Оптические системы хранения: а где прогресс?

🕛 25.11.2005, 01:37

Довольно длительное время рынок оптического хранения данных не испытывает глобальных потрясений: добрый десяток лет в качестве основных "контейнеров информации" выступают CD и DVD. Даже определение оптического хранения данных прямо указывает на использование этих носителей: по утверждению сайта whatis.com, оптическое хранение данных - "это любой метод хранения, при котором информация записывается и считывается при помощи лазера в целях архивирования или резервирования данных. Как правило, данные записываются на оптические носители, такие, как CD и DVD. В течение нескольких последних лет слышны заявления о скорой замене как жестких дисков в ПК, так и ленточных накопителей в системах архивирования информации в пользу оптических носителей".

Последнее утверждение любопытно. Если сделать технологический "срез" массовых технологий, то CD и DVD не могут соперничать с жесткими дисками ни в скорости, ни в объемах хранимой информации. Если сравнить оптические носители с ленточными, то здесь ситуация прямо противоположная: матрицы CD и DVD выглядят гораздо более надежными и менее подверженными влиянию внешней среды, что делает их привлекательными для архивирования и долговременного хранения данных.

В любом случае, с пользовательской точки зрения прогресса в области оптических технологий сегодня не видно - предлагаются лишь различные вариации, в основе которых лежат те же разработки, что и десять лет назад. Наметившиеся недавно сдвиги, которые вылились в появление двух новых оптических форматов Blu-Ray Disc и HD-DVD, пока не привели к сколь-либо значимому переделу рынка: каждый из новых форматов интересен по-своему, однако сейчас можно наблюдать не сотрудничество, а жесткую конфронтацию двух больших групп разработчиков, поэтому огромное число пользователей пока не спешит сделать окончательный выбор в пользу одного из двух форматов.

Подобная ситуация уже недавно возникала: все мы хорошо помним взвешенное состояние рынка в эпоху агрессивного продвижения таких форматов, как DVD-R, DVD+R и DVD-RAM. Если бы в то время разработчики нашли взаимопонимание и пошли навстречу друг другу (и, в конечном итоге, к пользователю), вполне возможно, что сегодня массовыми были бы уже совсем другие разработки.

Многообразие форматов выглядит как палка о двух концах: с одной стороны, созерцающий потенциальный пользователь имеет возможность неспешного выбора, с другой же - перипетии конкурентной борьбы тормозят развитие технологий, вместо разработок и исследований огромные усилия сосредотачиваются на маркетинговых войнах.

Хотя в недрах компаний-разработчиков кипит и чисто техническая работа. Даже сейчас, когда рынок снова на распутье (на этот раз выбирают между Blu-Ray Disc и HD-DVD), уже имеются гораздо более прогрессивные решения. С ними мы и собираемся познакомить читателей.

Первое решение принадлежит компании Colossal Storage Corporation. Судя по сведениям, опубликованным разработчиками, их детище способно не только отодвинуть горизонт развития оптических технологий хранения информации, но и упразднить большинство имеющихся ныне решений в области хранения данных вообще. Речь идет о голографии.

Столь смелые заявления требуют немедленного и дотошного исследования: очень часто подобные революционные высказывания не несут никакой конкретики - примеров тому в сфере информационных технологий великое множество.

Итак, ключевой момент: Colossal Storage говорит, что она разработала особый принцип хранения данных, позволяющий достичь феноменальной плотности хранения информации, до 40 Пбит на кубический сантиметр. Такие показатели достигаются благодаря использованию трехмерной голографической атомной нанотехнологии оптического хранения данных (Rewritable 3D Volume Atomic Holographic Optical Storage NanoTechnology). Компания подчеркивает факт получения соответствующих патентов на свои разработки, поэтому есть основания полагать, что речь действительно идет о чем-то осязаемом.

См. Рисунок 1

В данной разработке при записи данных на ферроэлектрический голографический съемный носитель будет использоваться ультрафиолетовый/глубоко-синий лазер в полупроводниковой головке чтения/записи.

В более глобальном применении Colossal Storage видит свою технологию в качестве преемника RAM, ROM, DRAM, FRAM, MRAM, Flash, Ovonic, оптических накопителей (phase change/MO DVD), ленточных накопителей и жестких дисков. По сути, Rewritable 3D Volume Atomic Holographic Optical Storage NanoTechnology выглядит как универсальное решение, которое примененимо не только в сфере оптического хранения информации.

Стоит сказать, что сегодня существуют и параллельные разработки в области голографии и хранения данных, их общая черта - использование пространственного светового модулятора для осуществления записи информации. Пространственный световой модулятор изготавливается из ферроэлектрического литиевого ниобата и способен записать целую страницу данных целиком - в этом Colossal Storage видит его "профнепригодность": чтобы изменить в блоке данных всего лишь один бит, требуется записать заново почти весь диск.

Данные для записи поступают на пространственный световой модулятор непрерывным потоком, и даже одна ошибка в потоке способна значительно замедлить процесс записи - ведь речь идет о действительно больших объемах данных. Если в процессе использования устройства, построенного на основе голографической технологии, подразумевается побитовая точность чтения/записи/стирания, решения на основе пространственного светового модулятора здесь непригодны.

Colossal Storage предлагает более гибкий подход к записи и хранению данных - для его понимания нужно представить миллиарды вертикальных пространственно-световых модулируемых страниц на одной перезаписываемой ферроэлектрической дорожке диска. В итоге весь диск имеет миллиарды таких страниц, где данные записываются/читаются с побитовой точностью на атомной скорости света.

Использование ферроэлектрических нелинейных фотонных кристаллов, лежащее в основе технологии Colossal Storage, делает возможным управление и манипулирование светом внутри ультрафиолетового/глубоко-синего спектра (частоты, соответствующие длине волны от 1 до 400 нм). Небольшие размеры ферроэлектрических фотонных структур позволяют производить прозрачные оптические устройства наподобие атомных голографических хранилищ данных, имеющих как позитивный, так и негативный индексы рефракции.

Colossal Storage заявляет о возможности "удерживания" данных более ста лет (при использовании этого метода). Ожидается, что один голографический диск диаметром 3,5 дюйма способен вместить объем данных, сравнимый с объемом 20 тыс. дисков DVD или 4 тыс. дисков Blu-Ray Disc.

В заключение описания новой технологии от Colossal Storage нужно отметить, что человеку, стоявшему у ее истоков - Майклу Томасу (Мichael Tomas) - потребовалось 14 лет, чтобы от теоретических изысканий, базирующихся на трудах Эйнштейна, Планка и Бора, прийти к конкретной спецификации голографической нанотехнологии. Настораживает лишь то, что сегодня нет готовых устройств, даже в виде прототипов. Воплощение "в железе" ожидается примерно в 2009 году.

Весьма интересно высказал свои соображения относительно голографической нанотехнологии Томаса основатель компании Seagate Эл Шугарт (Al Shugart): "Я не понимаю всей глубины этой технологии, но знаю, что это путь, по которому должна пойти индустрия хранения информации".

Гораздо более приземленные интересы у компаний, которые уже производят продукты в сфере хранения информации, делая ставку на ближайшее будущее. К их числу относится Plasmon, сосредоточившая усилия на разработках в сфере синих лазеров.

Как считает Plasmon, сегодня индустрия оптических технологий хранения данных уже на полпути от традиционных красных лазеров к синим, позволяющим добиться более высокой плотности записи данных. Новые продукты базируются на фундаменте отлаженной технологии, но построены на основе синих лазеров с более короткой длиной волны. Они используют все появляющиеся в этой связи преимущества - в первую очередь значительно увеличившаяся плотность записи (даже первое поколение устройств с синим лазером позволило увеличить плотность записи втрое и добиться объемов данных на одном носителе порядка 30 Гбайт). Будущее этого направления представляется Plasmon радужным, что подтверждает четкий график развития технологии, опубликованный на сайте компании.

Использование синего лазера в новых продуктах сильно изменяет картину как пользовательского, так и профессионального рынков. Требования этих рынков совершенно различны, что вынуждает разработчиков прилагать усилия к созданию весьма разношерстных продуктов.

Пользовательский рынок CD и DVD сегодня огромен, потребности в новых методах оптического хранения данных вызваны растущим интересом к цифровым аудио- и видеотехнологиям, а также компьютерным играм. В связи с тем, что такие "тяжелые" в отношении объемов данных новинки, как HDTV, становятся все более популярными, возможностей традиционных CD и DVD может оказаться недостаточно уже в самом ближайшем будущем. А так как сейчас необходимыми свойствами обладают продукты, использующие синий лазер, все основные производители устройств оптического хранения информации поспешно осваивают новые технологии, активно работая над обновленными версиями продуктов, которые будут способны удовлетворить намечающийся спрос.

Не считая единичные редкие и очень дорогие устройства, продукты с синим лазером еще не доступны пользователям. Как уже говорилось, разработчики вынуждены примкнуть к одной из конкурирующих сторон (Blu-Ray Disc или HD-DVD), продукты которых несовместимы друг с другом, поэтому широкого распространения конечных устройств вряд ли стоит ожидать ранее конца 2005 года. Но даже этот срок пока под вопросом - все будет зависеть от интереса пользователей и от рыночной ситуации. В перспективе устройства с синим лазером будут сфокусированы в основном на пользовательском рынке, а стратегии чтения/записи, коррекции ошибок и производительности, как ожидается, подлежат оптимизации для хранения преимущественно аудио- и видеоконтента. В дополнение к этому, заявленные спецификации новых продуктов часто излишне оптимистичны и редко отражают значения, которые устройство способно достичь на практике, поэтому профессиональное применение продуктов с синим лазером требует несколько иного подхода.

В отличие от запросов, предъявляемых к устройствам пользовательского уровня (хранение больших объемов аудио- и видеоданных), профессиональные продукты призваны отвечать несколько иным требованиям. Такое различие кроется в природе хранимой информации, которая в случае профессионального применения может представлять собой и мелкие текстовые файлы, и огромные базы данных. Кроме того профессиональное применение подразумевает другую степень доступа к информации: некоторые файлы необходимы раз в месяц, некоторые - постоянно.

Соответствовать этим задачам должна и аппаратура (привод), и собственно хранилище, лазерный диск или картридж. В случае профессионального использования необходимы хорошие показатели производительности при широком разнообразии типов данных и размеров файлов, а также высокие показатели целостности данных с возможностью проверки информации в реальном времени и коррекции ошибок.

Картина профессионального рынка оптических систем хранения данных гораздо яснее: профессиональные продукты от Plasmon на основе синего лазера серийно выпускаются уже почти полтора года - это решения UDO (Ultra Density Optical, оптические системы ультравысокой плотности хранения). На нынешний день приводы UDO производит Plasmon, а собственно носители - сам разработчик, а также компании Verbatim и Mitsubishi Kagaku Media Co., Ltd.

Рисунок 2. Картридж UDO в формате Rewritable

UDO первого поколения имеют емкость 30 Гбайт и доступны в виде форматов Rewritable и Write Once. Устройства UDO могут быть объединены в масштабируемые библиотеки данных, емкость которых может составлять от 1 до 19 Тбайт. Plasmon планирует сделать продукты будущих поколений (сейчас речь идет об объемах 60 и 120 Гбайт на носитель) обратно совместимыми, чтобы обеспечить профессиональным пользователям прозрачность миграции.

Если рассуждать о причинах, вынудивших исследователей спуститься из красного в синий диапазон работы лазера, то их всего одна. Уменьшение длины волны лазера - простейший путь, позволяющий добиться большей плотности записи. Классический красный лазер обладает длиной волны 630-650 нм, синий же - менее 400 нм. Уменьшение длины волны позволяет наносить на поверхность диска более короткие метки, как следствие, меток может быть гораздо больше.

Есть три распространенных типа синих лазеров: ZnSe (цинк-селеновый), GaN (галлий-нитридный) и SHG (second-harmonic generation). Первый тип лазеров не прижился: он характеризовался смешанным диапазоном длины волн (460-520 нм, наряду с синим диапазоном сюда входит и нижняя граница зеленого). Цинк-селеновые синие лазеры были проблемными с точки зрения срока жизни и требуемой для работы мощности питания.

Второй тип лазеров (галлий-нитридные) сегодня называют наиболее перспективным - галлий-нитридные лазеры обладают короткой (370 нм) длиной волны, они весьма хороши для бытового применения. В случае SHG-лазеров излучение красного лазера с длиной волны 780-860 нм пропускается через некоторые виды кристаллов или специально подобранную проводящую свет среду, в результате чего на выходе энергия луча красного лазера преобразуется в синее излучение с более короткой длиной волны 420-530 нм. Отметим, что помимо чисто технологических сложностей в реализации голубой лазер имеет и другие серьезные недостатки, которые к настоящему времени преодолены лишь частично. Во-первых, с уменьшением длины волны при прочих равных условиях уменьшается мощность излучения, что существенно осложняет конструирование конечных устройств, у которых мощность лазера должна быть не менее 30 мВт. Во-вторых, по сравнению с красными, голубые лазеры имеют значительно меньший срок службы (первые образцы синих лазеров жили вообще буквально несколько часов). Наконец, они очень дороги.

Существуют решения, на фоне которых даже UDO выглядит весьма прогрессивным - это разработки, базирующиеся на использовании хорошо известного красного лазера (хотя кому-то он может показаться вчерашним днем). Казалось бы, выжать что-то новое из красного лазера уже невозможно, однако тайваньские исследователи доказали обратное.

Исследовательский институт индустриальных технологий (Industrial Technology Research Institute, ITRI) в Тайбэе продемонстрировал оптический диск нового формата, позиционирующийся как более прогрессивная замена DVD. Новинка, разработанная учеными из лаборатории оптоэлектроники ITRI и ассоциации исследований оптического хранения данных (Optical Storage Research Association), получила название FVD (Forward Versatile Disc) и предназначается специально для хранения видео высокого разрешения. то есть для рынка пользовательской электроники.

Имеются два формата FVD: односторонний однослойный диск емкостью 6 Гбайт и двусторонний двухслойный, способный вместить 11 Гбайт данных. Это несколько больше, чем возможности привычных дисков DVD, однако разработчики формата и не надеются на революционность новинки, ожидая, когда производители воспроизводящих устройств заинтересуются носителями FVD. Подобная разработка есть и у китайских ученых, диск носит название EVD (Enhanced Versatile Disc) и в односторонней однослойной версии способен уместить до 9 Гбайт информации.

Как видим, ситуация в индустрии оптического хранения данных сегодня неоднозначна: с одной стороны, имеется противостояние двух форматов, каждый из которых способен перевернуть рынок, с другой - туманное будущее действительно интересных разработок, сулящих невиданные возможности. Кроме того, как было показано в последнем примере, имеются решения, формально основанные на старых технологиях.

Рисунок 3. Сравнение CD, DVD и UDO

У пользователей уже достаточно опыта (он вынесен из конкурении предыдущих стандартов), и они не демонстрируют особого ажиотажа по поводу новинок, ожидая ощутимого перевеса одного из форматов. Ведь нет сомнений, что ближайшее будущее за продуктами, построенными на основе синего лазера, HD-DVD или Blu-Ray Disc. Впору делать ставки на тотализаторе, хотя, как утверждают многие эксперты, производителям придется в очередной раз перечитать басню про лебедя, рака и щуку и заняться изготовлением универсальных приводов, поддерживающих как HD-DVD, так и Blue-Ray Disc.