Пример выполнения РЕФЕРАТА


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.

Министерство образования и науки
Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«
Южно
-
Уральский государственный университет
»

Факультет «
Заочный Инженерно
-
Экономический
»

Кафедра «
Электропривод и автоматика
»






Голографическая память



РЕФЕРАТ

по дисциплине «
Информатика
»




Проверил,
доцент

_
__________
/
Саинский И. В.
/

12

сентября

20
10
г.


Автор работы

студент группы

ЗФ
-
12


___________/
Cаттаров Н. Г.

/

12

сентября


20
10
г.


Реферат защищен

с оценкой (прописью, цифрой)

___________

12

сентября


20
10
г.










Челябинск
2010


2


АННОТАЦИЯ

Cаттаров Н. Г.

Голографическая память
.



Челябинск: ЮУрГУ,

ЗФ
-
124с
.
33

с.
,
6 ил
.,

1 табл.,

библиогр. список


7

наим.


Цель реферата


отразить историю создания голографии, ее технологию и
применение в современной технике, ее достоинства и недостатки.


Задачи реферата:

1
)

Изучить

популярные поисковые системы в интернете,

историю их
создания и развития.


2
)

Изучить историю
создания и развития голографии, технологию
оптической записи, ее применение, отразить это в иллюстрациях. Выявить
перспективы и проблемы использования голографической памяти, отразить
существенные недостатки и преимущества. Сделать заключение.















3



ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

................................
................................
................................
..........

4

1

ПОИСКОВЫЕ СИСТЕМЫ В
ИНТЕРНЕТЕ

................................
................

7

1.1

Google

................................
................................
................................
.......

8

1.2

Yandex

................................
................................
................................
......

9

1.3

Rambler

................................
................................
................................
...

10

2

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ГОЛ
ОГРАФИИ

................................
...................

11

3

ТЕХНОЛОГИЯ ОПТИЧЕСКО
Й ЗАПИСИ

................................
................

14

4

ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ ЗАПО
МИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

...............

19

4.1

Голографические ПЗУ

................................
................................
..........

19

4.2

Голографические ОЗУ

................................
................................
..........

20

5

ПЕ
РСПЕКТИВЫ ГОЛОГРАФИЧ
ЕСКОЙ ПАМЯТИ

...............................

22

6

ШАГ ЗА СУПЕРПАРАМАГН
ИТНЫЙ ПРЕДЕЛ

................................
......

24

7

ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАН
ИЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ
ПАМЯТИ

................................
................................
................................
.......

28


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

................................
................................
................................
.

31

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СП
ИСОК

................................
.............................

33




4


ВВЕДЕНИЕ


Метод фотографирования, используемый для сохранения изображения
предметов, известен уже довольно долгое время и сейчас это самый доступный
способ получения изображения объекта на каком
-
либо носителе
(фотобумага,
фотоплѐнка). Однако
,

информация, содержащаяся в фотографии весьма
ограничена. В частности, отсутствует информация о расстояниях различных
частей объекта от фотопластинки и других важных характеристиках. Другими
словами, обычная фотография не п
озволяет восстановить полностью тот волновой
фронт, который на ней был зарегистрирован. В фотографии содержится более или
менее точная информация об амплитудах зафиксированных волн, но полностью
отсутствует информация о фазах волн.

Голография позволяет уст
ранить этот недостаток обычной фотографии и
записать на фотопластинке информацию не только об амплитудах, падающих на
неѐ волн, но и о фазах, то есть полную информацию. Восстановленная с помощью
такой записи волна полностью идентична первоначальной и содер
жит в себе всю
информацию, которую содержала первоначальная волна. Поэтому метод был
назван голографией, то есть методом полной записи волны.

Для того чтобы осуществить этот метод в световом диапазоне, необходимо
иметь излучение с достаточно высокой степен
ью когерентности. Такое излучение
можно получить при помощи лазера. Поэтому только после создания лазеров,
дающих излучение с высокой степенью когерентности, удалось практически
осуществить голографию.

Первоначальная задача голографии заключалась в получен
ии объѐмного
изображения. С развитием голографии на толстослойных пластинах возникла
возможность создания объѐмных цветных фотографий. На этой базе исследуются
пути реализации голографического кино, телевидения и т. д.

Один из методов прикладной голографии
, именуемый голографической
интерферометрией, нашел очень широкое распространение. Суть метода в
5


следующем. На одну фотопластинку последовательно регистрируются две
интерференционные картины, соответствующие двум разным, но мало
отличающимся состояниям объ
екта, например, при деформации. При
просвечивании такой
«
двойной
»

голограммы образуются, очевидно, два
изображения объекта, измененные относительно друг друга в той же мере, что и
объект в двух его состояниях. Восстановленные волны, формирующие эти два
изо
бражения, когерентны, интерферируют, и на новом изображении наблюдаются
интерференционные полосы, которые и характеризуют изменение состояния
объекта.

В другом варианте голограмма изготавливается для какого
-
то
определенного состояния объекта. При просвечив
ании ее объект не удаляется и
производится его повторное освещение, как на первом этапе голографирования.
Тогда опять получается две волны, одна формирует голографическое
изображение, а другая распространяется от самого объекта. Если теперь
происходят каки
е
-
то изменения в состоянии объекта (в двух последовательных
волнами возникает разность сравнении с тем, что было во время экспонирования
голограммы), то между указанными хода, и изображение покрывается
интерференционными полосами. Описанный способ применяе
тся для
исследования деформаций предметов, их вибраций, поступательного движения и
вращений, неоднородности прозрачных объектов и т. п.

Интересно применение голографии в качестве носителя информации.
Часто необходимо получить объемное изображение предмета,

которого еще не
существует, и, следовательно, нельзя получить голограмму такого предмета
оптическими методами. В этом случае голограмма рассчитывается на ЭВМ
(цифровая голограмма) и результаты расчета соответствующим образом
переносятся на фотопластинку.
С полученной таким способом машинной
голограммы объемное изображение предмета восстанавливается обычным
оптическим способам. Поверхность предмета, полученного по машинной
голограмме, используется как эталон, с которым методами голографической
6


интерференции

производится сравнение поверхности реального предмета,
изготовляемого соответствующими инструментами. Голографическая
интерферометрия позволяет произвести сравнение поверхности изготовленного
предмета и эталона с чрезвычайно большой точностью до долей дли
ны волны.
Это дает возможность изготовлять с такой же большой точностью очень сложные
поверхности, которые было бы невозможно изготовить без применения цифровой
голографии и методов голографической интерферометрии. Само собой
разумеется, что для сравнения
эталонной поверхности с изготовляемой не
обязательно восстанавливать оптическим способом машинную голограмму.
Можно снять голограмму предмета, перевести ее на цифровой язык ЭВМ и
сравнить с цифровой голограммой. Оба эти пути в принципе эквивалентны.

Особен
ности голограмм как носителей информации делают весьма
перспективными разработки по созданию голографической памяти, которая
характеризуется большим объемом, надежностью, быстротой считывания и т. д.



7


1

ПОИСКОВЫЕ СИСТЕМЫ В
ИНТЕРНЕТЕ


Одним из первых способов организации доступа к информационным
ресурсам сети стало создание каталогов сайтов, в которых ссылки на ресурсы
группировались согласно тематике. Первым таким проектом стал сайт Yahoo,
открывшийся в апреле 1994 года. После того, ка
к число сайтов в каталоге Yahoo
значительно увеличилось, была добавлена возможность поиска информации по
каталогу. Это, конечно же, не было поисковой системой в полном смысле, так как
область поиска была ограничена только ресурсами, присутствующими в катал
оге,
а не всеми ресурсами сети Интернет. Каталоги ссылок широко использовались
ранее, но практически утратили свою популярность в настоящее время. Причина
этого очень проста
-

даже современные каталоги, содержащие огромное
количество ресурсов, представляют

информацию лишь об очень малой части сети
Интернет. Самый большой каталог сети DMOZ (или Open Directory Project)
содержит информацию о 5 миллионах ресурсов, в то время как база поисковой
системы Google состоит более чем из 8 миллиардов документов.

В 1997

году Сергей Брин и Лари Пейдж создали Google самую
популярную на сегодняшний момент поисковую систему в мире.

23 сентября 1997 года была официально анонсирована поисковая система
Yandex, самая популярная в русскоязычной части Интернет.

В настоящее время с
уществует три основных международных поисковых
системы
-

Google, Yahoo и MSN Search, имеющих собственные базы и алгоритмы
поиска. Большинство остальных поисковых систем (коих можно насчитать очень
много) использует в том или ином виде результаты 3 перечисл
енных. Например,
Mail.ru используют базу Google, а AltaVista, Lycos
-

базу Yahoo.

В России основной поисковой системой является Яндекс, за ним идут
Rambler, Google.ru, Aport, Mail.r
u
.

По данным исследования про
водившегося на конец 2007 года
доминирующие м
есто в рейтинге стабильно занимает компания Google. В декабре
8


на долю гиганта пришлось 41,3 миллиардов поисковых запросов, это
-

62,4%
рынка. Второе место (с большим отрывом) у Yahoo!
-

8,5 миллиардов запросов.

C
амой

популярной русскоязычной пои
сковой сист
емой является Яндекс
-

54% всех поисковых запросов.


1.1

Google


На сегодняшний день всемирная сеть интернет насчитывает огромное
множество поисковых систем во всех странах мира, из них всех можно выделить
самое крупное и пользующееся наибольшей популярностью
среди пользователей


Google.

Лидер поисковых машин интернета, Google занимает более 60

% мирового
рынка, а значит, шесть из десяти находящихся в сети людей обращаются к его
странице в поисках информации в интернете. Сейчас регистрирует ежедневно
около 50
миллионов поисковых запросов и индексирует более 8 миллиардов веб
-
страниц.

Была разработана в 1997

выпускниками Стэндфордского университета
Сергеем Брином и Лари Пейджем, которые применили для ранжирования
документов технологию PageRank, где одним из ключ
евых моментов является
определение "авторитетности" конкретного документа на основе информации о
документах, ссылающихся на него. Говоря общими словами, чем больше
документов ссылается на данный документ и чем они авторитетнее, тем более
авторитетным данны
й документ становится.

Google осуществляет поиск по документам более чем 35 языках, в том
числе русском. В настоящее время многие порталы и специализированные сайты
предоставляют услуги поиска информации в интернете на базе Google, что делает
задачу успе
шного позиционирования сайтов в Google еще более важной. Google
проводит переиндексацию своей поисковой базы примерно раз в четыре недели.
Не смотря на то, что в поисковике имеется форма для бесплатного добавления
9


страницы в базу, Google предпочитает сам н
аходить новые документы по ссылкам
с уже известных и не будет индексировать добавленную через форму страницу,
если в его базе не найдется ни одной страницы, ссылающейся на нее.


1.2

Yandex


Основное отличие русскоязычных поисковых систем от иностранных одно
-

это то, что глобальные поисковые системы, поддерживающие поиск на русском
языке, не поддерживают русскую морфологию.

Яндекс
-

на сегодня наиболее популярная поисковая система, ежемесячно
к ней обращаются более 35 миллионов пользователей Русскоязычной части

Интернета. Начала свою работу во второй половине 1997 года учитывая
морфологию русского языка. История компании "Яндекс" началась в 1990 году с
разработки поискового программного обеспечения в компании "Аркадия". За два
года работ были созданы две информа
ционно
-
поисковые системы
-

Международная Классификация Изобретений, 4 и 5 редакция, а также
Классификатор Товаров и Услуг. Обе системы работали локально под DOS и
позволяли проводить поиск, выбирая слова из заданного словаря, с
использованием стандартных л
огических операторов. В1993 году "Аркадия" стала
подразделением компании CompTek. В 1993
-
1994 годы программные технологии
были существенно усовершенствованы благодаря сотрудничеству с лабораторией
Ю. Д. Апресяна (Институт Проблем Передачи Информации РАН).
Слово Яндекс
придумал за несколько лет до этого один из основных и старейших разработчиков
поискового механизма. "Яndex" означает "Языковой index", или, если по
-
английски, "Yandex"
-

"Yet Another indexer". За 4 года публичного существования
Яndex возникли
и другие толкования. Например, если в слове "Index" перевести с
английского первую букву ("I"
-

"Я"), получится "Яndex".

Помимо поисковой системы, сегодня Яндекс
-

огромный портал с целым
набором широко используемых сервисов, такими как каталог, Яндекс. де
ньги, и
10


другие. Официально поисковая машина Yandex.Ru была анонсирована 23
сентября 1997 года на выставке Softool. Основными отличительными чертами
Yandex.Ru на тот момент были проверка уникальности документов (исключение
копий в разных кодировках), а такж
е ключевые свойства поискового ядра Яндекс,
а именно: учет морфологии русского языка (в том числе и поиск по точной
словоформе). Сегодня Яндекс имеет внутри мощный поисковый робот,
позволяющий производить поиск по самым различным критериям.


1.3

Rambler


Rambl
er
-

старейшая поисковая система российского интернета, запущена
в 1996 году, на сегодня
-

вторая по популярности с обращением более 25
миллионов посетителей в месяц. Помимо поисковой системы, сегодня Рамблер
-

один из крупнейших порталов русскоязычной час
ти интернета с большим
набором широко известных сервисов, таких как каталог Рамблер, Рамблер
-
почта,
Рамблер
-
ICQ или Рамблер
-
ТВ. По сути
,

сегодня Рамблер
-

больше, чем просто
поисковая система и набор сервисов, это крупная медиагруппа. Поисковая
машина "Рам
блер" начала работу в октябре 1996 года, на стартовом этапе
содержала всего 100 тысяч документов. "Рамблер" не был первой отечественной
поисковой системой, однако в первый год своего существования вынес основной
груз поисковых запросов. Вторая версия "Рамб
лера" начала разрабатываться
летом 2000 года. В нее были введены функции, давно уже имевшиеся в
конкурирующих системах. Она учитывает координаты слов, обучена строгой и
нечеткой морфологии, связывает поиск с каталогом, в качестве которого
используется Top1
00 (http://top100.rambler.ru/), группирует результаты поиска по
сайтам, ищет по числам. Достаточно удачная архитектура продукта позволяет
"Рамблер" иметь для поисковика количество серверов в 2 раза меньшее, чем у
"Яндекса", и в 3 раза меньшее, чем у "Апорт
а".

11


2

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ГОЛ
ОГРАФИИ


Стереоскопическая съемка за
счет

получения одновременно двух
изображений на фото
-

или кинопленке (отдельно для правого и левого глаза)
позволила создать у зрителя ощущение объемности изображения. Однако
стереоскопическое изображение не дает
возможности

рассм
отреть предмет с
разных сторон.

Такая возможность появилась после изобретения голографического метода
получения изображений Д. Габором в 1948 году. Он основан на волновой природе
света, явлениях дифракции и интерференции.

Фотография дает только плоское изо
бражение предметов, то есть
неполную информацию о нем. Дело в том, что свет
-

это волна,
характеризующаяся двумя основными величинами
-

амплитудой и фазой.
Фотография дает информацию только об амплитуде излученной
фотографируемым предметом световой волны,
а о ее фазе ничего не сообщает.
Значит, для получения полной информации о предмете нужно еще уловить фазу
этой волны. Ведь именно фаза дает информацию об объемности предмета. Вот
эту задачу и удалось решить Деннису Габору.

Он осветил предмет (это был полуп
розрачный кубик) светом ртутной
лампы. В то время это был самый лучший источник световых волн с постоянной
длиной волны, так называемый когерентный источник. На пути световых волн от
ртутной лампы, которые отразил предмет (кубик), Габор поставил фотопласти
нку.
Волна от лампы сложилась с волной от предмета. В результате их интерференции
появилась суммарная волна, которая и была зафиксирована на фотопластинке в
виде чередующихся черных и светлых полос. Ее Габор назвал голограммой. Для
того чтобы вместо интерф
еренционной картины увидеть изображение предмета,
Габор поставил справа от голограммы ту же самую ртутную лампу, только теперь
свет от нее шел в обратном направлении. В результате дифракции слева от
голограммы возникли те же волны, которые ее создали, а в
результате
12


интерференции произошло вычитание волн, направленных навстречу друг другу,
и осталась только волна от предмета. Заглянув в голограмму, Габор увидел за ней
парящий в воздухе кубик
-

первое голографическое изображение.

Слово
«
голография
»

-

греческ
ое.
Оно состоит из двух частей:
голо
-

по
-
гречески "полный, целый, весь" и графо
-

"пишу". То есть слово "голография"
означает "полное описание", что полностью соответствует физическому смыслу
этого термина.

Однако развиваться голография стала только в 196
0
-
х годах с появлением
лазера, дающего идеальное когерентное излучение. В 1962
-
1963 гг. американские
физики Э. Лейт и Ю. Упатниекс впервые применили лазер в качестве источника
света для получения голограммы. При голографической съемке фотопластинка
освещае
тся опорным лазерным лучом и одновременно отраженным от
снимаемого предмета светом. В результате сложения световых волн в плоскости
пластинки возникает картина, содержащая всю информацию об отраженной
световой волне. Если после проявления фотопластинки осв
етить ее лазерным
лучом, возникает голографическая картина
-

голограмма. Объект съемки не
только кажется объемным, но при повороте головы его действительно можно
рассмотреть с разных сторон
-

справа, слева, сверху и снизу!

Наиболее необычное свойство голо
граммы состоит в том, что любой ее
участок содержит информацию обо всем запечатленном на ней предмете.
Причина в том, что практически на каждую точку поверхности фотопластинки
падает излучение, отраженное от всех точек предмета. Если разорвать
фотографию н
а несколько кусков, то каждый кусок будет содержать информацию
только о части предмета. В то же время, если голограмму разделить на несколько
фрагментов, то каждый из них будет содержать информацию обо всем предмете.
В этом смысле голограмма больше похожа
на зеркало, чем на фотографию. Ведь
каждый кусочек разбитого зеркала отражает весь предмет. Этот факт натолкнул
ученых на некоторое сходство голограммы с памятью человека. Такая аналогия
ни в коей мере не является прямой, однако голографические принципы хр
анения
13


информации могут быть полезными для раскрытия механизмов человеческой
памяти.

Способ получения голограммы на фотопластинке с толстым слоем
эмульсии, разработанный в 1962
-
1963 гг. Ю.Н. Денисюком, позволяет
рассматривать голограмму при освещении ее об
ычным осветителем или
солнечным светом. Толщина слоя эмульсии намного больше длины световой
волны, поэтому интерференционная картина встречных предметного и опорного
пучков света возникает в толще эмульсии и образует объемную голограмму. При
проявлении изо
бражение формируется в ней в виде микроскопических зеркал.
Такую голограмму можно рассматривать только в отраженном белом свете.
Голографическое изображение "по Денисюку", подобно фотографическому,
занимает всю поверхность голограммы. Этим оно отличается о
т
голографического изображения "по Габору". Объемную голограмму записывают в
слое светочувствительного пластика
-

фоторезиста. С
помощью

химической
обработки на пластмассовой пластинке формируют рельеф. Затем ее покрывают
нике
лем и превращают в матрицу, с помощью которой на тонкой ленте штампуют
копии голограмм. Такие радужные наклейки можно помещать на товарные
упаковки и документы для защиты от подделки.

В наше время голографические методы играют значительную роль в самых
раз
личных областях науки, техники и искусства.

Так, методы голографии позволяют
получать

объемные цветные
изображения предметов искусства, голографические портреты. Голографические
изображения могут вызвать в недалеком будущем це
лый переворот в музейном
деле: представьте себе, что в любом провинциальном музее будет находиться
объемная голографическая копия Венеры Милосской. Методы голографии
успешно используются в физике для визуализации акустических и
электромагнитных полей, для
исследования движущихся частиц. Ультразвуковая
голография дает
возможность

увидеть и внутренние органы.

14


3

ТЕХНОЛОГИЯ ОПТИЧЕСКО
Й ЗАПИСИ


Появление в скором будущем задач, требующих очень большой
вычислительной мощности, заставляе
т уже сейчас устремиться к поиску новых
технических решений не только в плане совершенствования самих процессоров,
но и других компонентов ПК. Независимо от того, какая для изготовления
процессора используется технология, количество данных, поставляемых им

на
обработку, определяется возможностями и других подсистем компьютера.

Емкости современных устройств массовой памяти отражают эту тенденцию.
Диски СD
-
ROM позволяют хранить до 700 Мб информации, развивающаяся
технология DVD
-
ROM
-

до 17GB. Технология магни
тной записи также
развивается очень быстро
-

за последний год типичная емкость жесткого диска в
настольных компьютерах возросла до 15
-
20 GB и более. Однако в будущем
компьютерам придется обрабатывать сотни гигабайт и даже терабайты
информации
-

гораздо бол
ьше, чем может вместить любой из существующих
сегодня CD
-
ROM

или жестких дисков. Обслуживание таких объемов данных и
перемещение их для обработки сверхбыстрыми процессорами требуют
радикально новых подходов при создании устройств хранения информации.

Ши
рокие перспективы в этом плане открывает технология оптической
записи

(
см.
р
исунок

1
)
, известная как голография: она позволяет обеспечить очень
высокую плотно
сть записи при сохранении максимальной скорости доступа к
данным. Это достигается за счет того, что голографический образ (голограмма)
кодируется в один большой блок данных, который записывается всего за одно
обращение. А когда происходит чтение, этот блок

целиком извлекается из памяти.
Для чтения или записи блоков, голографически хранимых на
светочувствительном материале (за основной материал принят ниобат лития,
LiNbO3) данных
,
используются лазеры. Теоретически, тысячи таких цифровых
страниц,
каждая из которых содержит до миллиона бит, можно поместить в
устройство размером с кусочек сахара. Причем теоретически ожидается
15


плотность данных в 1TБ на кубический сантиметр (TB/см3). Практически же
исследователи ожидают достижения плотности порядка 10G
B/см3, что тоже
весьма впечатляет, если сравнивать с используемым сегодня магнитным способом
-

порядка нескольких MB/см2
-

это без учета самого механизма устройства. При
такой плотности записи оптический слой, имеющий толщину около 1 см,
позволит хранить о
коло 1ТВ данных. А если учесть, что такая запоминающая
система не имеет движущихся частей и доступ к страницам данных
осуществляется параллельно, можно ожидать, что устройство будет
характеризоваться плотностью в 1GB/см3 и даже выше.



Необычайные
возможности гол
ографической памяти заинтересовали
ученых многих университетов и промышленных исследовательских лабораторий.
Этот интерес уже довольно давно вылился в две
научно
-
исследовательские
программы. Одна из них
-

программа PRISM (Photorefractive Information Storage
Material), целью которой является поиск

подходящих светочувствительных
материалов для хранения голограмм и исследование их запоминающих свойств.
Вторая н
аучно
-
исследовательская программа
-

HDSS (Holographic Data Storage
System). Так же, как и PRISM, она предусматривает ряд фундаментальных
исследований, и ее участниками являются те же компании. В то время как целью
PRISM является поиск подходящих сред для х
ранения голограмм, HDSS
Рисунок
1

-

Технология оптической записи

16


ориентирована на разработку аппаратных средств, необходимых для
практической реализации голографических запоминающих систем. Как же
функционирует система голографической памяти? Рассмотрим для этого
установку, собранную исследовател
ьской группой из Almaden Research Center.

На начальном этапе в этом устройстве происходит разделение луча сине
-
зеленого аргонового лазера на две составляющие
-

опорный и предметный лучи
(последний является носителем самих данных). Предметный луч подвергает
ся
расфокусировке, чтобы он мог полностью освещать пространственный световой
модулятор (SLM
-

Spatial Light Modulator), который представляет собой просто
жидкокристаллическую (LCD) панель, на которой страница данных отображается
в виде матрицы, состоящей и
з светлых и темных пикселей (двоичные данные).

Оба луча направляются внутрь светочувствительного кристалла, где и
происходит их взаимодействие. В результате этого взаимодействия образуется
интерференционная картина, которая и является основой голограммы и
запоминается в виде набора вариаций показателя преломления или коэффициента
отражения внутри этого кристалла. При чтении данных кристалл освещается
опорным лучом, который, взаимодействуя с хранимой в кристалле
интерференционной картиной, воспроизводит запи
санную страницу в виде образа
"шахматной доски" из светлых и темных пикселей (голограмма преобразует
опорную волну в копию предметной). Затем этот образ направляется в матричный
детектор, основой для которого служит прибор с зарядовой связью (CCD
-

Charge
-
Coupled Device или ПЗС), захватывающее всю страницу данных. При чтении
данных опорный луч должен падать на кристалл под тем же самым углом, при
котором производилась запись этих данных, и допускается изменение этого угла
не более чем на градус. Это позволя
ет получить высокую плотность данных:
изменяя угол опорного луча или его частоту, можно записать дополнительные
страницы данных в том же самом кристалле.

Однако дополнительные голограммы изменяют свойства материала (а
таких изменений может быть только фикс
ированное количество), в результате
17


образы голограмм становятся тусклыми, что может привести к искажению
данных при чтении. Этим и объясняется ограничение объема реальной памяти,
которой обладает материал. Динамическая область среды определяется
количество
м страниц, которые она может реально вмещать, поэтому участники
PRISM и занимаются исследованием ограничений на светочувствительность
материалов.

Используемая в трехмерной голографии процедура заключения
нескольких страниц с данными в один и тот же объем н
азывается
мультиплексированием. Традиционно используются следующие методы
мультиплексирования: по углу падения опорного пучка, по длине волны и по
фазе, но, к сожалению, они требуют сложных оптических систем и толстых
(толщиной в несколько миллиметров) нос
ителей, что делает их непригодными для
коммерческого применения, по крайней мере, в сфере обработки информации.
Однако совсем недавно Bell Labs были изобретены три новых метода
мультиплексирования: сдвиговое, апертурное и корреляционное, основанные на
испо
льзовании изменения положения носителя относительно световых пучков.
При этом сдвиговое и апертурное мультиплексирование используют сферический
опорный пучок, а корреляционное
-

пучок еще более сложной формы. Кроме того,
поскольку при корреляционном и сдви
говом мультиплексировании
задействованы механические движущиеся элементы, время доступа при их
применении будет примерно таким же, как и у обычных оптических дисков. Bell
Labs удалось построить экспериментальный носитель на основе все того же
ниобата лития
, использующий технику корреляционного мультиплексирования,
однако уже с плотностью записи около 226GB на квадратный дюйм.

Пожалуй, ошибочно рассматривать устройства голографической памяти
как радикально новую технологию, ибо ее основные концепции разработ
аны
около 30 лет назад. Если что и изменилось, так это доступность ключевых
компонентов для этой технологии
-

цены на них стали значительно ниже. Так,
полупроводниковый лазер уже не является чем
-
то диковинным, а давным
-
давно
18


уже стал стандартом. С другой с
тороны, SLM
-

это результат той же технологии,
которая применяется при изготовлении LCD
-
экранов для ПК
-
блокнотов и
калькуляторов, а детекторная матрица CCD позаимствована прямо из цифровой
видеокамеры.

Итак, преимуществ у новой технологии более чем достато
чно: кроме того,
что информация сохраняется и считывается параллельно, можно достичь очень
высокой скорости передачи данных и, в отдельных случаях, высокой скорости
произвольного доступа. А самое главное
-

практически отсутствуют механические
компоненты, с
войственные нынешним хранителям информации (например,
шпиндели с гигантским числом оборотов). Это гарантирует не только быстрый
доступ (для данной технологии правильней сказать мгновенный) к данным,
меньшую вероятность сбоев, но и более низкое потребление
электроэнергии,
поскольку сегодня жесткий диск
-

один из наиболее энергоемких компонентов
компьютера. Правда, есть трудности с юстировкой оптики, поэтому на первых
порах данные устройства, вероятно, будут все еще
«
бояться
»

сторонних
«
механических воздейств
ий
»
.

19


4

ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ ЗАПО
МИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА


4.1

Голографические ПЗУ


На первый взгляд принцип работы устройств голографической памяти
достаточно прост (Р
исунок
2
2
). При записи лазерный луч расщепляется на
объектный и опорный лучи. Первый проходи
т через пространственный модулятор
света (Spatial Light Modulator, SLM), кодирующий исходную информацию,
которая представлена в виде двоичной матрицы или т. н. страницы. Проходя через
оптическую систему, лучи пересекаются в специальном светочувствительном
носителе, который запоминает интерференционный узор. Изменяя угол
пересечения лучей (этот метод называется угловым мультиплексированием),
можно сохранить в единичном объеме носителя тысячи страниц двоичных
данных. Кроме того, можно менять положение точки п
ересечения лучей в
носителе. Таким образом, информация записывается не только на поверхности
носителя, но и по всему его объему. Для считывания записанных данных
достаточно направить на носитель луч лазера под определенным углом и
преобразовать оптический
сигнал с помощью матрицы световых датчиков,
например ПЗС
-
матрицы. Несмотря на кажущуюся простоту, суть явлений,
происходящих в процессе записи и считывания информации голографическими
методами, достаточно сложна. Ее невозможно наглядно изобразить на паре
к
артинок, здесь более уместен язык формул, понятный лишь избранным.
Вероятно, именно этим объясняется то, что, хотя "академические" разработки в
области голографической памяти ведутся уже давно
-

еще с начала 60
-
х гг.,
практические результаты появляются гор
аздо медленнее, чем хотелось бы,
несмотря на пристальный интерес к этой технологии со стороны крупнейших
промышленных компаний, государственных и военных структур. Напомним, что
в 1995 г. по инициативе Управления перспективных исследований и разработок
мин
истерства обороны США (DARPA) были начаты работы в рамках пятилетней
20


программы, среди участников которой компании IBM, Kodak, Rockwell и
несколько университетов. Ее составными частями стали проект HDSS
(Holographic Data Storage Systems) по разработке голог
рафических систем
хранения данных и проект по исследованию материалов носителей
-

PRISM(Photorefractive Information Storage Materials).




4.2

Голографические
ОЗУ


Рассмотрим
пример страничного ОЗУ (Рисунок
3
).

Лазер генерирует пучок когерентного света, дефлектор, управляемый
адресным устройством, обеспечивает

быстрое и точное отклонение лазерного
луча в любую из позиций на накопительной пластине. Матрица гололинз, которая
представляет собой двумерный массив постоянно записанных диаграмм,
обеспечивает расщепление светового пучка на объектный и опорный. Каждая
г
ололинза предназначена для записи голограммы только на единственную
позицию в накопительной среде. Устройство набора страниц (УНС)
-

это 2
-
мерная матрица электрически управляемых световых модуляторов. Это
устройство ввода информации (которая формируется бу
ферным ЗУ в виде
страниц).

Стоит отметить, что в последние годы делается упор всѐ
-
таки на
голографические ПЗУ, и исследования по ОЗУ практически нигде не ведутся.
Рисунок
2

-

Упрощенн
ая

модел
ь

записи

и считывания информации

21


Скорее всего, это связано с
их сложностью и высокой стоимостью, а также тем
фактом, что совр
еменные полупроводниковые ОЗУ по скорости уже способны
конкурировать с голографическими ОЗУ.











Рисунок
3

-

Оптическая схема голографического ОЗУ со страничной
организацией (РП
-

расширитель пучка; ЭОПП
-

электрооптический
перек
лючатель поляризации; М
-

модулятор)

22


5

ПЕРСПЕКТИВЫ ГОЛОГРАФ
ИЧЕСКОЙ ПАМЯТИ


Фирма IBM, признанный лидер в области систем хранения данных,
исследовала историю и перспективы развития запоминающих устройств (ЗУ) с
точки зрения поверхностной плотности записи
.

Голографическая память, по сравнению со всеми остальными видами
памяти, как известно, имеет ряд выигрышных позиций. Здесь и высоч
айшая
скорость чтения, поскольку обмен происходит целыми страницами, которые
могут содержать миллионы двоичных битов, и высочайшая плотность, которая
теоретически может достигать нескольких десятков терабит на кубический
сантиметр носителя. Тысячи голограф
ических страниц могут быть сохранены в
одном и том же объеме записывающей среды с помощью различных вариантов
мультиплексирования. Его можно выполнить за счет изменения угла падения
лучей лазера, длины его волны, фазы опорного луча пространственного
измене
ния точки входа информационного и опорного лучей в среду записи при ее
сдвиге или вращении, а также комбинации всех этих способов. Так как
интерференционные шаблоны однородно заполняют весь материал, это наделяет
голографическую память другим полезным свой
ством
-

высокой достоверностью
записанной информации. В то время как дефект на поверхности магнитного диска
или магнитной ленты разрушает важные данные, дефект в голографической среде
не приводит к потере информации, а вызывает всего лишь "потускнение"
гол
ограммы. Кроме того, весьма впечатляет и феномен, связанный с тем, что при
разбиении носителя на несколько фрагментов каждый из них несет в себе всю
информацию
-

это означает высочайшую надежность, устойчивость к
повреждениям и простоту тиражирования.

Иссл
едования проводятся по двум направлениям
-

оперативная память и
ПЗУ.



23


Таблица
1

-

Голографические запоминающие устройства










Голографические

запоминающие

устройства





Тип

Динамические ОЗУ

CD

RAM

CD

ROM

Дисковый
архив

Емкость

25 Гб

1
T
б

1
T
б

1Пб

Время доступа

10 нс

10 мс

10 мс

10 мс

Достоинства

Энергонезависимость

Высокая
надежность

Низкая
стоимость

Малый
объем

24


6

ШАГ ЗА СУПЕРПАРАМАГН
ИТНЫЙ ПРЕДЕЛ


Очевидно, что существует только один путь преодолеть
суперпарамагнитный порог


использовать немагнитные методы записи. Самым
перспективным и разработанным из них является голография.

Беспристрастная статистика отмечает, что в последние несколько лет
человечество ежегодно накапливает около 5 экзабайт (1018 байт) информации, и
темпы
продолжают расти. Это требует создания все более емких, быстрых и
надежных устройств для хранения данных. Одно из многочисленных направлений
разработок использует методы оптической голографии. Успехи в этой области
таковы, что на рынке уже появились первые

коммерческие продукты.


Голографическая память развивается, начиная с работ Питера Ван
Хеердена (Pieter J. Van Heerden), сотрудника фирмы Polaroid. Он предложил идею
хранения данных в трех измерениях еще в 1963 г., а сегодня некоторые
производители уже пр
иступили к коммерческому выпуску голографических ЗУ.


Используемая технология позволяет записать и прочитать миллионы бит
данных за одну вспышку лазера. Предельная объемная пло
тность информации N
(N ~ λ3 ~
1012 bit/cm
3
) определяется длиной волны излучения.

Тысячи голографических страниц могут быть сохранены в одном и том же
объеме записывающей среды с помощью различных вариантов
мультиплексирования. Его можно выполнить за счет изменения угла падения
лучей лазера, длины его волны, фазы опорного луча простран
ственного
изменения точки входа информационного и опорного лучей в среду записи при ее
сдвиге или вращении, а также комбинации всех этих способов.

Достоинства голографической памяти: высокая плотность записи и
большая скорость чтения; параллельная за
пись и
нформации
; высокая точность
воспроизведения страницы; низкий уровень шума при восстановлении данных;
неразрушающее чтение; длительный срок хранения данных
-

30
-
50 и более лет;
конкурентоспособность с другими оптическими технологиями.

25


Технология голографиче
ской памяти не имеет ограничений обычных
оптических за счет применения трехмерной записи данных, а не двумерных
чтения и записи лазерным лучом на плоскости. Это означает, что теоретически
для записи данных в голографической памяти может использоваться полн
ый
объем кристалла, хотя есть и практические ограничения. Однако и с
ограничениями трехмерный носитель
-

существенное преимущество для
технологии голографической памяти. Его возможности достаточны, чтобы
оставить далеко позади DVD и Blu
-
ray. Скорости перед
ачи данных могут
достигать 1 GBps и более. Это намного быстрее любой другой оптической
технологии типа CD, DVD, HD DVD и Blu
-
ray, где максимальная скорость
передачи не превышает 11 MBps.

Теоретически голограммы могут хранить 1 бит в объеме, который равен
к
убу длины волны лазера. Например, красный луч лазера на смеси неона и гелия
имеет длину волны 632,8 нм, и совершенная голографическая память могла бы
хранить 4 Gb в кубическом миллиметре. В действительности же плотность записи
данных намного ниже, чему ест
ь, по крайней мере, четыре причины:
необходимость коррекции ошибок, недостатки и ограничения оптической
системы, экономические (с увеличением плотности записи стоимость растет
непропорционально быстрее) и физические ограничения (конечность длины
волны лазе
ра, междуатомного расстояния в кристалле записи и несовершенство
оптических систем).

Работы по созданию голографической памяти начались более 40 лет назад,
и сегодня ряд компаний, например NTT и Optware в Японии, InPhase Technology в
США, имеют законченные

разработки с голографическими дисками (Holographic
Versatile Disc
-

HVD) и картами (Holographic Versatile Card
-

HVC), и наконец
приступают к продаже своих первых коммерческих приборов. Рассмотрим
несколько голографических устройств, уже вышедших на рынок
.

Компания NTT продемонстрировала прототип накопителя высокой
емкости, в основу которого положена технология многослойной тонкопленочной
26


голографии, и устройств
о для считывания данных
. Емкость носителя (сто слоев)
размерами с почтовую марку
-

1 Gb. Новая к
арта памяти была названа Info
-
MICA
(Information
-
Multilayered Imprinted CArd), так как ее многослойная структура
похожа на структуру породы слюды

(Рисунок
5
)
. З
апись информации
производится следующим образом. Сначала цифровые данные перекодируются в
двухмерные изображения, которые затем преобразуются в голограмму с помощью
технологии CGH (Computer Generated Hologram), и наконец эти голограммы
записываются в виде
особых структур на слоях носителя. Слои представляют
собой волноводы. Когда луч лазера фокусируется на торце такого волноводного
слоя, он начинает распространяться по нему, рассеиваясь на записанных
структурах. Рассеянный свет формирует двухмерные изображе
ния в плоскости,
параллельной волноводному слою. Они захватываются CCD
-
сенсорами и
декодируются в исходные цифровые данные.





Рисунок
4



Голографическая карта
Info
-
MICA
.

27


Достоинства новой технологии Info
-
MICA состоят в высокой плотности
записи, малых размерах дисковода, низком энергопотреблении, возможности
дешевого массового производства носителей, трудности несанкционированного
копировани
я данных с них и простоте утилизации.

В NTT полагают, что Info
-
MICA вследствие их дешевизны и малых
размеров могут заменить другие устройства ROM. Рассматривают их и как
заменитель бумаги в качестве носителя информации. Эти карты будут полезны
при массовом

распространении игр, музыки, кинофильмов и электронных
изданий, поскольку клонирование их пиратами затруднено. Предполагаются и
многие другие применения новой технологии.

Первые кард
-
ридеры (стоимостью несколько сот долларов) и носители
емкостью 1 Gb ($1
-
2) уже появились на рынке. В планах компании
-

выпуск Info
-
MICA ROM емкостью 10 Gb и разработка устройств записи и перезаписи
носителей.

Первый дисковод типа Tapestry HDS
-
300R

оборудован встроенной
системой радиоидентификации (RFID) и использует диски 300
GB с однократной
записью, предназначенные для профессионального архивирования. Он имеет
SCSI
-
интерфейс со скоростью передачи 20 MBps, среднее время доступа 250 мс.
Длина волны лазера
-

407 нм, объем страницы
-

1,4 Mb, вероятность ошибки не
превышает 10
-
15.

Среднее время безотказной работы
-

100 000 ч. Носителем
служит диск 130 мм, размещенный в картридже размером 5,25×6×0,25", срок
хранения записи
-

до трех лет, архивного хранения
-

более 50 лет.

В ближайшей перспективе
-

создание конструкции с многократной

перезапи
сью. InPhase сообщает, что к 2010

г. емкость дисков будет доведена до
1,6 TB. Планируется также выпуск других изделий, подобных носителю 2 GB
также размером с почтовую марку, и устройства размером с кредитную карточку
емкостью 210 GB.

28


7

ПРОБЛЕМЫ ИСП
ОЛЬЗОВАНИЯ ГОЛОГРАФИ
ЧЕСКОЙ ПАМЯТИ


Одна из главных проблем в области хранения голографической
информации
-

создание подходящих материалов для записи. Голографические
носители должны удовлетворять строгим критериям, включая расширенный
динамический диапазон, высокую фоточувствительность, без
усадочность,
оптическую прозрачность, неразрушающее считывание, термо
-

и влагостойкость,
а также иметь низкую цену. Разработчики нашли множество материалов:
фазовращающие материалы, фоторефрактивные кристаллы типа LiNbO3,
органические полимеры, жидкие крис
таллы, полимеры со структурной
поверхностью и даже такие экзотические среды, как бактериородопсины в
желатиновых матрицах. Самые дешевые в производстве
-

фотополимеры. При
освещении участка полимера поляризованным светом его молекулы
ориентируются и надо
лг
о сохраняют такое состояние (Р
ис
унок
6
).





Рисунок
5

-

Освещение участка полимера

29



Генетически модифицированный бактериальный белок может позволить
создать более эффективные устройства хранения информации. В отличие от
обычных двумерных носителей, голографическая память позволяет записывать
информацию в трѐх измерениях. Первые голографич
еские носители информации
уже поступили на рынок, однако перезапись информации в реальном времени
пока для них недостижима. Американские исследователи из Университета
Коннектикута продемонстрировали возможность создания перезаписываемой
голографической пам
яти, используя лазеры для записи данных на бактериальных
белках. Новая технология основана на использовании бактериородопсина
бактерии Halobacterium salinarum
-

светочувствительного мембранного белка,
вырабатываемого микроорганизмом, когда концентрация кис
лорода в среде
становится опасно низкой. Поглощая квант света, белок претерпевает серию
химических превращений, приводящую к "прокачке" протона через мембрану, что
создаѐт разность электрохимических потенциалов на мембране и позволяет
бактерии производить
энергию. В течение цепи химических превращений белок
проходит через некоторые конфигурации, которые могут быть использованы для
создания голографических изображений при освещении. В природных условиях
время жизни промежуточных конфигураций чрезвычайно мало
: весь цикл длится
всего 10
-
20 миллисекунд. Однако, более ранние исследования
продемонстрировали возможность путѐм освещения красным светом на конечных
стадиях цикла перевести белок в состояние, стабильное в течение многих лет
-

так
называемое Q
-
состояние.

Е
ще одна проблема
-

сложность используемой оптической системы. Так,
для голографической памяти не годятся светодиоды на базе полупроводниковых
лазеров, применяемые в традиционных оптических устройствах, поскольку они
обладают недостаточной мощностью, дают

пучок с высокой расходимостью и,
наконец, полупроводниковый лазер, генерируемый излучение в среднем
диапазоне видимой области спектра, получить очень сложно. Здесь же необходим
30


мощный лазер, дающий как можно более параллельный пучок. То же самое
можно ска
зать и о пространственных световых модуляторах: до недавнего
времени не было ни одного подобного устройства, которое можно было бы
применять в системах голографической памяти. Однако времена меняются, и
сегодня уже стали доступными недорогие твердотельные
лазеры, появилась
микроэлектромеханическая технология (MEM
-

Micro
-
Electrical Mechanical,
устройства на ее основе представляют собой массивы микрозеркал размером
порядка 17 микрон), как нельзя лучше подходящая на роль SLM.

Так как интерференционные шаблоны

однородно заполняют весь
материал, это наделяет голографическую память другим полезным свойством
-

высокой достоверностью записанной информации. В то время как дефект на
поверхности магнитного диска или магнитной ленты разрушает важные данные,
дефект в го
лографической среде не приводит к потере информации, а вызывает
всего лишь "потускнение" голограммы. Небольшие настольные HDSS
-
устройства
должны появиться к 2003 году. Поскольку аппаратура HDSS для изменения угла
наклона луча использует акусто
-
оптический д
ефлектор (кристалл, свойства
которого изменяются при прохождении через него звуковой волны), то, по общим
оценкам, время извлечения смежных страниц данных составит менее 10 мс.
Любое традиционное оптическое или магнитное устройство памяти нуждается в
специ
альных механических средствах для доступа к данным на различных
дорожках, и время этого доступа составляет несколько миллисекунд.

31


ЗАКЛЮЧЕНИЕ


С
огласованные усилия многих исследователей
позволили накопить ряд
сведений и фактов о свойствах трехмер
ных гологра
мм. За этими на первый взгляд
разрозненными фак
тами достаточно отчетливо вырисовывается то единое явление
природы,
которое лежит в их основе. М
атериализо
ванная объемная картина волн
интенсивности способна воспроиз
водить волновое поле со всеми его параметрами


амплитудой,
фазой, спектральным составом, состоянием поляризации и даже с
изменениями этих параметров по времен.

Есть все основания считать, что будут открыты
новые неожидан
ные оптические свойст
ва голограмм.
Вполне вероятно,

ч
то ряд
новых
эффектов будет обнаружен
при

применении светочувстви
тельных материалов,
обладающих специфическими свойствами,
подобно тому как применение резонансных и
поляризационных
сред открыло возможность записи временных и поляризацион
ных
характери
стик волновых полей. П
рецедент объединения
голографии и нелинейной
оптики в динамическую голографию
показывает, что внесение идей голографии в
смежные с ней области
знаний может привести к появлению совершенно новых
направ
лений.

В наше время г
олографические методы играют значительную роль в
самых различных областях науки, техники и искусства.

По сравнению с другими
видами памяти
, г
олографическая память

имеет
много достоинств:
высочайшая скорость чтения, поскольку обмен происходит
целыми страниц
ами, которые могут со
держать миллионы двоичных битов;

и
высочайшая плотность, которая теоретически может достигать нескольких
десятков терабит на кубический сантиметр носителя. Тысячи голографических
страниц могут быть сохранены в одном и том же объеме зап
исывающей среды с
помощью различных вариантов мультиплексирования.

Важнейшим достоинством голографической записи является то, что
информация, соответствующая каждому двоичному разряду данных,
распределена по всей площади голограммы. Поэтому те или иные деф
екты
32


носителя, неравномерность освещения и даже значительные повреждения
носителя не приводят к потере данных, а лишь ухудшают отношение сигнал/шум
.

Следует отметить такое важное для некоторых применений свойство
голографической техники, как невозможность
воспроизведения информации в
случае, если не известна длина волны лазера, применявшегося при записи, что
позволит надежно защитить информацию от несанкционированного доступа
.



33


БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СП
ИСОК


1. www.citforum.ru
-

CIT forum, Поисковые системы в с
ети Интернет.

2.
Популярные

поисковые

системы
.
-

ru.wikipedia.org/wiki/Поисковики.


3.
История поисковиков Yandex, Rambler, Google.

htt
p://www.forum.mista.ru/topic.php?id=4608
.

4.
Новости Информационных Технологий.
-

http://itnews.com
.

5. История голографии.
-

ru.wikipedia.org/wiki/Голограмма.

6. Голографическая память


шаг за суперпарамагнитный предел//

Компьютерное обозрение.


http://ko.com.ua/node/27096
.

7. Самков И. Ю. Перспективы голографической памяти. Краткий обзор.
-

http://dlrm.ru/physics/golography.php






Приложенные файлы

  • pdf 15696957
    Размер файла: 413 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий