Подсистемы хранения данных
Голографическая запись
Евгений Патий
"Экспресс Электроника"
Сегодня наблюдается бурный рост рынка носителей информации, предназначенных для корпоративных пользователей. Это неудивительно, поскольку увеличиваются объемы обрабатываемых данных, которые необходимо каким-то образом хранить.
Особый сегмент рынка составляют средства для резервного хранения информации. Наибольшее распространение получили такие решения для резервирования данных, как жесткие диски и ленточные носители.
Первый метод выбирают компании с ограниченным бюджетом на IT, второй — предприятия, ставящие во главу угла надежность и безопасность. Однако совершенно очевидно, что существующие подходы уже не могут справиться с нарастающими объемами информации и обеспечить быстрое оперативное резервирование, сделать «слепок во времени».
Сегодня необходим качественный прорыв в технологиях хранения. И если с объемом ситуация разрешима — в конце концов можно увеличить число жестких дисков или ленточных кассет для резервирования, то скорость уже давно стала узким местом всего процесса резервирования. Реалии требуют универсального накопителя, сопоставимого или превосходящего по объемам жесткий диск и ленточный картридж, но выполняющего процедуры записи и считывания с гораздо большей скоростью. Решить проблему могут устройства на основе голографических технологий.
Еще пять лет назад начались работы в этой области: в 2000 году на рынке технологий хранения данных возникла новая компания InPhase Technologies, приступившая к созданию устройств записи данных принципиально нового типа. Новый разработчик появился не на пустом месте — о создании этого небольшого предприятия объявила корпорация Lucent Technologies.
InPhase занялась созданием голографических систем хранения на основе технологии, разработанной в бюро Bell Labs. В отличие от существующих методов записи информации на поверхность диска, новая технология позволяет использовать всю толщину материала, то есть запись ведется не по поверхности, а по объему. Помимо многократного увеличения плотности записи, данная разработка предоставляет возможность повысить скорость считывания информации — за один «машинный отсчет» с носителя можно скачать до 1 млн бит информации.
К сегодняшнему дню появились готовые решения, разработанные InPhase в сотрудничестве с Maxell, в частности оптические носители, использующие голографический метод. По заявлению разработчиков, с применением данной технологии на пятидюймовый оптический диск можно записать 1,6 Тбайт информации при пропускной способности до 120 Мбайт/с. В сочетании с невысокой ценой хранения за 1 Гбайт и обеспечением успешного чтения данных более чем через 50 лет после записи эта технология выглядит весьма перспективной. Но все же интересно, откуда появилась цифра «50», если с начала работ до появления коммерческих изделий не прошло и шести лет?
Технология голографической записи позволяет реализовывать разнообразные приложения, например, использовать носители разнообразных форм-факторов (помимо дисков, это могут быть, скажем, карты и другие типы накопителей) или лазеры с различной длиной волны (красные, зеленые и голубые). Первое поколение голографических носителей появилось в сентябре 2006 года. InPhase Technologies и Hitachi Maxell Conduct (партнер и инвестор InPhase Technologies) провели испытания действующей технологии совместно с компанией Turner Entertainment Networks, одним из ведущих игроков на рынке телевещания. Новая голографическая система хранения данных получила название Tapestry. Ее демонстрация оказалась довольно простой, но наглядной. На диск Tapestry специалисты записали рекламный ролик, который впоследствии переписывался на сервер и в заданное время воспроизводился в трансляционной сети Turner Entertainment Networks. Как отметил вице-президент Turner Entertainment Networks Рон Тарасов (Ron Tarasov), «демонстрация проводилась для того, чтобы показать возможности голографических систем хранения данных с точки зрения трансляции телевизионного контента. Голографические носители — идеальный способ хранения видеороликов в высоком разрешении, так как огромная емкость голографических дисков позволяет нам хранить телепрограммы в виде файлов, а скорость передачи данных подразумевает очень быстрое чтение и запись с диска и на диск».
Специалисты подсчитали, что один диск Tapestry способен хранить до 26 часов видеоматериала высокого разрешения в качестве, приемлемом для телевещания, — подразумевается диск емкостью 300 Гбайт, записанный с потоком 160 Мбайт/с.
Отгрузки дисков Tapestry емкостью 300 Гбайт начнутся в конце текущего года, а нынешний уровень развития технологий голографической записи допускает емкость до 1,6 Тбайт при потоке до 960 Мбайт/с. Разработчики обещают, что в массовом сегменте это произойдет к 2010 году. Одним из последних шагов InPhase Technologies на пути коммерциализации голографической технологии стало заключение соглашения с австрийской компанией DaTARIUS, которая занимается разработкой и производством тестового оборудования для оптических дисков. Голографические тестовые системы используются в производственном процессе для того, чтобы убедиться, соответствует ли качество оптического носителя определенным требованиям. Что ж, технология действительно интересная и перспективная, а значит, имеет смысл рассмотреть ее во всех подробностях.
Как известно, современные методы записи основаны на последовательных принципах: в каждый момент времени на поверхность плоского носителя может быть записан только один бит информации (мы не рассматриваем случаи с множеством головок записи, при которых имеет место «квазипараллельный» процесс). В то же время голографический метод выглядит как действительно параллельный: единственная вспышка лазера формирует пространственную запись миллионов битов информации. Различие существенно: один бит на поверхности носителя или же миллионы битов в пространстве, ограниченном структурой носителя.
Схема 1. Принцип голографической записи
В общих чертах принцип голографической записи InPhase Technologies выглядит достаточно просто (схема 1). Световой поток разделяется на два луча: сигнальный и референсный; сигнальный луч обеспечивает запись данных, референсный остается неизменным. Цифровые данные формируют «образ» сигнального луча при помощи специального устройства — пространственного светового модулятора (Spatial Light Modulator, SLM), который преобразует последовательность нулей и единиц, составляющих страницу данных, в массив черных и белых точек.
Грубо говоря, создается подобие решетки, в которой просветы соответствуют очередной порции цифровых данных, а сквозь эту решетку просвечивает сигнальный луч, имеющий на выходе точную копию текущего состояния решетки в SLM. Разумеется, чем больше разрешающая способность пространственного светового модулятора, тем большую порцию данных может запечатлеть сигнальный луч в текущий момент времени, но на сегодня эта способность исчисляется миллионами битов.
После преобразования в SLM уже несущий определенную информационную нагрузку сигнальный луч проецируется на физический носитель. В точку проекции направляется и референсный луч, пересекаясь в ней с сигнальным. В этот момент происходит химическая реакция и, как следствие, запись информации на носитель, причем там, где в SLM была непрозрачная точка. Отпечатка на носителе не остается, иначе соответствующая точка «выжигается». Если изменять длину волны референсного луча, угол его наклона или пространственное положение носителя, в один момент времени можно записать множество разных голограмм. Процесс записи данных на поверхности и в глубине носителя назвали мультиплексированием.
Кстати, есть несколько способов выполнения мультиплексирования, например при помощи варьирования угла наклона референсного луча. К сожалению, неизвестно, какова степень мультиплексирования и как, например, «толщина» одной записанной голограммы соотносится с толщиной носителя, ведь, если предположить, что один молекулярный или атомарный слой соответствует одной голограмме, это могло бы стать настоящей революцией на рынке хранения данных.
Схема 2. Считывание записанных данных
Считывание записанных голограмм обеспечивается одним референсным лучом, который создает отражение записанной голограммы и проецирует его на особый чувствительный элемент (схема 2). Этот же элемент преобразует попадающую на него «решетку» в последовательность битов, а чтение голограмм на различной глубине носителя обеспечивается тем же способом, который применялся и при записи, — изменением угла наклона референсного луча и т.
д.
Естественно, для воплощения идеи голографической записи потребовалось разработать особый тип носителя, который бы сочетал большую светочувствительность, прочность, дешевизну производства и стабильность. Немаловажны и линейные размеры носителя, поэтому специалисты InPhase Technologies решили, что оптимальным вариантом будет использование фотополимерных дисков, заключенных в особые картриджи, — примерно как в свое время DVD-RAM. Диаметр голографического диска ненамного превышает диаметр современных CD- и DVD-дисков и составляет 130 мм. Необходимо подчеркнуть, что сам диск полностью находится в «темном» картридже и попадание света на поверхность фотополимера вызовет химическую реакцию, способную разрушить записанные данные.
На сегодня имеются лишь устройства одноразовой записи, но InPhase Technologies уверяет, что в 2008 году появятся и перезаписываемые носители. Компания-разработчик Tapestry уделила огромное внимание безопасности информации, благо кое-какие аспекты присутствовали изначально, в силу самой природы процессов голографической записи-чтения.
Во-первых, при голографической записи невозможно получить прямой доступ к носителю, в отличие от жестких дисков и CD, — данные находятся в глубине носителя, что уже намного усложняет попытки несанкционированного доступа.
Кроме того, InPhase Technologies озаботилась логическими методами обеспечения безопасности. Каждый накопитель Tapestry снабжен особой микросхемой, в которую занесена информация о размещении данных на диске. При чтении привод в первую очередь обращается к этой информации, а если, например, ее зашифровать с учетом определенных условий, считать данные окажется невозможно (без необходимых сведений для доступа). То же происходит и в случае повреждения информации в микросхеме — в бытовых условиях диск станет нечитаемым, хотя путем определенных усилий информацию все-таки можно спасти.
Помимо этого, имеется и более примитивный метод — нанесение особых меток, которые также необходимо считать и распознать.
На более глубоком уровне защиты расположены уникальные метки с определенными координатами. Для того чтобы взломать этот вид защиты, требуется красный лазер, недоступный в массовых приводах Tapestry, — иначе, без знания координат «секретных» меток, данные считать невозможно.
Весьма эффективна защита, основанная на изменении длины волны лазера (в диапазоне 403–407 нм). Привод, в котором используется лазер с «несоответствующей» длиной волны, диск прочитать не сможет. Более того, возможны даже такие меры, как привязка диска к микропрограмме конкретного привода, — также при помощи особых встроенных средств защиты.
Голографическая технология InPhase Technologies выглядит достаточно впечатляюще, особенно если «примерить» все возможности Tapestry на потребности корпоративного рынка: высокая емкость, высокая скорость записи-чтения информации, средства защиты от несанкционированного доступа.
Остается надеяться, что конечные продукты попадут в приемлемую ценовую категорию и будут востребованы на рынке СХД.
По материалам InPhase Technologies
