Смекни!
smekni.com

Устройства хранения информации 3 (стр. 5 из 6)

Наиболее плотная магнитная запись достигнута с применением тонкопленочных головок для считывания информации, действие которых основано на эффекте гигантского магнитосопротивления. Этот эффект за­ключается в изменении сопротивления материалов под воздействием магнитного поля. Он был открыт лордом Кельвином в 1856 году в обычном железе и составлял 1/3000 долю от величины сопротивления железа в нор­мальных условиях. Ученым удалось найти вещества, в которых относительное изменение сопротивления пре­вышает величину 1%/Э. Этот гигантский эффект и ис­пользуется в считывающих головках компьютеров для регистрации поля, создаваемого одним доменом (маг­нитное поле на поверхности диска не превышает 20— 25 Э). Отметим, что в современных компьютерах за­пись информации осуществляется с помощью индук­ционной головки, а считывание — экранированной магниторезистивной головкой.

В середине 1970-х — начале 1980-х г.г. фундамен­тальные исследования в области оптической записи достигли уровня, позволившего таким промышлен­ным гигантам, как RСА, «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 в России 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 Juke­box) наибольшей емкости могут записывать до 1,45 Тбит на 278 дисках.

Логическим продолжением этих работ стало разви­тие магнитооптического способа записи информации. Помимо обсуждаемой выше продольной записи, кото­рая используется при создании магнитной памяти, су­ществует также и перпендикулярная запись, при кото­рой вектор намагниченности доменов ориентирован перпендикулярно к плоскости диска. Такой тип записи применяется в магнитооптических системах памяти. Первая коммерческая версия магнитооптической сис­темы была выпущена только в 1994 году.

Маг­нитооптические системы используют в своей работе полярный эффект Керра. При этом информация об ориентации намагниченности домена получается при анализе степени вращения плоскости поляризации ла­зерного луча при отражении от пленки (около 0,3°). Первые такие системы использовали ферримагнитные аморфные сплавы редкоземельных и переходных металлов, обладающие перпендикулярной магнитной анизотропией. Состав пленок подбирается таким обра­зом, чтобы температура, при которой происходит переагничивание домена, была близка к точке магнитной компенсации или точке Кюри, где величина Нсзначи­тельно уменьшается. Эффективными составами для магнитооптической записи считаются GdFe, TbCo, TbFe, TbFeCo, Co/Pt, Co/Pd и др.

В настоящее время существуют, например, 5,25-дюймовые перезаписываемые удаляемые (перенос­ные) магнитооптические диски емкостью до 2,3 Гбай-та, 14-дюймовые двухсторонние диски имеют емкость 12 Гбайт. Предполагается, что в ближайшее время циф­ра возрастет до 20 Гбайт даже для 5,25-дюймового дис­ка (при двухсторонней записи).

Для осуществления записи необходимо выполне­ние ряда магнитных, термомагнитных и магнитоопти­ческих требований: направление магнитного момента домена должно быть перпендикулярно плоскости плен­ки; распределение намагниченности по пленке должно быть устойчиво к воздействию размагничивающих по­лей и малых температурных колебаний; в материале должна существовать регулярная и воспроизводимая доменная структура с размером домена около 1 мкм: возможность уменьшения коэрцитивной силы по ве­личине приблизительно на порядок при нагревании; отсутствие изменений в соседних доменах при нагреве (сравнительно плохая теплопроводность); достаточная (для считывания) величина полярного эффекта Керра: максимально возможное отношение сигнала к шуму (более 25 дБ) во всем рабочем интервате температур и т.д.[10]

2.2. Перспективы развития устройств хранения информации

Важными направлениями научных исследований в этой области является изучение эффектов, влияющих на сверхплотную запись информации, таких, как теп­ловые ограничения, так называемые магнитные вре­менные эффекты и флуктуации различного характера. Однако проблема заключается не только в том, ка­кую среду использовать для записи информации, но и каким образом эту информацию записать и считать с данного носителя. Например, если для записи и считы­вания информации непосредственно использовать луч лазера, то размер одного бита информации не может быть существенно меньше половины длины волны. Цифровые видеодиски уже используют красный лазер сλ630—635 нм, недалекая перспектива в этой облас­ти — широкое использование голубого полупроводни­кового GaN-лазера с длиной волны 410—415 нм.

Учеными разрабатываются несколько оптических методов записи и хранения информации. К наиболее известному из них можно отнести так называемую DVD-технологию, которая уже частично пришла на смену обычным CD. Использование DVD-носителей позволяет выпускать, например, двухчасовые видео­фильмы, записанные на одном диске.

Большое внимание исследователей привлекает оп­тическая память ближнего поля. Оптика ближнего по­ля использует тот факт, что свет может проходить сквозь отверстия гораздо меньшего размера, чем длина волны λ. Однако свет при этом может распространять­ся на очень короткую дистанцию — так называемую об­ласть ближнего поля. Ученые предлагают реализовать данную схему путем, например, перфорирования от­верстия диаметром около 250 нм на покрытом метал­лом конце лазерного диода. Технология же самой запи­си заключается в использовании летающей на малой высоте от подложки оптической головки, содержащей записывающее кольцо для магнитной записи и два оптических элемента. Одним из этих элементов является твердая иммерсионная линза. Линза используется для фокусировки лазерного луча в пятно ультрамалого раз­мера, которое затем проецируется на поверхность дис­ка. По некоторым оценкам, уменьшение размера от­верстия на лазере до 30 нм может позволить достичь плотности записи более чем 80 Гбит/см2.

Активно разрабатываются устройства, позволяю­щие проводить запись и считывание информации в объеме материала, то есть осуществлять трехмерное хранение информации. Использование трехмерной (3.0-память) оптической памяти позволит записывать до 1012 бит на 1 см3. Место бита в объеме материала мо­жет быть определено с помощью простых пространст­венных, спектральных или временных координат. Так, например, при голографической записи, концепция которой возникла еще в 1960-х годах, информация хра­нится в толще среды как «страницы» электронных изо­бражений.

Если упомянутые нами выше DVD имеют на каж­дой стороне лишь по два слоя записи информации, то развиваемая сейчас двухфотонная технология запи­си позволяет использовать по нескольку сот слоев на каждой стороне диска (созданные прототипы имеют 100 слоев при толщине 8 мм). При этом методе записи атом или молекула могут перейти из одного энергети­ческого состояния в другое только при одновременной абсорбции двух фотонов. Использование двух лазерных лучей позволяет легко варьировать месторасположение бита информа­ции в толще материала. Индуцированные изменения при этом могут быть зафиксированы как изменения абсорбции, флуоресценции, отражательной способно­сти или электрических свойств материала в точке рас­положения бита. Такая технология позволит сохранять до 100 Гбайт информации на одном диске того же, что и CD и DVD, размера. Одной из перспективных сред, которая может, например, абсорбировать или флуо­ресцировать при записи битов, является материал spirobenzopyran. Однако при комнатной температуре записанная в нем информация может храниться не бо­лее 20 часов. Неограниченно долго данный материал может сохранять информацию только при температуре -32°С, то есть при температуре сухого льда. Исследует­ся также возможность использования для двухфотонной записи фотохромного протеина bacteriorhodopsin и нитронафтиальдегида (rhodamine В).

Ведутся также исследования новых возможностей трехмерной записи информации, делающих ее в неко­тором смысле четырехмерной. При этом способе запи­си предлагается помимо обычной использовать также такую информацию о каждой точке записи, как длина волны, время или молекулярная структура (например, записывать информацию в одной и той же точке прост­ранства на разных длинах волн). Таким образом, мож­но будет записывать до 100 бит информации в одной точке пространства микронного размера.

Однако чисто оптические методы записи, в кото­рых среда для записи расположена на за­метном расстоянии от лазера, имеют одно важное огра­ничение — минимальный размер бита записываемой информации ограничен величиной λ/2. Это обуслов­лено дифракционными ограничениями. Даже при ис­пользовании голубого твердотельного лазера линей­ный размер одного бита информации может быть лишь около 215 нм. Хотя принципиальных ограничений на создание твердотельных лазеров с длиной волны менее 400 нм нет, но трудности создания хорошо управляе­мых компактных лазеров заметно возрастают при даль­нейшем уменьшении длины волны. Таким образом, следует ожидать, что в случае даже полного развития трехмерной памяти и при использовании голубого ла­зера чисто оптические методы позволят записывать в одном кубическом сантиметре не более 10'4—1015 бит информации. Для достижения в компьютерах плотнос­ти записи 10'4/см3 понадобится не менее 15—20 лет.