Оптическая память компьютера что это такое

Обновлено: 16.05.2024

Текст научной работы на тему «Трехмерная оптическая память и схема ее послойного считывания»

ТРЕХМЕРНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ И СХЕМА ЕЕ ПОСЛОЙНОГО СЧИТЫВАНИЯ

Большинство задач из области искусственного интеллекта требуют массивных вычислений. К таким задачам можно отнести обработку изображений, распознавание образов, выделение фигуры на фоне леса, распознавание мелодии. На обычном компьютере такие задачи решаются, во-первых, долго, а во-вторых, необходимо каждый раз писать новую программу, что может вызвать определенные трудности.

Если мы хотим получить нечто похожее на мозг, то для обработки изображений нужны образцы. Люди могут отличить дерево от металла, красное от синего, круглое от квадратного, одну мелодию от другой. Чтобы хранить в обычном компьютере все образцы (например, звуковые сигналы), требуется большой объем памяти. Такая память, к тому же, должна иметь большую скорость считывания, так как образцов много, и предъявлять их надо быстро. Кроме того, для распознавания образов нейросетевыми методами требуется загружать в процессор большие матрицы межнейронных связей, а такая загрузка подразумевает использование большой скоростной памяти.

В настоящее время практикуется побитовое считывание информации, что требует огромного времени, да и результат при таком считывании неутешителен - мы не можем предъявить сразу несколько образцов. Поэтому необходимо считывать информацию не побитово, а параллельно, чтобы можно было предъявить один или несколько образцов сразу.

Реальный путь для решения таких задач из области искусственного интеллекта -использование трехмерной оптической памяти. Дополнительный аргумент в пользу использования такой памяти - свет - самый удобный инструмент для подобных задач, так как в данном случае с прочитанным информационным массивом можно:

1) Проводить линейные преобразования (вычислять Фурье-компоненты, изменять яркость, масштаб, изменять повороты, наклоны и т.д.).

2) Параллельно сравнивать фрагменты изображений (массивов). /В случае электронного варианта решения задачи - приходится сравнивать все биты/.

3) Проводить нелинейные преобразования (вычисление корреляции, свертки, нелинейное преобразование яркости).

Итак, для решения вычислительных задач из области искусственного интеллекта требуется обеспечение системой памяти большой емкости со скоростным высокопараллельным считыванием.

Существующие системы оптической памяти не удовлетворяют всем выдвигаемым требованиям (большая емкость, высокая скорость считывания, параллельное считывание). Поэтому весьма актуально изучение новых принципов построения оптической памяти.

CD и DVD - двумерная память, реально используемая в настоящее время, не удовлетворяет требованиям параллельного считывания. Разрабатываемые системы голографической памяти имеют большие потенциальные возможности, но немалое количество технологических и технических трудностей требуют своего решения.

Среди перспективных схем трехмерной оптической памяти наиболее популярны схемы с послойным хранением информации, которые позволяют использовать методы записи информации, разработанные для двумерной памяти, и допускают параллельное считывание информации, записанной в слое. Для осуществления такого послойного считывания необходим способ выделения вклада от требуемого слоя в детектируемую световую волну. Этот способ может быть основан на различных физических принципах 3. Задачей данной работы является изучение схемы послойного считывания информационных слоев с помощью движущегося профиля диэлектрической проницаемости.

3. Основные уравнения

где первый член в правой части описывает медленно меняющуюся часть е, а второй -информационную модуляцию е.

На среду со стороны отрицательных х падает плоская монохроматическая световая волна. В результате дифракции на голограммах падающей (считывающей) волны возникает дифрагированная волна. Выберем оси координат у, 2 так, чтобы волновой вектор падающей волны лежал в плоскости х2.

В отличие от падающей дифрагированная волна имеет богатый угловой спектр, определяемый записанной информацией. Удобно использовать Фурье-разложение электрического поля дифрагированной волны по поперечным координатам:

Величину Ед (х, к) можно назвать комплексной амплитудой плоской компоненты дифрагированной волны. Запишем аналогичное разложение для информационной модуляции

диэлектрической проницаемости: й •

где £( х, к), К (х, к) - амплитуда и х-компонента волнового вектора элементарной решетки.

Дифрагированную волну на выходе из среды можно представить в виде суммы вкладов от слоев-голограмм

Ед (ь, к) = х Е (т\к-), (4)

причем (ограничиваемся записью выражения для ТЕ-волны, где ТЕ-волна - поперечная электрическая волна)

Е2т)( к) = — I йхе(х, к - кп) ехр

Л1Х (х, к)х (х, кп) \х (х, к)х (0, кп е (х)

Посмотрим, как отразится на дифрагированной волне наличие в среде движущегося профиля наведенной неоднородности диэлектрической проницаемости. Пусть

Запишем формулы для однородной среды, где ео не зависит от х. При этом считаем, что х-компонента волнового вектора решетки не зависит от координаты х. В линейном по е1 приближении получаем:

Величина ^ представляет собой модуляцию фазовой отстройки при наличии маркирующей волны. Большую роль играет максимальное по модулю значение ¿1. При

X0 (кпад )X0 (к) » w2 / С2 получаем оценку

max S1 (x, кпад,к)| » 1x0 (кпад ) - X0(к)| max

Величина (6) мала либо в случае почти симметричной геометрии записи-считывания (при с0(кпад) @ с0(к)), либо при недостаточной интенсивности маркирующей волны. Для этого случая из формулы (5) нетрудно получить выражения для вкладов в дифрагированную волну

J dx expe ( x, к - кпад ) )

X1( x^ ) X1( x,к пад

X1( x, к ) X1(x пад ) £1( x)

2С0(к) 2С0 (кпад ) 2е0

Интегрирование по толщине слоя с учетом осциллирующей функции описывает угловую селективность голограмм. Оптимальное считывание соответствует нулевой фазовой отстройке ¿0.

Модуляция вкладов в дифрагированную волну описывается членами в (7), линейными по ¿1, е1, Сь причем слабая фазовая модуляции вклада пропорциональна ¿1, а слабая амплитудная модуляция пропорциональна е1. Для практического использования более удобна амплитудная модуляция. Амплитудная модуляция вклада Е-т) отлична от нуля, если

только е1^0 в т-ом слое. Если есть возможность измерять изменения интенсивности дифрагированной волны, то можно использовать эту модуляцию для выделения вклада от отдельных голограмм. В некоторый момент времени выделяется та голограмма, через которую в этот момент проходит маркирующая волна.

Для описанного режима считывания голограмм необходимо временное дифференцирование дифрагированной волны. Можно обойтись без операции временного дифференцирования, если в качестве информационного слоя использовать пару голограмм, дающих противоположный вклад в дифрагированную волну. Если условие компенсации вкладов выполняется для всех информационных слоев, то в отсутствие маркирующей волны на выходе из среды нет дифрагированной волны. Прохождение маркирующей волны через некоторый слой нарушает условие компенсации вкладов для этого слоя, что позволяет производить послойное считывание информации.

С практической точки зрения более интересен случай значительной модуляции фазовой отстройки: |81 (х, кпад, к) > 2р . Для определенности считаем, что маркирующая волна имеет вид

знакопостоянного импульса с шириной, меньшей расстояния между слоями, но большей или порядка толщины слоя I. При этом достаточное условие эффективного управления фазовым согласованием можно записать в виде:

|Х 0( к) - X 0( кпад )| е1тах1 > 2р . (8)

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В этом случае выражение для вклада т-ой голограммы можно записать в виде:

вектор данной Фурье-компоненты световой волны. Видно, что влияние маркирующей волны, описываемое величиной 81, сводится к модуляции фазовой отстройки от условия согласования (падающей волны с решеткой). Изменение этой величины при прохождении через слой маркирующего импульса может приводить к очень резким изменениям вклада слоя в дифрагированную волну. Такой режим считывания позволяет обеспечить селективное считывание требуемого слоя. Если в отсутствие маркирующей волны для данного слоя выполнено условие фазового согласования, то при прохождении маркирующей волны через слой фазовое согласование нарушается, и вклад данного слоя в дифрагированную волну сильно уменьшается. Для выделения вклада данного слоя требуется детектирование с временным дифференцированием.

Схема считывания с модуляцией отстройки от фазового согласования позволяет обойтись и без временного дифференцирования. Для этого считывание голограмм нужно производить падающей волной при значительном фазовом рассогласовании. Модуляция

диэлектрической проницаемости e1, наведенная маркирующей волной, должна восстанавливать фазовое согласование. В этом случае информационный слой будет давать заметный вклад в дифрагированную волну только при прохождении маркирующей волны через этот слой.

4. Заключительные замечания

Проведенное рассмотрение показывает возможность выделения требуемого слоя (голограммы) информационного носителя с помощью проходящей через данный слой маркирующей волны в виде локализованной (по толщине) модуляции показателя преломления. Заметим, что изменения, возникающие при переходе к случаю отражательных голограмм, сводятся к изменению пределов интегрирования в выражениях для дифрагированной волны. В таком случае полученные оценки остаются в силе. Согласно (8) случай отражательных голограмм более благоприятен для сильной модуляции фазового рассогласования.

Природа маркирующей волны может быть совершенно различной. Как примеры бегущей волны можно указать ультразвуковые импульсы в акустооптических материалах, солитоны в полупроводниковых материалах, распределения e , формируемые с помощью световых потоков в фоторефрактивных и фотохромных материалах. При использовании бегущей маркирующей волны считывание информационного слоя должно производиться в определенный промежуток времени, т.е. требуется синхронизация считывания с движением маркирующей волны через среду. От требования жесткой синхронизации в схеме с модуляцией фазовой отстройки можно избавиться, если в качестве e1(t,x) использовать не бегущую волну, а статическую модуляцию (статическую волну), положение которой в пространстве задается некоторым внешним управляющим воздействием (полем, давлением и т.д.). В качестве примеров стационарной волны можно назвать домены и доменные границы в магнитных, сегнетоэлектрических материалах, различные неоднородности e, наведенные светом, электронным лучом, неоднородным нагревом, неоднородным полем в разнообразных материалах.

1. Yang X., Wrigley C.Y., Lindmayer J. // Optical Memory and Neural Networks. 1994. v.3. n.2. p. 135-149.

2. Котов В.Б. //Радиотехника и электроника. 2000. т.45. N9. с. 1103-1108.

Все мы привыкли, что энергонезависимая память — это электронный прибор, работающий на измерении разности токов, будь то резистивные, электромагнитные или обычные ячейки с зарядом. Для работы подобной памяти в составе перспективных оптических и (или) квантовых компьютеров требуется процедура преобразования электрических сигналов в оптические импульсы, а это задержки и потери. Было бы заманчиво создать энергонезависимую память, работающую непосредственно на оптических сигналах. И такая память, похоже, близка к появлению.

Группа исследователей из института Карлсруэ (KIT), университета Мюнстера, Оксфордского и Эксетерского университетов предложила оптическую ячейку памяти на основе вещества с изменяемой фазой состояния. Память PRAM или PCM (Phase change RAM) не является чем-то новым — она давно и достаточных количествах выпускается промышленностью для индустриального, автомобильного и аэрокосмического применения. Однако до сих пор принцип работы PCM опирался на измерение токов при прохождении через кристаллическую или аморфную структуру вещества ячейки. Исследователи создали условия, которые позволили изменять фазовое состояние вещества исключительно с помощью сверхкоротких световых импульсов.

Полностью оптическая энергонезависимая память как для записи, так и для чтения

Физически оптическая память с изменением фазового состояния вещества представляет собой кремний-азотный световод с вкраплением традиционного для памяти PCM материала — халькогенидного соединения GST (Ge2Sb2Te5). Мощный и короткий лазерный импульс расплавляет GST-перегородку, переводя вещество материала в аморфную структуру. Менее мощный импульс с медленным остыванием (этого можно добиться двумя импульсами с коротким промежутком) ведёт к появлению в расплаве GST кристаллической структуры. Аморфная и кристаллическая структуры по-разному пропускают свет, так что в одном случае можно считать «0», в другом — «1». Считывание происходит ещё более слабыми импульсами, которые не оказывают влияние на материал ячейки.

Схематическое изображение перезаписываемого оптического диска — это тоже полностью оптическая энергонезависимая память

Предложенная разработчиками технология годами используется в перезаписываемых оптических дисках CD и DVD, только канал для чтения не сквозной, а работает с отражением. Но принцип и материалы те же. Поэтому рано или поздно кто-нибудь обязательно предложил бы создать оптическую энергонезависимую память на аналогичных принципах. Далее дело за малым — научиться выпускать оптическую энергонезависимую память на штатном оборудовании для выпуска полупроводников.

В середине 1970-х - начале 1980-х годов фундаментальные исследования в области оптической записи достигли уровня, позволившего таким промышленным гигантам, как RCA, “Sony” и “Philips”, запустить в производство оптические устройства хранения информации. Первый оптический диск для хранения информации был выпущен в 1985 году. Наиболее известными устройствами такого рода являются компакт-диски (CD). В каждую из систем для считывания информации с CD встроен лазерный диод, работающий в ближней инфракрасной области спектра. Этот диод способен легко детектировать выбитые на поверхности диска ямы с характерным размером около 1 мкм и тем самым считывать записанную информацию. Увеличение плотности записи информации на оптических дисках в некоторой степени сдерживается отсутствием твердотельных лазеров с меньшей длиной волны. Выпускаемые CD позволяют перезаписывать информацию до ста раз. Оптические системы (так называемые Juke-box) наибольшей ёмкости могут записывать до 1,45 Тбит на 278 дисках.

Компакт-диск или CD (англ. Compact Disc) - оптический носитель информации в виде пластикового диска с отверстием в центре, процесс записи и считывания информации которого осуществляется при помощи лазера. Изначально компакт-диск был создан для хранения аудиозаписей в цифровом виде (известен как CD-Audio), однако в дальнейшем стал широко использоваться как носитель для хранения любых данных (файлов) в двоичном виде (т.н. CD-ROM (англ. CompactDiscReadOnlyMemory, компакт-диск только с возможностью чтения), или КД-ПЗУ - «Компакт-диск, постоянное запоминающее устройство»). В дальнейшем появились компакт-диски не только с возможностью чтения однократно занесённой на них информации, но и с возможностью их записи и перезаписи (CD-R, CD-RW). Компакт-диск (CD-ROM) стал основным носителем для переноса информации между компьютерами (вытеснив с этой роли флоппи-диск). Сейчас он уступает эту роль более перспективным твердотельным носителям, таким как, например, flash-память.

Так же стоит рассмотреть такие форматы, какDVD и Blu-ray Disc.

DVD (дивидим, англ. Digital Versatile Disc - цифровой многоцелевой диск; также англ. Digital Video Disc - цифровой видеодиск) - носитель информации, выполненный в форме диска, имеющего такой же размер, как и компакт-диск, но более плотную структуру рабочей поверхности. Это позволяет хранить и считывать больший объём информации за счёт использования лазера с меньшей длиной волны и линзы с большей числовой апертурой. Первые диски и проигрыватели DVD появились в ноябре 1996 года в Японии и в марте 1997 года в США. Первый привод, поддерживающий запись DVD-R, выпущен Pioneer в октябре 1997 года. Стоимость этого привода, поддерживающего спецификацию DVD-R версии 1.0, составляла 17 000 долл. Чистые диски объёмом 3,95 Гб стоили по 50 долл. США.

Изначально «DVD» расшифровывалось как «Digital Video Disc» (цифровой видеодиск), поскольку данный формат первоначально разрабатывался как замена видеокассетам. Позже, когда стало ясно, что носитель подходит и для хранения произвольной информации, многие стали расшифровывать DVD как Digital Versatile Disc (цифровой многоцелевой диск). Toshiba, заведующая официальным сайтом DVD Forum'а, использует «Digital Versatile Disc». К консенсусу не пришли до сих пор, поэтому сегодня «DVD» официально вообще никак не расшифровывается.Для считывания и записи DVD используется красный лазер с длиной волны 650 нм.

Формат DVD по структуре данных бывают четырёх типов:

DVD-видео - содержат фильмы (видео и звук);

DVD-Audio - содержат аудиоданные высокого качества (гораздо выше, чем на аудио-компакт-дисках);

DVD-Data - содержат любые данные;

Отличия DVD-R и DVD+R. Стандарт записи DVD-R(W) был разработан в 1997 году японской компанией Pioneer и группой компаний, примкнувших к ней и вошедших в DVD Forum, как официальная спецификация записываемых (впоследствии и перезаписываемых) дисков.

Созданные на базе DVD-R диски DVD-RW, первоначально имели неприятность, связанную с несовместимостью старых приводов с этими новыми дисками (проблема заключалась в отличии оптического слоя, ответственного за «запоминание» информации, который имел меньшую (по сравнению с носителями с однократной записью и штампованными дисками) отражающую способность). В дальнейшем данная проблема была почти полностью решена, хотя раньше именно из-за этого старые DVD-приводы не могли нормально проигрывать новые перезаписываемые диски.

Так как при разработке стандартов DVD-R и DVD-RW не были учтены разработки фирм Sony, Philips и некоторых других (а также цена лицензии на эту технологию была слишком высока), то эти производители записывающих приводов и носителей для записи объединились в DVD+RW Alliance (англ.), который и разработал в середине 2002 года стандарт DVD+R(W), стоимость лицензии на который была ниже.

Созданный альтернативный формат, получивший название DVD+R и DVD+RW, имел другой материал отражающего слоя и специальную разметку, облегчающую позиционирование головки (LPP, Land pre-pits - предзаписанные питы между дорожками, содержащие данные адресации и другую служебную информацию, эти данные позволяют приводу DVD записывать информацию в желаемые места на диске) - основное отличие подобных «плюсовых» дисков от «минусовых». С помощью этого диски DVD+RW способны в несколько приемов осуществлять запись (поверх существующей), как в обычном кассетном видеомагнитофоне, исключая утомительное предварительное стирание всего содержимого (для DVD-RW вначале необходимо целиком стереть имеющуюся запись).

Помимо этого, во время использования перезаписываемых «плюсовых» дисков количество ошибок уменьшается, а корректность записи увеличивается, в результате чего сбойный сектор можно с легкостью перезаписать, а не стирать и не записывать весь диск заново. Следовательно, если вы намерены активно пользоваться функцией перезаписи и записи, лучше выбрать рекордер, поддерживающий «плюсовой» формат (на что сейчас способно большинство моделей).

Ещё один формат оптических носителей - DVD-RAM - перезаписываемый DVD диск, предложенный организацией DVD Forum. Для перезаписи используется технология изменения фазы (англ. phase change technology), благодаря которой DVD-RAM могут быть сравнимы со съёмными жёсткими дисками, поскольку данные на DVD-RAM могут быть перезаписаны 100 000 раз, в отличие от DVD-RW и DVD+RW, допускающих лишь 1000 перезаписей. Первые DVD-RAM диски ёмкостью 2,6 Гб (односторонние) и 5,6 Гб (двусторонние) появились в продаже весной 1998 года. Версия 2 DVD-RAM дисков ёмкостью 4,7 Гб появилась в конце 1999 года, а двусторонние диски ёмкостью 9,4 Гб - в 2000 году. DVD-RAM дисководы читают DVD-видео, DVD-ROM и все виды CD дисков.

Изначально DVD-RAM диски выпускались только в защитных картриджах, однако, с недавнего времени на рынке появились DVD-рекордеры, способные работать с дисками без картриджей (а также приводы, вообще не поддерживающие диски с картриджами). Стоит отметить, что диски с защитными картриджами стоят в среднем на 50 % дороже, чем незащищённые диски.

Оптическая память является онлайновой памятью и по своим характеристикам занимает промежуточное положение между дисковой и ленточной памятью. Оптические библиотеки IBM 3995 серии С обеспечивают хранение достаточно большого объема данных при умеренной стоимости [3.22, 3.23]. Они могут быть подключены к различным типам серверов, в том числе к серверам zSeries, для долговременного хранения информации, которая ранее хранилась на бумажных носителях, микропленках и других носителях. В качестве носителей в оптической библиотеке используются оптические диски с различными стандартами чтения/записи (таблица 3.15):

rewritable ;
CCW - Continuous Composite WORM (Write-Once Read-Many);
permanent WORM .

Каждая из моделей оптической библиотеки включает следующие компоненты:

Один или несколько многофункциональных приводов для выполнения операций чтения и записи с оптическими дисками.
Станцию для загрузки/выгрузки картриджей с оптическими дисками;
Внутренние слоты для размещения картриджей в библиотеке.
Автоматическое устройство для перемещения картриджей оптических дисков между станцией загрузки/выгрузки, приводами и внутренними слотами библиотеки. Устройство включает два механизма захвата картриджей и их переворота для доступа к двум сторонам дисков.
Внешний SCSI-порт для связи с приводами и устройством перемещения картриджей.
Отдельный внешний контроллер для подключения библиотеки к серверу через ESCON канал или параллельный канал. В состав контроллера включается один или несколько приводов (до пяти), доступных для оператора.

К одному серверу может подключаться несколько библиотек, в то время как подключение нескольких серверов к одной библиотеке не предусмотрено. Основные параметры моделей библиотек IBM 3995 серии С для zSeries приведены в таблице 3.16. Основными моделями являются С32, С34, С36, С38, отличающиеся количеством приводов и хранимых картриджей. Модели С12, С16, С18 предназначены для расширения, соответственно, моделей С32, С36, С38 и содержат собственные приводы, ячейки для картриджей и устройства для перемещения картриджей. Управление базовой библиотекой и соответствующей ей библиотекой расширения осуществляется от одного контроллера С3A. Контроллер имеет несколько приводов, доступных для оператора, и два порта (ESCON или параллельных) для подключения библиотеки к серверу. Максимальный суммарный объем расширенной библиотеки достигает 2,682 TB.

Читайте также:

Оптическая память компьютера что это такое

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — С. В. Политова, С. А. Фоменков

Текст научной работы на тему «Трехмерная оптическая память и схема ее послойного считывания»