По волнам холопамяти

(Март 2003)

Про технологию голографической памяти — которая давно грядет, но все никак не придет.

cover

Устройства хранения информации на основе лазерной оптики уже на протяжении двух десятков лет, со времени появления CD в начале 1980-х, входят наряду с магнитными накопителями в базисный набор современных технологий внешней памяти.

Но как для магнитных носителей, так и для CD, и для более продвинутой на этой основе технологии DVD, всегда присутствуют принципиальные ограничения на емкость хранения, вызванные особенностями методов записи, по сути своей «плоских», т.е. размещающих информацию лишь на поверхности запоминающей среды. Как известно, эти неудобства обычно преодолеваются «в лоб» — двусторонней записью, установкой пакета параллельных пластин в жестком магнитном диске или нанесением нескольких полупрозрачных слоев в DVD.

Одновременно, однако, уже многие годы ученые и конструкторы работают над созданием принципиально иной технологии хранения информации, получившей название голографическая память и задействующей не поверхность, а весь объем запоминающей среды. Благодаря голографическому методу записи/считывания появляется возможность не только существенно увеличить емкость хранения информации, но и скорость ее обработки.

Зачем?

Вполне очевидно, что на сегодняшний день в такого рода высокопроизводительных системах хранения имеется ощутимая потребность сразу в нескольких областях — в вещательной индустрии, переходящей на цифровые форматы; в видеозаписи высокой четкости, требующей примерно в 10 раз более высоких объемов памяти, нежели занимают нынешние фильмы формата DVD; в разнообразных формах мультимедиа-контента, усложняющегося вместе с ростом пропускной способности широкополосных сетей. Наконец, нельзя не упомянуть и саму по себе бездонную область видеоигр в условиях виртуальной реальности.

Holography

Голографическая память (или кратко холопамять) в принципе дает возможность размещения 1 терабайта, т.е. триллиона байтов даных в кристалле размером с кубик сахара. Говоря другими словами, 1 терабайт — это суммарная емкость более чем 1000 компакт-дисков.

Причем, что любопытно, сама идея голографического устройства хранения была впервые выдвинута ученым-исследователем фирмы Polaroid Питером ван Хеерденом (Pieter J. van Heerden) еще в начале 1960-х годов, т.е. задолго до появления технологии CD.

Примерно десятилетие спустя, в начале 1970-х разработчики из исследовательского центра RCA Laboratories сразу на двух примерах продемонстрировали практическую работоспособность концепции, записав 500 голограмм в кристалл ниобата лития, легированный атомами железа, и еще 550 голограмм с картинками высокого разрешения в особый светочувствительный полимерный материал.

Однако дальнейшее развитие технологии на много лет оказалось заторможенным. С одной стороны, из-за отсутствия дешевых решений, пригодных к массовому производству. С другой же — вследствие стремительного развития недорогих технологий магнитной, полупроводниковой, а затем и лазерно-оптической памяти.

Как?

Прогресс последней, правда, невольно способствовал и возрождению интереса к голографическим методам хранения информации. В течение 1990-х годов сразу несколько серьезных ведомств и компаний, в первую очередь американское военное Агентство передовых исследовательских проектов (DARPA), корпорация IBM и исследовательский центр Bell Labs фирмы Lucent существенно продвинулись в создании практичной технологии холопамяти.

Прототипы голографических устройств хранения или HDS (от holographic data storage), созданные за последнее десятилетие, слегка различаются в деталях, однако все построены на основе единой концепции и сходных базовых компонентов.

Record-Read

Для всех современных устройств HDS характерно использование следующих ключевых элементов: лазер, расщепитель луча для разделения лазерного пучка, зеркала для направления лазерных лучей, жидкокристаллическая панель в роли пространственного модулятора света, линзы для фокусировки лазерных лучей, кристалл ниобата лития или фотополимер в роли запоминающей среды, фотодетектор для считывания информации (камера с ПЗС- или КМОП-матрицей).

При записи данных, когда лазер генерирует луч, расщепитель (полупрозрачное зеркало) создает два когерентных, т.е. согласованных по длине волны лазерных пучка. Один, именуемый объектным или предметным лучом, идет в пространственный светомодулятор (ПСМ), преобразующий подлежащие записи биты данных в массив темных и светлых пиксел. Сейчас в качестве ПСМ обычно выступает жидкокристаллический дисплей, размещающий данные в виде страницы размером порядка 1 миллиона битов.

Вся эта информация целой страницей переносится в предметном луче далее, к светочувствительной среде (кристалл ниобата лития или полимер). Второй луч, именуемый опорным лучом, проходит по собственной «обходной» траектории и также падает на записывающий кристалл. В месте схождения двух лучей создается интерференционная картина, которая и записывается в устройство хранения как голограмма страницы данных. Небольшими изменениями угла наклона опорного луча или изменением длины волны лазера в тот же кристалл можно записывать множество других страниц данных.

Data-Page

Важным преимуществом системы голографической памяти является то, что и считывание целого массива информации (страницы) происходит очень быстро, одним разом. Для того, чтобы извлечь и восстановить данные, хранимые в виде голограммы, опорный луч освещает кристалл точно под тем же углом, под которым он находился при записи страницы. Лишь в этих условиях луч будет преломлен кристаллом именно так, что будет воссоздано записанное изображение нужной страницы. Восстановленная страница проецируется в фотодетектор — сейчас это обычно ПЗС-матрица камеры, которая интерпретирует и передает считанную двоичную информацию в компьютер.

Ключевым моментом для любой системы голографического хранения данных является мультиплексирование, т.е. наложение множества страниц в одну запоминающую среду, что обеспечивает огромную емкость холопамяти. По сути дела, это напоминает проецирование множества картинок на один и тот же кадр фотопленки, однако здесь манипуляции опорным лучом позволяют выделять каждый снимок-голограмму индивидуально.

Ясно, что описанная технология радикально отличается от ныне используемых сразу в нескольких аспектах. Во-первых, наложение сотен голограмм друг на друга означает хранение существенно больших объемов информации в носителе малого размера. Во-вторых, данные записываются и считываются в параллели большими порциями, что существенно увеличивает скорость обработки.

И что самое главное, в отличие от традиционных запоминающих устройств, все это обеспечивается не увеличением скорости вращения механических деталей, ростом частоты сканирования или уменьшением размеров физического носителя бита информации, а просто принципиально иным методом хранения данных на основе волновой интерференции.

Кроме того, голографическая природа записываемых образов обеспечивает избыточность информации (т.е. повышенную стойкость к локальным повреждениям носителя), поскольку каждый бит данных хранится не в конкретной ячейке, а распределенным по всей интерференционной картине.

Почему нет?

В принципе, сегодня уже можно говорить, что разработчикам после более чем 30 лет исследований практически удалось создать настольную систему голографического хранения информации (в начале статьи представлена фотография полностью работоспособного демонстрационного прототипа, целиком изготовленного из серийно выпускаемых промышленностью деталей).

Однако, в массовое производство холопамять по сию пору так и не запущена.

К примеру, корпорация IBM пару лет назад обещала ориентировочно в 2003 году вывести на рынок небольшие по размеру устройства HDS. Предполагалось, что первоначально накопители подобного рода будут вмещать 125 гигабайтов данных и обеспечивать скорость передачи порядка 40 Мбит в секунду. Со временем емкость будет доведена до 1 терабайта, а скорость обмена превысит 1 Гбит/сек, т.е. для считывания полнометражного фильма формата DVD понадобится лишь 30 секунд. Но увы — сроки подошли, а в IBM, похоже, предпочитают не вспоминать о своих сравнительно недавних прогнозах.

Почему же на разработку и внедрение голографической памяти потребовалось так много времени?

Для ответа на этот вопрос имеет смысл начать издалека и вспомнить, что когда сама идея HDS была впервые предложена, компоненты для сооружения подобного устройства были намного крупнее по размерам и значительно дороже в цене. Например, лишь один лазер для такой системы в 1960-е годы имел длину порядка 2 метров.

Теперь же, благодаря прогрессу бытовой электроники, в HDS можно применять компактные твердотельные лазеры, похожие на те, что используются в приводах CD. Технологии жидкокристаллических дисплеев просто не было до 1968 года, а первые образцы были чрезмерно дорогими. Понятно, что нынешние ЖК-панели не только значительно дешевле, но и несравненно богаче в своей функциональности.

Наконец, светочувствительные сенсоры на основе ПЗС-матриц вообще были недоступны до начала 1990-х годов. Короче говоря, относительно недорогое устройство HDS, пригодное для массового производства, появилась возможность создать из типовых компонентов лишь с десяток лет назад. При этом методы голографической записи и по сию пору остаются очень дорогими, а светочувствительная среда — чересчур нежной для широкого распространения в быту.

Плюс к этому имеются и другие довольно серьезные технические проблемы, которые разработчикам холопамяти удалось преодолеть далеко не полностью.

Например, если в одном кристалле хранится слишком много страниц информации, то интенсивность каждой отдельно взятой голограммы понижается. Одновременно, если голограмм много, а опорный луч, используемый для считывания страницы, немного сместился и падает не в точности под нужным углом, то нужную страницу заполняет значительный шум искажений от голограмм, хранящихся по-соседству.

Задача точнейшей сонастройки компонентов — уже сама по себе весьма нетривиальная техническая проблема для недорогой, массово тиражируемой системы.

Когда?

Таким образом, несмотря на ощутимый прогресс отдельных исследовательских групп, общий фон технологии голографической памяти продолжает оставаться не слишком ярким.

Самым заметным событием последнего времени стала выставочная демонстрация весной 2002 года, когда полностью работоспособный прототип системы HDS под названием Tapestry представила американская компания InPhase Technology. Эта фирма организована в 2000 году как коммерческое ответвление Bell Labs специально для продвижения на рынок разработанной в данном центре технологии холопамяти.

Созданные здесь привод и голографический диск Tapestry имеют привычный размер стандартного CD, но емкостью 125 гигабайтов (примерно 30 полнометражных фильмов формата DVD). В этом устройстве применяется особая технология мультиплексирования изображений, не распределяющая их равномерно по всему носителю, а локализующая в отдельных небольших зонах на диске, почему этот метод и получил название «мультиплексирование смещением носителя».

Благодаря фотополимеру собственной разработки Bell Labs, диск однократной записи удалось сделать сравнительно недорогим — ценой порядка 10 долларов. Как надеются в InPhase, к 2004 году им удастся окончательно отшлифовать продукт и начать продажи новых накопителей на профессиональном видеорынке, а в будущем лицензировать свою технологию более мощным производителям для выхода на другие секторы рынка, включая и потребительский.

Впрочем, несмотря на очевидный успех выставочной демонстрации, компании все еще предстоит решить весьма серьезные проблемы, препятствующие массовому распространению технологии.

Одна из главных проблем — светочувствительность записывающей среды. В отличие от нынешних болванок CD-R или CD-RW, чистые голографические диски приходится держать в светонепроницаемых пластиковых упаковках, подобно непроявленной фотопленке.

Другая очень существенная проблема — с тиражированием, поскольку в технологии Tapestry нет эквивалента мастер-диска, с которого делается матрица для штамповки миллионов идентичных копий. Говоря иначе, здесь пока нет возможности для массового выпуска игр или высокой четкости фильмов для потребительского рынка.

Естественно, в InPhase активно работают над разрешением этих трудностей, имеются очень перспективные идеи, однако готовых решений пока не продемонстрировано. Зато несколько месяцев назад успешно решена другая жизненно важная проблема — найти источники финансирования для того, чтобы компания элементарно могла дожить до 2004 года, когда у InPhase должны появиться собственные доходы.

В качестве стратегического инвестора фирмы решил выступить гигант Hitachi Maxell, а Национальный институт стандартов и технологий (НИСТ) США добавил еще 2 миллиона долларов целевым грантом на ускоренную разработку перезаписываемой холопамяти, которая должна появиться в течение ближайших 2 лет.

Так что уже в обозримом будущем можно ожидать поступления в продажу разнообразных вариантов емких ЗУ на основе голографии. Правда, память тут же подсказывает, что подобные прогнозы на протяжении последних лет пятнадцати делались неоднократно — и все без каких-либо реальных последствий.

Удастся ли InPhase сдержать свои обещания? Что ж, поживем-увидим.

The END

Post Scriptum

В конце 2011, после нескольких неудачных попыток выйти на рынок, компания InPhase объявила о банкротстве. Все ее активы были выставлены на торги через аукцион, и в 2012 перешли к новой фирме-стартапу Akonia Holographics, которой руководят те же люди, что работали в InPhase.

Дополнительные материалы о любопытных аспектах голографии в целом и голографической памяти в частности, см. в текстах:

Полная запись (kniganews.org/map/e/01-11/hex74/)

Ассоциативная холопамять (kniganews.org/map/e/01-11/hex77/)