14 лет назад 20 октября 2004 в 1:25 105

Наученные опытом последнего десятилетия, мы понимаем, что объем накопителя не может быть слишком большим, а скорость его работы никогда не бывает избыточной. У нас всегда будет слишком много данных, и мы всегда будем недовольны приводом, который не может считать или записать данные так быстро, как нам бы хотелось.

МАГНИТНАЯ ЗАПИСЬ
На данный момент существует три основных категории накопителей – магнитные, твердотельные и оптические. Самый серьезный кризис, похоже, грозит первым. В категорию магнитных попадают стримеры, флоппи-диски, винчестеры, ZIP-диски и им подобные. Уже сейчас ясно, что большинство устройств этой группы обречено на постепенное вымирание.

Причин тому несколько, но наиболее очевидны три из них: малая емкость, низкая надежность и высокая цена. Более подробно об исчезающих устройствах читайте в специальной статье этого номера. Лишь два типа устройств из этой группы по-прежнему остаются перспективными: жесткие диски и недавно разработанный стандарт D-VHS.

КРЕПКИЙ СТАРИК HDD
Если не произойдет ничего экстраординарного, в ближайшие пять лет жесткие диски по-прежнему останутся основными устройствами для хранения больших объемов информации. Скорее всего, они полностью перейдут на интерфейс Serial-ATA (который будет совершенствоваться), увеличится их емкость и скорость работы.

Доля компактных 2,5-дюймовых жестких дисков возрастет, помимо ноутбуков они начнут широко использоваться в составе обычных компьютерных систем. Кроме того, появляются миниатюрные жесткие диски формата менее 2″. Как бы то ни было, реальных альтернатив старому механическому приводу с жесткими дисками на быстро вращающемся шпинделе пока нет.

DIGITAL-VHS
Аналитики утверждают, что 2005 году большинство телеканалов США перейдут на вещание в новом формате – HDTV. Телевидение высокой четкости щеголяет разрешением 1920х1080, что ровно в шесть раз больше стандартного разрешения формата DVD. Если попытаться сохранить такую передачу, то тут же возникнет проблема нехватки свободного места – необходимые пространства измеряются многими десятками гигабайт.

Вместе с тем желающих иметь в домашней коллекции высококачественное видео явно будет предостаточно. Этим и решили воспользоваться несколько известных голливудских студий (Universal, 20th Century Fox), а также прародитель формата VHS – фирма JVC. Одним ударом они решили убить двух зайцев – дать фанатам возможность хранить любимые фильмы в формате HDTV и заодно задействовать простаивающие мощности по производству видеокассет.

По сути, D-VHS – реинкарнация старой идеи стримеров, которые существовали еще в начале 90-х. В них использовалась похожая схема: запись цифровых данных в виде аналогового модулированного сигнала на аудио- и видеокассеты. В технологии D-VHS новым является лишь формат записи, носитель же остался прежним. Отличие заключается в магнитных головках D-VHS-привода: их зазор – 29 микрон против 58 в VHS-головке обычного видеомагнитофона. Соответственно, изменилась электроника, ширина дорожки на ленте и скорость протяжки пленки.

При записи видео в формате D-VHS используется сжатие MPEG-2. Объем кассеты составляет до 50 Гб – этого достаточно для записи 4 часов HDTV-изображения или 49 часов записи с качеством Video CD. (Это определенно пригодится во всевозможных охранных системах.)

Стандарт обладает и обратной совместимостью с предшественником: на приводах D-VHS возможна запись и воспроизведение обыкновенных VHS-кассет. К преимуществам такого накопителя относится, прежде всего, большая емкость и дешевизна изготовления. Недостатков тоже много, и главный – узость сферы применения: накопитель предназначен лишь для хранения цифрового видео. Поскольку стандарт полностью цифровой, D-VHS-кассеты можно применять и для записи обычной информации.

Но для того чтобы переписать упомянутые 50 Гб, вам потребуется около трех часов – у привода слишком низкая скорость чтения. При просмотре фильма это не проблема, но для данных лучше все же воспользоваться жестким диском или пачкой DVD. Другие недостатки накопителя не менее очевидны: обилие движущихся частей, а также высокая подверженность механическому износу и воздействию внешних электромагнитных полей.

МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
В эту группу попадают устройства, сочетающие свойства оптических и магнитных накопителей. В них магнитная запись производится на поверхность диска, предварительно разогретую лазерным лучом. Первые магнитооптические (МО) диски напоминали 3,5-дюймовую дискету, впоследствии они стали похожи на обычные CD.

МО-устройства хороши тем, что почти не боятся магнитных полей и механических повреждений: во-первых, благодаря термическому воздействию данные в них фиксируются надежно, а во-вторых, абсолютное большинство МО-дисков заключено в прочный пластиковый корпус. Они могут использоваться как альтернатива обыкновенным картам памяти для цифровых камер, телефонов, плейеров, КПК и других подобных устройств. Наиболее широкое распространение магнитооптика получила в виде формата MD (Mini Disk) – на диски этого формата часто записывают музыку “в цифре”.

Серьезная проблема МО-дисков – их небольшой объем: до сих пор 1 Гб оставался потолком этой технологии. Помимо этого для разогрева поверхности требуются лазеры значительной мощности, а следовательно, и высокого энергопотребления. Это затрудняет использование пишущих МО-приводов в мобильных устройствах. Пока небольшие физические размеры и цена МО-дисков позволяют им выглядеть хоть сколько-нибудь конкурентоспособно. Но если ситуация с емкостью не изменится – они обречены.

ФЛЭШ-ПАМЯТЬ
Массивы нанотранзисторов, из которых и состоят flash-чипы, значительно менее других носителей подвержены электромагнитным и физическим воздействиям. У флэш-памяти нет движущихся частей, поэтому на циклы чтения/записи тратится очень немного энергии. Это делает ее незаменимым носителем информации в составе портативных устройств.

К недостаткам этих накопителей относится прежде всего высокая стоимость за мегабайт хранимой информации и невысокая скорость работы. Совершенствование технологии производства флэш-памяти позволит в ближайшие два-четыре года создавать компактные чипы объемом несколько десятков гигабайт, но вряд ли этим накопителям удастся вырваться за рамки сектора портативных устройств. Хотя не исключено, что мы увидим флэш-диски в некоторых видах настольных компьютеров и в ноутбуках.

ОПТИЧЕСКАЯ ЗАПИСЬ: ЭВОЛЮЦИЯ
Любой оптический диск содержит информацию в виде чередующихся темных и светлых участков на зеркальной поверхности, защищенной слоем поликарбоната. Нанести их можно разными способами: напечатать с помощью фотолитографии, как в штампованных дисках, выжечь лазером, как в DVD+/-R или CD-R дисках, или изменить прозрачность самого поликарбоната, как в DVD+/-RW или CD-RW. Плотность записи на диск определяется минимальным размером точки.

Каковы преимущества оптической записи? Прежде всего, оптические диски весьма устойчивы к физическим воздействиям и не подвержены влиянию магнитных полей. Благодаря прозрачности защитного слоя данные успешно считываются даже при значительных повреждениях поверхности, и информация утрачивается лишь при разрушении амальгамы. Таких носители легко изготавливаются и стоят дешево.

Использование систем переменной фокусировки лазерного луча позволяет создавать многослойные диски, что дает возможность увеличить емкость носителя в несколько раз. К сожалению, производители в погоне за более низкой ценой легко жертвуют качеством выпускаемых CD/DVD-матриц. С одной стороны, оптическим дискам давно пора обзавестись защитным корпусом, с другой – это повысит их стоимость и потребует выпуска приводов новой конструкции.

BLUE-RAY DVD
19 февраля 2002 года компании Sony, Panasonic, Samsung, LG и другие обнародовали новый формат DVD – Blue-Ray DVD. Это следующая ступень эволюции технологии оптических носителей. Основное отличие Blue-Ray от обычных DVD-дисков в том, что вместо обыкновенного красного лазера с длиной волны 650 нм в нем используется синий лазер с длиной волны 405 нм. В сочетании с некоторыми изменениями активного слоя матриц это дало возможность значительно уменьшить размеры пита и повысить емкость диска до 23-27 Гб против 4,7 Гб обычного DVD.

Это означает, что один Blue-Ray-диск способен хранить 13 часов видео с качеством DVD или два часа видео формата HDTV. Компания Matsushita решила пойти дальше. Пользуясь тем, что информационный слой Blue-Ray-диска очень тонок (около 0,1 мм), инженеры компании решили разместить на диске два таких слоя, сделав один из них полупрозрачным. Переключаться между слоями можно так же, как и в обыкновенных двуслойных DVD – изменяя фокусное расстояние линзы, через которую проходит луч лазера. Таким образом, емкость одного диска возрастает до 50 Гб, а если он будет двусторонним, то и до 100 Гб.

Бумажные DVD

В апреле этого года компании Sony и Toppan Printing анонсировали прототип Blue-Ray – диска емкостью 25 Гб, изготовленного из бумаги. Слухи о такой разработке ходили около года. Впрочем, все оказалось довольно просто. Матрица состоит из 3 слоев: смеси пластика и целлюлозы в качестве основы, информационного слоя и защитного покрытия. Новая разработка значительно снижает стоимость производства дисков, к тому же на бумажную поверхность проще нанести рисунок, и он будет качественнее, чем рисунок на поликарбонате. Такие диски проще утилизировать, они более экологичны.

HD-DVD ОТ TOSHIBA
Toshiba и NEC предлагают свою альтернативу DVD – формат HD DVD, поддержанный DVD-Forum. HD-DVD тоже использует голубой лазер, но пишет на обыкновенные DVD-матрицы. Емкость записанного таким образом диска возрастает до 15-20 Гб. В отличие от Blue-Ray DVD, здесь сохранена совместимость с предшественником: привод HD-DVD способен читать обыкновенные DVD-диски.

HDTV FMD ROM
У Blue-Ray DVD есть еще один конкурент: многослойные флуоресцентные диски для телевидения высокой четкости от компании С3D Inc. Диаметр дисков – 120 мм, емкость – 30 Гб. Технология основана на использовании нескольких (в перспективе – до 100) слоев флуоресцентного материала. Чтение производится путем сбора сигнала при возбуждении слоев обычным диодным лазером. В принципе, это уже похоже на примитивную реализацию голографической памяти: запись ведется не на поверхности носителя, а в его толще. Теоретически такие диски могут достичь емкости в несколько терабайт.

ОПТИЧЕСКАЯ ЗАПИСЬ: РЕВОЛЮЦИЯ
Грядущая революция в оптической записи данных основана на использовании голографии. При этом резко возрастает плотность записи и скорость доступа к данным. Это происходит потому, что голограмма хранит в себе один большой блок данных, который записывается и считывается лазером всего за одно обращение. Теоретически голография позволяет достичь плотности записи до 1 терабайта на кубический сантиметр. На практике же достижимы плотности до 10 Гб, что, впрочем, тоже очень неплохо.

Принцип работы голографического накопителя можно рассмотреть на примере установки из Almaden Research Center. В этом устройстве используется сине-зеленый аргоновый лазер. Его луч разделяется на две части – опорный и предметный лучи. Предметный луч расфокусируется, чтобы он мог полностью освещать шаблон – обыкновенную жидкокристаллическую панель, на которой страница данных отображается в виде матрицы из светлых и темных точек. Затем оба луча направляются внутрь светочувствительного кристалла, где происходит интерференция.

Интерференционная картина и является основой голограммы, она запоминается в виде набора вариаций коэффициента преломления и отражения внутри кристалла. В качестве материала используется ниобат лития.

Для чтения кристалл нужно осветить опорным лучом, который при взаимодействии с интерференционной картиной воспроизводит в плоскость исходную страницу с данными. Ее можно считывать обычными лазерными системами подобно CD- или DVD-диску. Правда, тут есть одна сложность: при чтении опорный луч должен освещать кристалл под тем же углом, что и при записи: отклонения более одного градуса недопустимы.

Чтобы еще больше повысить плотность записи, можно изменять угол, частоту или фазу опорного луча и записывать в одном кристалле не одну, а несколько страниц (эта процедура называется мультиплексированием). Вместе с тем дополнительные голограммы изменяют свойства материала. В результате образы становятся тусклее, что неизбежно ведет к ошибкам.

Именно этим объясняется ограничение на объем записи для каждого конкретного материала. Ниобат лития или галоидное серебро для записи данных малопригодны – они дороги, имеют слабую чувствительность и ограниченный частотный диапазон. Для решения этой проблемы были разработаны специальные фотополимеры, в которых под действием света происходят необратимые флуктуации состава и плотности. Они долговечны и хорошо пропускают свет.

Другая важная проблема – сложность оптической системы. Здесь необходимы мощные лазеры с пучком высокой параллельности и большое количество линз и призм, что повышает стоимость и снижает надежность системы. Несмотря на вышеперечисленные сложности, уже сейчас ряд компаний используют голографическую память на практике.

Японская корпорация Optoware разработала накопитель, работающий с 12-сантиметровыми дисками емкостью до 200 Гб. В этом устройстве используется так называемая поляризованная коллинеарная голография, что позволило отказаться от традиционной двулучевой схемы. Инженеры компании придумали оригинальное устройство – расщепитель поляризованного пучка (PBS), который позволяет объединять сигнальный и опорный лучи так, чтобы они проходили сквозь одну линзу.

Перед линзой установлен оптический вращатель, позволяющий управлять углом поляризации света. Сигнальный и опорный лучи от зеленого лазера, плоскости, поляризации которых смещены на 90°, смешиваются на PBS и направляются на вращатель. В результате между левой частью сигнального и правой частью опорного лучей возникает интерференция, которая и формирует интерференционную картину на светочувствительном слое диска.

Упрощение оптической системы позволило построить привод по той же схеме, что и обычный CD-ROM. Для управления сервоприводом и для чтения обыкновенных CD и DVD используется дополнительный красный лазер.

Американская компания InPase Technologies (дочернее предприятие Lucent Technologies) разработала свой накопитель. В качестве излучателя в нем используется обычный красный или синий лазер с длиной волны 680 или 405 нм соответственно. Сенсором служит КМОП-матрица, аналогичная матрицам некоторых видеокамер. В качестве пространственного светового модулятора используется массив микрозеркал и фотоэлектрических модуляторов, подобный тем, что применяются в цифровых проекторах. Материалом для носителя служит двухкомпонентная полимерная система.

Один из компонентов формирует матрицу, в ячейках которой растворен второй. Под действием света тот полимеризуется. В результате возникает градиент концентрации неполимеризованного компонента, приводящий к образованию оптической структуры с переменным уровнем отражения, колебания которого и хранят в себе информацию. Все так же, как и в обычном CD, только в объеме. Различные типы мультиплексирования позволяют накопителю от InPase Technologies достичь плотности записи свыше 100 Гб на квадратный дюйм.

Японская корпорация NTT (Nippon Telegraph and Telephone) создала Info-MICA (www.info-mica.com) – запоминающее устройство, практически лишенное недостатков, характерных для голографической записи. Здесь не нужна точная аппаратура позиционирования луча, нет проблемы массового тиражирования, а в качестве носителя применяется обычный поликарбонат, такой же, как в CD и DVD. Вместе с тем карточка Info-MICA размером с почтовую марку и стоимостью около $1 обладает емкостью более 1 Гб.

Для записи в данном случае используется тонкопленочная голография. При этом данные в виде матрицы черных и белых точек преобразуются в голограмму и записываются в одном из слоев – волноводов запоминающей среды. Для чтения луч лазера фокусируется на торце нужного слоя. Свет распространяется только внутри одного волновода, поскольку коэффициенты преломления сердцевины слоя и его поверхностей различны.

Структурой выпуклостей и вогнутостей лазерный луч рассеивается, и, поскольку все слои прозрачны, свободно выходит из карточки, формируя на параллельной ей плоскости двумерный образ, который можно считывать и декодировать. Таким образом, данные записаны в объеме, но при чтении выводятся на плоскость. Это позволяет отказаться от дорогой и сложной системы позиционирования. Кроме того, вместо дорогого лазера инженеры NTT обошлись обыкновенным полупроводниковым лазером от обычного привода.

Впервые в голографическом устройстве использован столь дешевый носитель: обыкновенный пластик. В других системах применить его невозможно из-за высокого коэффициента теплового расширения. Здесь же использование пластика позволяет изготавливать недорогие уже записанные карточки таким же способом мастер-печати, что и обычные CD.

Карточка (2x25x25) состоит из ста слоев. Плотность записи в одном слое – 0,08 Гбит на квадратный дюйм. Однако эта цифра может возрасти до 1,7 Гбит, что даст возможность создания карточки размером с SecureDigital и емкостью 25 Гб. Скорость чтения в Info-MICA варьируется от 1,5 до 100 Мбит в зависимости от мощности лазера. NTT планирует начать выпуск карточек на 1 и 10 Гб и приводов для них уже к середине 2005 года.

Запись данных на моток скотча

Прозрачный скотч, оказывается, тоже может хранить данные. По мнению ученых из European Media Laboratory, скотч обладает всеми необходимыми для этого качествами: температурной устойчивостью, высокой чистотой поверхности и оптимальной толщиной. Информация наносятся на разные слои с помощью полупроводникового лазера, причем разматывать ролик не понадобится: достаточно регулировать фокусировку. На обыкновенном мотке липкой ленты можно записать около 10 Гб. Стереть или перезаписать данные на ленте, к сожалению, нельзя, но ничто не мешает использовать ненужный больше ролик по прямому назначению в офисе.

В ближайшие пять лет нас ждут серьезные перемены в технологии оптической записи, обусловленные появлением первых серийных голографических приводов и дисков. Компактные носители для обмена небольшими объемами информации, такие как архаичные дискеты и уже устаревающие CD, будут заменены компактными 8-сантиметровыми DVD-RW-дисками высокой емкости, использующими синий, а возможно, и мягкий ультрафиолетовый лазер. Обычные DVD постепенно уступят место голографическим карточкам. А если удастся разработать оптическую среду, позволяющую быстро перезаписывать такие карточки, то, возможно, придется потесниться и винчестерам.