de referință și de grinzi obiect (acesta din urmă fiind purtătorul de date în sine). fascicul de subiect suferă defocalizare, astfel încât acesta poate ilumina complet modulator de lumină spațială (SLM - spațială Light Modulator), care reprezintă un panou cu cristale lichide (LCD), pe care este afișată pagina de informații într-o matrice formată din lumină și întuneric pixeli (date binare) .

Ambele grinzi sunt îndreptate în chip sensibil la lumină, în cazul în care există o interacțiune a acestora. Ca urmare a acestei interacțiuni este modelul de interferență format, care este baza hologramei și este stocată ca o serie de variații indice de refracție sau coeficientul de reflexie în cadrul acestui cristal. La citirea datelor de cristal este iluminată de fasciculul de referință, care interacționează cu modelul de interferență stocate în cristal, reproduce o pagină la o imagine înregistrată „tablă de șah“ de pixeli negri (referință val hologramă convertește o copie a obiectului) și lumină. Apoi, imaginea este trimisă la un detector de matrice, care servește drept bază pentru dispozitivul cu cuplaj de sarcină (CCD - Dispozitiv cuplat la încărcare, sau CCD), o pagină de interesant plin de date. La citirea datelor fascicul de referință ar trebui să cadă pe cristal în același unghi la care să înregistreze datele, și poate fi o schimbare a unghiului nu este mai mult decât un grad. Acest lucru permite o densitate mare de date: modificarea unghiului fasciculului de referință sau frecvența, puteți înregistra pagini de date suplimentare în același cristal.

Cu toate acestea, holograme suplimentare modifica proprietățile materialului (cum ar fi modificările pot fi doar un număr fix), rezultând imagini ale hologramelor devine plictisitoare, ceea ce poate duce la distorsiuni la citirea datelor. Acest lucru explică limitarea memoriei reale, care are materialul. Partea dinamică a mediului este determinată de numărul de pagini pe care îl poate conține de fapt, astfel încât participanții să fie implicați în studiul PRISM și restricțiile privind materialul fotosensibil.

Utilizat în procedura holografie tridimensională pentru atribuirea mai multor pagini de date în aceeași sumă se numește multiplexare. urmând metode de multiplexare utilizate în mod tradițional: unghiul de incidență al fasciculului de referință, lungimea de undă și faza, dar, din păcate, acestea necesită sisteme optice complexe și groase (câțiva milimetri grosime) purtătoare, ceea ce le face improprii pentru aplicații comerciale, cel puțin în domeniul prelucrării informațiilor. Cu toate acestea, recent, au fost inventate trei noi Bell Labs metode de multiplexare: forfecare, diafragma și corelarea bazată pe utilizarea schimbării în poziție în raport cu purtătorul fasciculelor de lumină. În același multiplexare forfecare și deschidere cu ajutorul unui fascicul de referință sferic, iar corelația - o grămadă de chiar forme mai complexe. Mai mult decât atât, din moment ce părțile mecanice mobile implicate cu corelarea și multiplexare de deplasare, timpul de acces atunci când acestea sunt utilizate vor fi aproximativ la fel ca și cea a discurilor optice convenționale. Bell Labs a fost capabil de a construi un vehicul experimental bazat pe toate de aceeași niobat de litiu, folosind tehnica de multiplexare corelare, cu toate acestea, deoarece densitatea de înregistrare de aproximativ 226GB pe inch pătrat.

O altă dificultate întâmpinată în crearea de dispozitive de memorie holografice a fost de a găsi un material adecvat pentru operatorul de transport. Cele mai multe cercetări în domeniul holografie au fost efectuate cu utilizarea materialelor fotoreactivi (în principal niobat de litiu menționată mai sus), dar dacă acestea sunt potrivite pentru înregistrarea de imagini holografice de bijuterii, atunci acest lucru nu poate fi spus cu privire la înregistrarea informațiilor, chiar și în dispozitive comerciale: acestea sunt scumpe, au o sensibilitate scăzută și o gamă dinamică limitată (lățime de bandă de frecvență). Prin urmare, am dezvoltat o nouă clasă de materiale fotopolimer cu perspective bune în ceea ce privește aplicații comerciale. Fotopolimeri sunt substanțe care, sub acțiunea luminii suferă schimbări ireversibile conduc la fluctuații în compoziția și densitatea. Prin materiale au un ciclu de viață mai lungă (în ceea ce privește stocarea informațiilor înregistrate pe ele), și sunt rezistente la temperaturi și au proprietăți optice îmbunătățite, în general, potrivite pentru date de scriere o dată (WORM).

Și, în sfârșit, o problemă mai - complexitatea sistemului optic utilizat. Astfel, LED-urile care nu pot fi bazate pe lasere semiconductoare utilizate în dispozitive optice convenționale, deoarece acestea au o capacitate insuficientă, furnizează un fascicul cu divergență ridicată și, în final, un laser semiconductor, radiația generată la mijlocul intervalul spectrului vizibil, foarte dificil de obținut pentru memoria holografică. Este nevoie, de asemenea, un laser puternic, oferind un fascicul mai paralel poate fi. Același lucru se poate spune modulatori de lumină spațială: Până de curând, nu a existat nici un astfel de dispozitiv, care ar putea fi utilizate în sistemele de memorie holografice. Cu toate acestea, timpul se schimba, iar astăzi a devenit disponibil ieftin lasere solid-state, a apărut tehnologia microelectromechanical (MEM - Micro-electrice mecanice, dispozitive bazate pe ea sunt matrici de dimensiune micromirrors de aproximativ 17 microni), nu ar putea fi mai potrivite pentru rolul SLM.

Deci, beneficiile de noua tehnologie este mai mult decât suficient: în plus, aceste informații sunt stocate și citite în paralel, este posibil să se atingă viteze foarte mari și, în unele cazuri, cu acces aleator de mare viteză. Si cel mai important - nu există practic componente mecanice, caracteristice custozii actuale de informații (de exemplu, fuse cu un număr foarte mare de rotații). Acest lucru asigură nu numai accesul rapid (pentru o anumită tehnologie precisă de a spune instant) de date, probabilitate mai mică de eșecuri, dar, de asemenea, consumul de energie mai mic, deoarece acest lucru este hard disk - una dintre cele mai mari consumatoare de energie componente ale calculatorului. Cu toate acestea, există dificultăți cu alinierea optică, astfel încât la început aceste dispozitive sunt susceptibile de a fi în continuare „frică“ terțe părți „efecte mecanice“.

memorie molecular

O altă abordare radical diferită în crearea de dispozitive de stocare - moleculare. Un grup de cercetatori in centru „W.M. Keck Centrul pentru moleculara Electronic“ sub conducerea profesorului Robert R. Birge (Robert R. Birge) deja ceva timp în urmă a avut un prototip al subsistemului de memorie, utilizat pentru a stoca molecula de biți digitale. Aceasta este - o molecula de proteina, numita bacteriorodopsină (bacteriorodopsină). Are o culoare purpurie, absoarbe lumina și este prezentă în membrana microorganismului, numit halobacterium halobium. Acest microorganism „rezident“ în sare marshes unde temperatura poate ajunge la +150 ° C Atunci când nivelul de conținut de oxigen din mediul este atât de scăzută încât este imposibil să se obțină utilizarea energiei respirație (oxidare), se folosește pentru proteina fotosinteză.

Bacteriorodopsină a fost ales deoarece photocycle (secvență de schimbări structurale care molecula suferă reacția cu lumina) face ca această moleculă elementul de memorie logica ideală de tip „“ sau trecerea de la un tip la altul stare (de declanșare). Ca de cercetare Birge, bR-stat (valoarea unui bit logică „0“) și Q-stat (valoarea logică „1“ bit) sunt stări intermediare ale moleculei și poate rămâne stabilă timp de mai mulți ani. Această proprietate, în special, oferă o stabilitate uimitoare a proteinei, și a fost achiziționată într-un mod evolutiv în lupta pentru supraviețuire în mediul dur al mlaștinilor sare.

Conform estimărilor Birge, datele înregistrate de pe dispozitivul de stocare bacteriorodopsină trebuie să fie stocate timp de aproximativ cinci ani. O altă caracteristică importantă a bacteriorodopsină este că aceste două state au spectre de absorbție semnificativ diferite. Acest lucru îl face ușor pentru a determina starea actuală a moleculei cu un laser acordat pe frecvența corespunzătoare.

sistem de memorie prototip a fost construit în care se stochează datele baktsriorodopsin într-o matrice tridimensională. O astfel de matrice este o cuvă (recipient transparent) gel poliakridnym umplut în care este plasat proteine. Celula are o dimensiune de 1x1x2 inch alungit. Proteina, care este în bR-stat, fixate în spațiu în timpul polimerizării gel. Cuva este înconjurat de o baterie de lasere și matrice detector, construit pe baza dispozitivului care utilizează principiul injectiei de încărcare (CID - Charge Injection Dispozitiv), care servesc pentru înregistrarea datelor și de citire.

La înregistrarea de date este mai întâi necesar să se aprindă galben „paging“ cu laser - pentru transferul de molecule în Q-stat. Un modulator de lumină spațială (SLM), care, așa cum sa menționat anterior, este o matrice LCD creează o mască în calea fasciculului, determină apariția activă (agitat) în planul materialului din interiorul celulei. Acest plan activ de energie este o pagină de date, care poate se amestecă pic 4096x4096 matrice. Înainte de a reveni proteina să se odihnească (în care poate fi destul de o lungă perioadă de timp, păstrarea informațiilor) se aprinde roșu, laserul de înregistrare, este în unghi drept față de galben. Un alt SLM afișează date binare și, astfel, creează în calea fasciculului corespunzătoare masca, astfel încât radiația va suferi doar anumite pete (puncte) ale paginii. Moleculele din aceste locații vor fi transferate la Q-stat, și va fi unul binar. Restul paginii se va reveni la starea inițială BR-și va reprezenta zerouri binare. Pentru a citi datele, este necesar să se aprindă din nou laserul pagina, ceea ce se traduce pagina de om care poate fi citit în Q-stat. Acest lucru este de a se asigura că, în viitor, utilizând diferența în spectrele de absorbție pentru a identifica cele binare și zerouri. Prin 2ms după această pagină „înmuiată“ în joasă intensitate de ieșire de lumină laser roșie. intensitate scăzută este necesară pentru a preveni „Jumping“ a moleculelor în Q-stat. Molecule reprezentând un zero binar, absorb lumina roșie reprezentând una binară și a trecut de fasciculul în sine. Acest lucru creează o „tablă de șah“ model de pete de lumină și întuneric pe LCD-matrice, care captează pagina de informații digitale.

Birg însuși susține că sistemul său propus de viteză aproape de memorie semiconductoare până când o defecțiune pagină. La detectarea unui astfel de defect este de a redirecționa fasciculul pentru a accesa aceste pagini, pe de altă parte. Teoretic, celula, care a fost deja menționat, poate găzdui date 1TV. privind limitările de capacitate asociate în principal cu problemele sistemului de lentile și de proteine ​​de calitate.

Va memoria moleculara pentru a concura cu memorie semiconductoare conventionale? Design-ul său are cu siguranță unele avantaje. În primul rând, se bazează pe o proteină, care este produsă în cantități mari și la un preț accesibil, care este facilitată prin inginerie genetică. În al doilea rând, sistemul poate funcționa într-un interval de temperatură mai mare decât memoria semiconductor. În al treilea rând, datele sunt stocate permanent - chiar dacă opriți sistemul de stocare a energiei, aceasta nu va duce la pierderea de informații. În cele din urmă, cuburi cu datele având o dimensiune mică, dar conține gigabiți de date pot fi plasate în arhivele pentru stocarea de copii (cum ar fi bandă). Deoarece cuburile nu conțin piese în mișcare, este mai convenabil decât folosind un dispozitiv portabil de hard disk sau de cartușe de bandă.

Pe baza materialelor din revista „BYTE“