Оптические запоминающие устройства

Размещено на http://allbest.ru/

Введение

Под запоминающим устройством (памятью) компьютера подразумевается место, где хранятся данные и программы для их обработки. Компьютерная память дискретна, она представлена в виде отдельных ячеек. Наименьшим элементом памяти считается бит - двоичный разряд, содержащий в себе двоичный код (1 или 0). Комбинация из восьми последовательных двоичных разрядов называется байтом.

По способу использования и организации память компьютера разделяется на внешнюю и внутреннюю.

Внешняя память или накопители могут быть внешними, встроенными в корпус ПК, со сменными либо несменными носителями. Несменные жесткие диски, называемые винчестерами, представляют собой механизм, который состоит из механического привода головок записи-чтения, контролера и нескольких носителей. Конструктивно носитель информации представлен в виде нескольких дисков, имеющих по две рабочих поверхности.

К внутренней памяти относят оперативную память (ОЗУ), постоянную память, кэш-память. Под оперативной памятью следует понимать быстродействующее, энергозависимое запоминающее устройство, важнейшей задачей которого является хранение информации, непосредственно принимающей участие в процессах функционирования компьютера. Постоянная память служит для хранения несменной информации: загрузочных программ ОС, программ тестирования устройств ПК. Данное запоминающее устройство позволяет лишь считывать информацию.

Высокоскоростной памятью, которая исполняет роль буфера между микропроцессором и ОЗУ является кэш-память. Она хранит в себе данные полученные микропроцессором и используемые ним в ближайших тактах работы.

1. Оптические запоминающие устройства

Технология производства оптических дисковых накопителей довольно молода, однако, за короткий срок она претерпела значительные изменения. Основу технологии составляет метод записи и чтения при помощи изменения отражения светового потока от оптически структурированных поверхностей. Как и подобает дисковым накопителям, оптические дисковые накопители состоят из собственно носителя и устройства чтения/записи. Носитель может изготавливаться по различной технологии, например, из полимера на который наносится слой оптически структурируемого материала и защитного покрытия. Суть метода записи состоит в придании оптически структурируемому слою определенной структуры, которая, также как и у магнитных дисковых накопителей, организована в виде замкнутых концентрических дорожек, но представляет микроизменения оптических, а не магнитных, свойств однородной поверхности носителя. Дорожки делятся на сектора в которые записываются данные. Считывание производится путем освещения поверхности носителя пучком когерентного монохроматического излучения в простонародии называемом ЛАЗЕРом.

Отраженный луч улавливается специальным фотоэлементом - датчиком или датчиками и преобразуется в электрические сигналы. Так как записанная информация представляет собой микроизменения оптически структурируемого слоя, отраженный луч будет содержать пульсации светового потока, которые преобразуются к соответствующим логическим импульсам при помощи методов кодирования информации, используемых в дисковых накопителях. Конкретная реализация типов накопителей на оптических дисках и их носителей зависит от используемой технологии производства и исходных материалов. В настоящее время, наибольшее распространение получили устройства, позволяющие лишь многократно считывать однократно записанную на носитель информацию. Их общее название - компакт-диски только для чтения (Compact Disk - Read Only Memory - CD-ROM). Запись носителя для таких устройств производится путем механического тиражирования исходной матрицы, получаемой на специальном устройстве записи матриц оптических компакт дисков. Устройства CD-ROM впервые были применены для цифровой записи музыки и только в начале 1990-х они получили широкое распространение в качестве дисковых оптических накопителей информации персональных компьютеров. Устройства, позволяющие производить запись, чтение и перезапись без специальной аппаратуры одним и тем же накопителем называются записывающими компакт-дисками (CD-RAM). Носители таких устройств различаются по технологии исполнения свойствам и стоимости, однако, устройства чтения - дисководы, как правило, позволяют читать как собственные, так и “чужие” диски.

Типичная реализация исполнения устройства - в виде дискового накопителя по форме и размерам совпадающее с таковыми для 5.25 дюймовых накопителей на магнитных дисках. Диаметр обычных информационных дисков - 5.25 дюйма, фотографических дисков - 2 дюйма. Обычно, выпускаемые устройства позволяют читать и музыкальные оптические компакт-диски. Корпус накопителя (1), как правило, располагается внутри системного блока, хотя возможно исполнение в виде внешнего устройства ExternalCD. На передней панели системного блока, в окне для размещения передних панелей устройств, размещается передняя панель устройства CD-ROM. На передней панели располагаются: кнопка (2) выдвигания/задвигания платформы (4) на которой размещается оптический диск (5), кнопка запуска проигрывания музыкальных дисков с первой дорожки.

На передней панели, также, могут располагаться индикаторы режимов работы, кнопки перемещения головок по музыкальному диску, регулятор уровня громкости выходного звукового сигнала наушников и разъем для их подключения. Стандартные носители - диски устройств типа CD-ROM могут иметь различную емкость. Максимальная емкость наиболее распространенных устройств составляет около 600 Мбайт. Скорость обмена данными условно исчисляется в относительных единицах, в сравнении с первой моделью накопителя - 1, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 24 и т.д.. Несмотря на то, что производительность оптических дисковых накопителей постоянно улучшается, скорости чтения и записи пока не хватает, для того, чтобы эти устройства можно было сравнивать с магнитными дисковыми накопителями - жесткими дисками. Поэтому, устройства данного класса используются в качестве архивных, как устройства хранения дистрибутивных поставок программного обеспечения и устройств хранения специфических статических данных. Также, они используются и для выполнения программных модулей непосредственно с компакт-дисков, которые, как правило, используют достаточно большие объемы статических мультимедиа и др. ресурсов. К настоящему моменту, выпущено огромное количество носителей только для чтения, содержащих огромные объемы информации.

2. Классификация оптических ЗУ

Классификация оптических накопителей информации приведена на рис.1. 

Рис.1. Классификация оптических накопителей информации

Один из первых оптических накопителей информации - видеопластинка Laservision фирмы Philips, представляла собой плексигласовый диск диаметром 20 или 30 см с тонким алюминиевым слоем, покрытым защитной пленкой из лака. При нанесении информации в алюминиевом слое делаются углубления, располагаемые вдоль дорожек, как в обычных грампластинках. Отличие заключается в том, что, во-первых, дорожки начинаются в центре пластинки и, во-вторых, что они наносятся лазерным лучом - ширина дорожки при этом составляет 0,4 микрона, расстояние между дорожками -1,6 микрона. При таких размерах на одном миллиметре радиуса располагаются 600 дорожек. При считывании информации лазерный луч по-разному отражается от основной ровной поверхности (0) и от углублений (1). 

Для считывания информации применяются два различных способа: 

CAV (Constant Angular Velocity) - считывание при постоянной угловой скорости; 

CLV (Constant Linear Velocity) - считывание при постоянной линейной скорости. 

При CAV пластинка имеет постоянную угловую скорость 1500 об/мин. Дорожки расположены кольцеобразно, каждая дорожка отводится для отдельного видеоизображения, независимо от длины дорожки. На одной стороне пластинки при этом умещаются 54 000 изображений для воспроизведения в течение 36 мин. 

При CLV угловая скорость меняется: при чтении внутренних дорожек она равна 1500 об/мин, при чтении внешних - 500. На пластинке имеется всего одна спиралеобразная дорожка (от центра наружу). Продолжительность времени воспроизведения увеличивается до 60 мин, но теряется возможность прямого доступа к отдельным изображениям. 

Видеокомпакт-диски (CDV - Compact Disk Video) предназначены для воспроизведения на специальном видеопроигрывателе. При диаметре диска 12 см на него наносится двадцатиминутная цифровая запись звука и шестиминутный аналоговый видеосигнал; при диаметре диска 20 см на нем содержится двадцатиминутная запись аналогового видеосигнала и цифрового звукового сопровождения; при диаметре диска 30 см емкость диска такая же, как у видеопластинки Laservision. 

Компакт-диск СDROM (Compact Disk - Read Only Memory) содержит информацию только в цифровом виде. Диск имеет прозрачную поликарбонатную основу толщиной 1,2 мм и диаметром 8 или 12 см. Конструкция аналогична пластинке Laservision, работает по принципу CLV, угловая скорость изменяется от 200 до 500 оборотов в минуту. На одном дюйме по радиусу умещается 16000 дорожек (тогда как на одном дюйме флоппи-диска - всего 96). Емкость компакт-диска составляет около 650 Мбайт. 

Компакт-диск CD-ROM/XA (eXtended Architecture) отличается от CD-ROM тем, что информация перед нанесением на диск подвергается сжатию. Диск может содержать двоичные коды, графику, видео, текст, аудиоданные. 

Интерактивные компакт-диски CD-1 (Compact-Disk - hteractive) предназначены для потребительского рынка, используются без ЭВМ. Их производство основано на технологии CD ROM, но имеет более простое управление. 

Диски Photo-CD (совместная разработка Philips и Kodak) предназначены для хранения в цифровом формате кино- и фотокадров. На диске размещается до 100 кадров, запись полного диска производится за один час. 

Bridge-Disk выполнен по стандарту, который позволяет воспроизводить его на проигрывателе для Photo-CD, дисководе для CDROM/XA или проигрывателе для CD-I. 

Компакт-диски CD-WO позволяют дозаписывать информацию за несколько сеансов. После окончательной записи создается оглавление диска. Обычное устройство для чтения CD ROM позволяет читать только первую зону CD-WO. Аналогичные возможности предоставляют компакт-диски CD-R, которые допускают дозапись информации по мере ее накопления. Компакт-диски CD-WO и CD-R могут изготовляться по различным технологиям: диск может быть покрыт чувствительным фотолаком, в котором лазер прожигает отверстия, испаряя лак; на подложку диска могут быть нанесены два слоя: один - из искусственных полимеров (имеющих малую теплоту плавления), другой - металлический. При нагревании металла лазерным лучом находящийся под ним слой полимера испаряется, что приводит к образованию пузырька в металлическом слое и, как следствие, к нетиповому отражению считывающего луча в этом месте; поверхность диска может быть покрыта слоем галий-сурьмы или индий-сурьмы, которые при воздействии на них лазерного луча расплавляются и переходят из кристаллического в аморфное состояние, что сопровождается изменением условий отражения и может быть зафиксировано считывающим лазерным лучом. 

В основе магнитооптических компакт-дисков (CD-МО) лежит воздействие магнитного поля на нагретый до критической температуры материал. В результате этого изменяются отражающие свойства покрытия диска или производится его намагничивание в определенном направлении. Магнитооптические диски позволяют записывать, читать и стирать информацию. На таких дисках могут быть выделены зоны, предназначенные только для чтения или для многократной записи. CD-МО выпускаются в виде мини-дисков диаметром 2,5 дюйма в пластмассовом корпусе трехдюймовой дискеты. Как для записи, так и для воспроизведения магнитооптических дисков необходимы специальные устройства. Емкость таких дисков составляет не менее 640 Мбайт. Из них могут создаваться магнитооптические библиотеки с автоматической сменой дисков (время на смену дисков составляет несколько секунд), емкость которых измеряется сотнями Гбайт. 

Флоптики - это внешние запоминающие устройства, имеющие две головки: одну - обычную, для работы с дискетами DD и HD, другую - магнитооптическую. Емкость флоптических дискет составляет 21 Мбайт. Разметка флоптической дискеты производится лучом лазера, благодаря чему дорожки плотнее располагаются друг к другу. У флоптических дискет используется тот же магнитный материал, что и у обычных дискет емкостью 2,88 Мбайт, -барий-феррит. Количество магнитооптических дорожек на одной стороне -753, поперечная плотность записи-1245 дорожек на дюйм, продольная плотность записи - 23980 бит на дюйм (для сравнения - у DD-дискет - 8717 у HD-дискет - 17434).

дисковый оптический запоминающий накопитель

3. Работа ЗУ

Оптические методы хранения информации получили большое развитие, особенно с момента появления когерентных источников излучения. Оптические ЗУ обладают уникальными свойствами -- высокой плотностью записи и малым временем выборки информации, недостижимыми для других типов ЗУ. Несмотря на отсутствие в настоящее время широкой промышленной реализации оптических ЗУ, разработаны отдельные устройства, подтверждающие их высокие потенциальные возможности. Примерами таких устройств являются:

- постоянное ЗУ Unican 690 емкостью около 1012 бит фирмы Precision Instruments;

- устройство фирмы Holoscan для проверки кредитных карточек; 

- постоянное голографическое ЗУ с произвольной выборкой информации фирмы Megafetch.

Существуют два основных подхода к построению оптической памяти: методы поразрядной и голографической записи Ї считывания.

Схема системы с поразрядной записью представлена на рис. 4.3.

Основными компонентами этой системы являются лазерный источник излучения, модулятор для управления интенсивностью луча, дефлектор для адресации луча, формирующая и фокусирующая оптика и запоминающая среда.

Примером такого устройства является упомянутая выше система Unican 690. Эта система поразрядной записи, в которой информация записывается путем прожигания лазерным лучом отверстий в полосках, покрытых тонкой пленкой родия. Каждая полоска длиной 80 см и шириной 12 см содержит 13 600 дорожек записи с расстоянием 7,5 мкм между их центрами. Отверстия O Ї 1,5 мкм выжигаются импульсами аргонового лазера длительностью 90 не при мощности 250 мВт. Полоска с записанной информацией хранится в накопителе карусельного типа. При считывании полоска выбирается из накопителя, помещается внутрь барабана записи и сканируется лазерным лучом, который отклоняется с помощью дефлектора типа зеркального гальванометра, обеспечивающего слежение за дорожкой. Считывающий луч, отраженный от полоски, попадает на фотоприемник, состоящий из двух фотодиодов. Суммарный сигнал фотодиодов пропорционален коэффициенту отражения считываемого участка пленки, а разностный сигнал используется для формирования сигнала ошибки слежения для управления гальванометром.

Малое время записи (90 не) и возможность быстрого переключения режимов работы со считывания на запись позволяют непосредственно после записи осуществить проверку информации еще до того, как записывающий луч сместится с этого ''бита”. При обнаружении ошибок неверная информация отмечается и перезаписывается правильно. Время выборки произвольного массива информации из емкости 10в12 бит не превышает 7 с.

Одной из возможных схем построения бортового оптоэлектронного ЗУ с ''побитовой” организацией является схема, представленная на рис. 4.4. Прибор строится по принципу оптического проектора изображений.

Оптико-механический блок состоит из лентопротяжного механизма (ЛПМ), осветителя, проекционного объектива, фотоприемника и привода коррекции изображения.

ЛПМ работает в старт-стопном режиме, причем считывание производится во время движения носителя. Носителем информации является 16-миллиметровая перфорированная металлополимерная пленка с шириной рабочей зоны 10 мм. Считывание информации производится многоэлементным фотоприемным устройством. Для компенсации поперечных уходов во время движения в оптико-механическом блоке предусмотрено устройство коррекции, выполненное в виде качающегося зеркала, которое смещает изображение строки вдоль фотоприемной линейки. Датчиком сигнала коррекции служит специальная ячейка, расположенная на линейке фотоприемников.

Для повышения достоверности считывания и исключения влияния паразитных засветок информация записывается в парафазном двоичном коде1 в виде перфорационных отверстий, т.е. логический 0 и логическая 1 отличаются положением перфорационного отверстия вдоль строки.

Схема расположения информационных массивов представлена на рис. 4.5.

Весь объем информации записывается на пяти дорожках с интервалом между центрами 2 мм. Вдоль дорожки информация разделена на массивы, содержащие по 256 строк. Между массивами имеется промежуток 2,5 мм. Для увеличения надежности считывания массивов на каждом маршруте записываются три синхродорожки. Расстояние между строками 20 мкм, диаметр информационного отверстия 10 мкм, шаг записи отверстий вдоль строки 20 мкм.

Запоминающее устройство, построенное по указанной схеме, имеет следующие характеристики:

емкость памяти 4 х 10в8 бит; 

время считывания массива на 8К бит 0,3 с; 

время выборки числа из БОЗУ 2 мкс; 

объем 6 дм3; 

масса 8 кг;

потребляемая мощность 40 Вт.

4. Инновации технологии

Оптические микросхемы памяти помогут в создании более эффективной сети Интернет.

Битам данных, путешествующим в Интернете, приходится нелегко - на своем пути они переходят от линий оптических сигналов для быстрой передачи к линиям электрических сигналов для обработки. Инновационные технологии полностью оптических маршрутизаторов смогли бы обеспечить более экономичный расход энергии, однако их разработки всегда тормозились отсутствием оптических запоминающих устройств. В настоящее время ученые разработали такое устройство, которое сможет проложить дорогу развитию более скоростного и более эффективного Интернета.

Новые устройства, описанные в журнале Nature Photonics, основаны на оптических «отверстиях», которые могут переключаться между режимами испускания и блокирования световых потоков для создания цифровых сигналов. Ученые из «NTT», телекоммуникационной компании, основанной в Канагава, Япония, работали над данным устройством в течение нескольких лет, однако предыдущие версии потребляли слишком большое количество энергии и не могли удерживать данные в течение достаточно длительного периода времени. Новые запоминающие ячейки потребляют лишь 30 нановатт энергии, их размеры в 300 раз меньше предыдущих конфигураций. Кроме того, такие ячейки способны удерживать данные в течение более 10 секунд, гораздо дольше, чем максимальное зарегистрированное до этого время - 250 наносекунд. По словам ведущего автора исследования Масайа Нотоми (Masaya Notomi), главы исследовательской группы фотонной инфраструктуры в компании «NTT», данного отрезка времени достаточно для обработки информации.

По словам ученого, первоочередной задачей является создание сетевых роутеров или серверов. При высокой скорости передачи данных оптические сигналы гораздо более эффективны электрических, а необходимость такого двунаправленного преобразования является лишь пустой тратой энергии. Позже ученые также надеются заменить оперативные запоминающие устройства в высокоскоростных компьютерах.

Создание оптического запоминающего устройства ученые начали с тонкой основы из фосфида индия. В центре этой основы они поместили полосу из другого материала, обладающего оптическими свойствами, - фосфида арсенида-галлия. Эта полоса, являющаяся около четырех микрометров в длину и 300 нанометров в ширину, выполняет функцию запоминающей ячейки. В основе из фосфида индия сделаны отверстия, имеющие наноразмеры, которые создают структуру, способную передавать только определенную длину волны света. Участок посередине ячейки остается нетронутым, чтобы впускать или выпускать световой поток.

Информация считывается с или записывается на оптическое запоминающее устройство при помощи лазера. Когда на ячейку попадает волна света определенной длины, то коэффициент преломления материала изменяется таким образом, что данный материал либо пропускает, либо не пропускает световой импульс, создавая бит со значением «1» или «0». Другой световой импульс может изменить его. Второй лазер обеспечивает постоянную фоновую подсветку, которая помогает запоминающей ячейке поддерживать свое состояние.

Ученые из «NTT» продолжили работу в данном направлении и создали микросхему с четырьмя интегрированными запоминающими ячейками. Нотоми полагает, что ученым удастся объединиться миллион таких ячеек и создать устройство, потребляющее 30 миливатт. Для сравнения, флеш-память потребляет в среднем 150 миливатт. Вместе со своей группой ученый работает над добавлением в конструкцию лазеров и оптических датчиков, которые необходимы для считывания или записи на ту же схему.

Виктор Жирнов (Victor Zhirnov), глава отдела, занимающегося проведением специальных проектов в компании «Semiconductor Research Corporation», некоммерческой исследовательской организации в Дареме, Северная Каролина, высказывает определенные сомнения относительно того, будут ли в будущем использоваться оптические оперативные запоминающие устройства в процессорах компьютеров. Электронные запоминающие ячейки гораздо более компактны, чем оптические аналоги когда-либо смогут быть, а существующие технологии, например флеш-память, характеризуются очень длительным временем хранения данных.

Конни Чанг-Хаснаин (Connie Chang-Hasnain), глава Центра оптоэлектрических наноструктурный полупроводниковых технологий в Университете Колумбии, Беркли, делится своими надеждами, связанными с относительно длительным периодом хранения данных разработанных в «NTT» устройств, а также с их возможным интегрированием. Будь-то видео с домашними животными, закачиваемые с мобильных телефонов на Facebook, или банковская информация, передаваемая с компьютеров на сервера, перегрузка интернета потоками данных растет быстрыми темпами, поэтому использование оптических запоминающих устройств для обеспечения трафика некоторый части таких данных станет необходимостью.

Размещено на Allbest.ru