Бактериородопсиновые оптические диски

Классификация ЗУ

Запоминающее устройство (ЗУ) - блок вычислительной машины или самостоятельное устройство, предназначенное для записи, хранения и воспроизведения информации. Фиксация информации в ЗУ основана на различных физических принципах: механическое перемещение или удаление части материала носителя информации (перфорационные ленты, перфокарты), изменение магнитного состояния материала (магнитные ленты, диски, барабаны, ферритовые сердечники), накопление электростатического заряда в диэлектриках (конденсаторные ЗУ, запоминающие электроннолучевые трубки), использование звуковых и ультразвуковых колебаний (линии задержки), применение явления сверхпроводимости (Криогенные элементы) и др.

В зависимости от назначения, способов размещения информации и особенностей функционирования ЗУ, как правило, классифицируют в соответствии со схемой, представленной на рис. 1.

Рис 1. Классификация ЗУ

По способу поиска нужной информации различают адресные ЗУ, в которых каждой ячейке памяти присваивается определённый адрес и требуемая информация ищется по конкретному адресу, и ассоциативные запоминающие устройства, в которых информация отыскивается по совокупности признаков. В ЗУ возможно как последовательное, так и циклическое обращение к ячейкам либо произвольный доступ, когда обращение к любой ячейке осуществляется независимо от её расположения среди других ячеек.

В зависимости от кратности записи ЗУ делятся на нестирающиеся, допускающие однократную запись с последующим многократным считыванием без регенерации, и стирающиеся (ЗУ на магнитных носителях, ферритовых сердечниках, электронных триггерах и др.).

Статическими называются такие ЗУ, в которых состояния носителя, соответствующие записанному коду, неподвижны относительно носителя информации. К статическим относятся и все ЗУ с неразрушающим считыванием. В динамических ЗУ последовательность сигналов, соответствующая фиксируемому коду, циркулирует по замкнутому контуру, включающему линию задержки. Статические ЗУ могут быть устойчивыми, в которых информация сохраняется неограниченно долго (например, ЗУ на триггерах, ферритовых сердечниках), и неустойчивыми, обладающими свойством самопроизвольного стирания информации (конденсаторные ЗУ, запоминающие электроннолучевые трубки).

Объемы информации непрерывно растут, если раньше было достаточно нескольких мегабайт, то в настоящее время счет пошел на терабайты. И это совсем не удивительно – фильмы с высоким разрешением, многоканальный звук, реалистичные игры и прочие радости жизни пожирают пространство с фантастической скоростью. Хочется терабайтных винчестеров и не менее терабайтных компактов, чтобы, наконец, не чувствовать себя стесненным. Посмотрим, что в ближайшем и отдаленном будущем смогут нам предложить производители.

Оптические накопители

Blu-Ray и HD DVD

В технологии Blu-Ray используется синий лазер с длиной волны 405 нм. Такое уменьшение позволило сузить дорожку в два раза больше, чем у обычного DVD-диска до 0,32 микрон, и увеличить плотность записи данных. Уменьшение толщины защитного слоя в шесть раз (0,1 мм вместо 0,6 мм) предоставило возможность проведения более качественного и корректного течения операций чтения/записи.

Помимо этого у BLU-Ray приводов увеличено значение числовой апертуры линзы (NA - Numeric Aperture) с 0,6 до 0,85. Новый формат обеспечивает рекордную скорость передачи данных 36 Mbps, при общей емкости диска 23.3GB/25GB/27GB.

Увеличение числовой апертуры линзы с 0,6 до 0,85 позволяет увеличить плотность записи в два раза, а более короткая длина волны - в 2,6 раза. Умножая два коэффициента друг на друга мы получаем искомый результат - увеличение емкости по сравнению с DVD в пять раз.

В данном случае мы говорим о дисках, имеющих геометрические размеры обычного CD (120 мм в диаметре). Но это далеко не все, на что рассчитывают разработчики Blu-Ray. Например, Philips выпустила 30-мм диски и привод к ним. Емкость таких носителей информации составляет 1 Гб. Эта разработка предназначается для пользователей портативных устройств и мобильных телефонов. Но если мы сейчас говорим о Blu-Ray-диске (BD), то подразумеваем принятый стандарт - размеры как у CD (120 мм в диаметре), емкость - 27 Гб.

Blu-Ray диски предназначены большей частью для записи цифрового видео. Так, например, их хватит для того, чтобы записать до 2 часов в формате HDTV (телевидения высокой четкости) со скоростью передачи данных более 24 Mbps или более 12 часов видео с 4 Mbps (SDTV/VHS). Ожидается, что с массовым приходом цифрового телевидения стандарт HDTV станет необходимым апгрейдом для тех, кто стремится к качеству. Устройства Blu-Ray позволяют производить качественную (самую качественную на сегодня) запись телепрограмм, фильмов, сигнала с цифровых камер и т.п.

В технологии HD DVD используется лазер с той же длиной волны (сине-фиолетовый), что и в Blu-ray технологии. Именно поэтому HD DVD обеспечивают большую плотность записи, чем DVD, при том, что у них много общего.

Отличаются Blu-ray и HD DVD фокусным расстоянием фокусирующей системы привода, а, следовательно, и углом светового конуса сфокусированного лазерного луча, синус половины которого называется апертурой. У оптических головок Blu-ray апертура равна 0,85, а у HD DVD всего 0,65. Для сравнения — у современных оптических головок DVD приводов апертура равна 0,6. Из-за того, что у BD головки расстояние от внешней линзы до точки фокусировки меньше — толщину защитного слоя у BD дисков пришлось уменьшить.

Толщина защитного слоя HD DVD дисков равна 0,6 мм — такая же, как у современных DVD дисков. Именно из-за этого нельзя сделать большую апертуру оптической головки, то есть сильнее сфокусировать лазерный луч, что позволило бы получить меньшее пятно света и, следовательно, увеличить плотность записи.

Намеченная революция с внедрением HD-оптических дисков пока протекает слишком вяло – сплошные задержки с выходом устройств, проблемы с совместимостью, взломы защиты и прочая неразбериха. Однако постепенный переход на Blu-Ray и HD DVD-диски все же неизбежный процесс, правда, жаль, что производители так и не смогли договориться о введении единого формата DVD-будущего, так как соперничество между стандартами ни производителям, ни потребителям совершенно ни к чему. Все лишь затянется и запутается. В эту борьбу подключается и третий претендент – диски FVD (Forward Versatile Disc), продвигаемые тайваньскими производителями. Особенностью FVD является использование красного лазера, благодаря чему технология получается самой дешевой среди HD-конкурентов (стартовая цена FVD-плеера всего $150 – колоссальная разница с первыми представителями Blu-ray и HD DVD, зашкаливающими за $1000). Правда, у FVD подкачала емкость (5,4 Гб – однослойный, 11 Гб – двухслойный), но кто знает, что выберут покупатели – низкую цену или высокую вместительность.

Наиболее вероятным вариантом дальнейшего развития оптических накопителей пока является переход на лазеры с меньшей длиной волны. На этом пути не так много преград, и пока переход от CD к DVD и от DVD к Blu-ray и HD DVD происходил именно по такому сценарию. За голубыми лазерами, используемыми в HD-приводах, следуют ультрафиолетовые лазеры, у которых длина волны меньше приблизительно в два раза. С таким калибром можно будет вдвое сузить ширину дорожки оптического диска по сравнению с HD-дисками и в итоге повысить емкость до 500 Гбайт для стандартного 120-мм диска. Подобные опытные образцы, в частности, удалось создать в лабораториях Pioneer, и разработчики были удовлетворены результатом эксперимента. Кроме того, к моменту появления ультрафиолетовых лазеров ученые наверняка продвинутся в вопросах создания многослойных дисков, так что можно и не сомневаться, что хрестоматийный рубеж в один терабайт будет взят. Помимо этого корпорации присматриваются к органическому сырью, которое можно использовать при производстве оптических дисков. Правда, эта технология не имеет отношения к повышению плотности записи, зато позволяет заметно понизить себестоимость, что для HD-дисков весьма актуально, да и производство их станет экологически чище. Один из вариантов данной технологии разработан компаниями Sony и Toppan Printing, причем в органической основе половину массы занимает обычная бумага, а опробовать данное нововведение планируется уже на Blu-ray-дисках.

FMD

Компания Constellation 3D (C3D) основана в 1995 году нашими соотечественниками, эмигрировавшими из России. Компанию возглавлял Евгений Левич, который являлся исполнительным директором и президентом компании

Примерно в 1999-2000 году компания C3D потрясла компьютерное сообщество заявлением, что их усилиями разработаны прототипы оптических дисков кардинального нового типа под названием FMD (Fluorescent Multilayer Disk – флуоресцентный многослойный диск). В пресс-релизе значилось, что новые носители способны вмещать от 140 Гб до нескольких десятков терабайт данных, а скорость чтения с них может достигать 1 Гб/с. Великолепно, не правда ли? Разберемся, как это работает. С одной стороны, FMD напоминает привычные CD/DVD, а с другой стороны, основывается на совершенно других принципах. Диск FMD по геометрическим размерам аналогичен CD, но при этом для невооруженного глаза полностью прозрачен. Для чтения данных также используется полупроводниковый лазер, только в отличие от CD/DVD приемник фиксирует не отраженный луч, а флуоресцентное излучение, испускаемое веществом диска. При считывании с устройства лазер освещает вращающийся диск, вызывая флуоресценцию ячеек, несущих биты информации. Специальный объектив фокусирует луч лазера в небольшую "точку", вызывая интенсивную флуоресценцию именно тех ячеек, которые попадают в эту точку. Перемещая объектив, можно легко добиться считывания с любого заданного слоя. Материал носителя подобран таким образом, чтобы сдвигать длину волны света на строго определенную величину, кроме того, данная величина сдвига напрямую зависит от толщины слоя, что позволяет работать с дисками, состоящими из колоссального количества слоев (в идеале, можно и 1000). О том, чтобы создать столь многослойный диск в рамках стандартных отражающих CD/HD DVD, не может идти и речи. Дополнительное преимущество многослойных FMD-дисков – возможность считывать информацию одновременно с нескольких слоев, за счет этого скорость чтения может достигать обещанных 1 Гб/с.

Запись может осуществляться двумя способами.

1. Одноразовая запись (FMD ROM). В этом случае после заполнения пит специальным органическим составом, включающим фотоинициатор. Последний компонент при облучении светом с определенной длиной волны вызывает полимеризацию всего состава. Образующийся при этом полимер обладает флуоресценцией с необходимыми для работы ячейки свойствами.

Таким образом, после заполнения пит составом, остается только облучить их светом лазера, и диск записан. Но, поскольку происходящая полимеризация необратима, - перезаписать такой диск после записи на заводе уже не удастся.

2. Однократно записываемый FMD (WORM: Write Once - Read Many). Здесь предлагается сразу два варианта. В первом - термическом - в исходном (не записанном) состоянии все ячейки диска обладают флуоресценцией. При записи в устройстве пользователя лазер нагревает нужные ячейки до температуры, при которой молекулы активного вещества перестают флуоресцировать. Этот вариант хорошо разработан, и менее требователен к лазеру - в документах компании сообщается о разработке устройств с красными, зелеными и голубыми лазерами.

Второй вариант WORM FMD использует другое явление - пороговую фотохимическую реакцию. При облучении активного вещества с мощностью, превышающей определенное значение - порог, - оно претерпевает химическое превращение и становится флуоресцирующим. В этом случае требования к мощности лазера меньше, чем в первом, так что лазер может заменить LED - матрицу (набор светоизлучающих диодов, организованный в массив, подобное устройство часто используется в лазерных принтерах). Это позволяет поднять скорость записи за счет параллельной записи сразу нескольких ячеек.

Работающие образцы новой техники были представлены C3D на выставке Comdex Fall в ноябре 2000 г. Конкретно, были показан 10 слойный диск емкостью 50 Гб, на котором был записан фильм в DVD формате. По отзывам участников, несмотря на то, что диск (в демонстрационных целях), был изготовлен с дефектами, фильм смотрелся без каких бы-то не было проблем. Там же C3D порадовала зрителей другим новшеством - ClearCard, или Fluorescent Multilayer Card (FMC). Это небольшая прозрачная карта, устроенная подобно диску, но меньшая по размеру, и прямоугольная. Вместе с картой демонстрировался обычный (и работающий) и портативный (пока - не работающий) считыватели информации для неё. После 140 Гб диска емкость такой карты может показаться маленькой - всего 10 Гб, чего не скажешь о возможных применениях. Среди практических применений варианта карты "только для чтения" (FMC-ROM) предназначается компанией для издания электронных книг, записи портативных игр, фильмов, музыки и т.д. Вариант FMC-WORM предполагается использовать в портативных цифровых видео и фотокамерах, записи данных для сотовых телефонов, записи персональных данных для деловых применений. Стоимость изготовления одной карты обещает также быть не высокой - не более 10$.

Не сумев привлечь инвестиции для запуска этих дисков в производство, в 2001 г. компания была объявлена банкротом.

По словам генерального директора компании, Лежнева, после банкротства компании-основателя их фирма продолжала свою деятельность. Несколько раз она меняла название – например, работала под именами 3D Stor Vostok и «Трехмерная память». В ближайшем будущем, говорит Лежнев, компания опять собирается поменять название.

Для выполнения госконтракта с ФСБ компания, по словам Лежнева, будет использовать уже существующие собственные разработки – технологии флуоресцентного оптического диска и считывающего/записывающего устройства для него – цифрового многослойного плеера (Digital Multi-layer Disk Player). Три года назад партия комплектов таких плееров с дисками была поставлена в кинотеатры Ханты-Мансийска. По словам Лежнева, их технологии близко соответствуют описанным в техзадании конкурса.

Бактериородопсиновые оптические диски

С куда более амбициозными планами выступили ученые из Гарвардского медицинского колледжа, разработавшие технологию создания оптических дисков вместимостью до 50 Тб. Они предложили покрыть носитель слоем генетически-модифицированных светочувствительных белков (протеин со сложным названием «бактериородопсин», сокращенно bR). Этот протеин был впервые обнаружен в мембране бактерий Halobacterium Salinarum, обитающих в средах с высоким содержанием соли. Уникальное свойство данного белка – способность распадаться под действием света на промежуточные молекулы, которые отличаются от изначального состояния и цветом, и формой. В таком промежуточном состоянии они могут находиться от нескольких часов до нескольких дней, после чего вновь собираться в исходное положение. Но, подвергнув бактерии, вырабатывающие данный белок, генной модификации, ученые смогли добиться того, что белок научился храниться в состоянии распада в течение нескольких лет. Таким образом, получаем два состояния, которыми можно задать логические ноль и единицу, при этом «ячейки» можно размещать друг от друга на расстоянии порядка 3 нм, не опасаясь за их стабильность. С такой плотностью легко удастся достичь терабайтной емкости. Причем считывать данные с диска можно при помощи как обычного полупроводникового лазера (правда, с достаточно малой длиной волны), так и оптического микроскопа. Конечно, на сегодня технология смотрится сыровато – за кадром остались многие важные вопросы, и на первый взгляд белковые компакты можно вообще принять за очередной PR-ход в поддержку своего колледжа, однако ученые полны решимости представить работоспособные общедоступные устройства уже через полтора-два года, причем в этой инициативе они уже заручились поддержкой корпорации NEC. Кстати, создатели собрались похоронить своей технологией как обычные CD/HD DVD, так и жесткие диски, по их скромному мнению с началом серийного производства необходимость в жестких дисках просто отпадет.