Запоминающие устройства Магнитный способ записи и считывания

Запоминающие устройства

Магнитный способ записи и считывания информации Опыт Поулсена по магнитной записи информации

Магнитные запоминающие устройства ЦМД Цилиндрические магнитные домены возникают при определенных условиях в тонких монокристаллических, предварительно намагниченных пленках ферритов, обладающих сильной одноосной перпендикулярной анизотропией.

Графическое изображение магнитного поля ферромагнитного образца:

а – образец находится в одномерном состоянии б – ферромагнетик разбит на домены с противоположным направлением векторов намагниченности в – доменную структуру ферромагнетика составляют антипараллельные и замыкающие домены

Распределение векторов намагниченности в блоховской доменной границе. Стрелки изображают векторные проекции векторов М на плоскость, перпендикулярную оси легкого намагничивания пленки.

ЦМД как носитель информационного сигнала обладает следующими свойствами: l неограниченно долго сохраняется в системе до, во время, и после взаимодействия l свободно перемещается в двух l измерениях при отключении питания сохраняется l управляемо зарождается или l коллапсирует делясь на две части, реплицируется, восстанавливая первоначальную форму и размер l визуально и электрически регистрируется l дипольно взаимодействует с другими соответствующими ЦМД

Для генерации доменов используется аппликация в виде петли, по которой протекает ток 1 - подложка ГГГ 2 - эпитаксиальная ферритовая пленка 3 - изолирующая пленка 4 - аппликация 5 - ЦМД

Возникновение ЦМД и его взаимодействие с аппликацией

Доменопередвигающая структура (ДПС) состоит из периодически повторяющихся аппликаций из пермаллоя Элементы ДПС l=4, 6 dном - номинальный диаметр домена

Один бит магнитной информации – это один магнитный домен. Запись одного бита информации осуществляется путем подачи тока в электрическую катушку. Считывание информации: выявление динамических неоднородностей, несущих логические "0" (нет домена) и "1" (есть домен) и осуществляется в устройстве, называемом детектором.

Характеристика магниторезистивных детекторов: lвысокая надежность lхорошая термостабильность lширокий частотный диапазон lпростота реализации

Конструкция запоминающего устройства на ЦМД а) микросборки ЗУ на ЦМД б) отдельного ЧИПа

Схематическое изображение устройства для записи магнитной информации

Экспоненциальный рост плотности записи

Характеристики ЦМД Пленки ферритов (Me. O·Fe 2 O 3, Ме - двухвалентный металл, например: Mg, Ni, Ca, Cu, Zn) lразмеры составляют 1 - 5 мкм lплотность записи информации в таких системах составляет 104 - 105 бит/мм lскорость записи - 106 бит/с

Характеристики ЦМД Аморфные магнитные пленки сплавов переходных металлов с РЗ металлами типа Gd-Go и Gd-Fe l размеры: диаметр < 1 мкм lплотность записи информации до 109 бит/см 2 lпростота изготовления, относительно низкая стоимость lнизкая термостабильность

Применение ЦМД: В устройствах памяти, т. к. позволяют получить: l высокую плотность записи информации l малую потребляемую мощность l высокое быстродействие (~10 -7 с) l низкую стоимость Отсутствие движущихся носителей позволяет запоминающие устройства на ЦМД использовать в бортовых системах

Оптическая память Характеристика компакт дисков (CD) по объему: l 74 min/650 MB (74 минуты/650 Мбайт) l 80 min/700 MB (80 минут/700 Мбайт) l 90 min/800 MB (90 минут/800 Мбайт)

Характеристика компакт дисков (CD) по типу физического формата: l CD-R (CD-Recordable — записываемый лазерный диск) l CD-RW (CD-Re. Writable — перезаписываемый лазерный диск)

Схема магнитооптической записи информации

Топографическое (слева) и магнитное (справа) изображения поверхности магнитооптического диска

Поверхность лазерного диска под электронным микроскопом чередующиеся цепочки углублений – «питы» (от английского pit – ямка, впадина) возвышенности – "ленды" (от английского land – равнина, земля)

Поверхность лазерного диска под электронным микроскопом ленды отражают большую часть падающего на них света лазерного излучателя, а питы в силу своей удаленности от точки фокуса не отражают практически ничего

"Питы" и "ленды" образуют цепочки с длиной от трех до десяти "питов" ("лендов") каждая. Переход от "пита" к "ленду" (или наоборот) соответствует логической единице, а логический нуль представляется отсутствуем переходов в данном месте.

На CD-R дисках "питы" заменяет специальный слой прожигаемого красителя, деформирующего отражающий слой и препятствующий отражению лазерного луча в данном месте.

В систему для считывания информации с CD в строен лазерный диод, работающий в ближней ИК-области спектра. Этот диод детектирует выбитые на поверхности диска ямы с характерным размером около 1 мкм и тем самым считывает записанную информацию.

DVD - диски По типу физического формата : l диски только для чтения l диски для однократной записи (DVD-R и DVD+R) l перезаписываемые диски (DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM)

DVD - диски Типы DVD-дисков: l DVD-5 —(single-sided, single-layer disc) однослойные односторонние диски с емкостью 4, 7 Гб. Размеры: диаметр — 12 см, толщина — 1, 2 мм. Запись данных осуществляется лишь на одной стороне диска l. DVD-9 —(single-sided, double-layer disc) двухслойные односторонние диски емкостью 8, 5 Гб. Имеют два информационных слоя: внутренний и внешний, который наносится на поверхность первого слоя и состоит из специального полупрозрачного материала

DVD - диски Типы DVD-дисков: l DVD-10 (double-sided, single-layer disc) — двухсторонний оптический диск с одним информационным слоем; емкость — 9, 4 Гб l. DVD-18 (double-sided, double-layer disc) — двухсторонний диск с двумя информацион- ными слоями. Имеет емкость в 17 Гб

Лазерный диск VCDHD (Versatile Compact Disc high Density или многофункциональный диск высокой плотности). Характеристики: l объем информации в 4, 7 Гб (как и DVD) l весит всего 8 г, а не 16 г, как DVD l в два раза меньше себестоимость, и времени на его производство тоже нужно в два раза меньше l его легко можно сгибать, не опасаясь повредить запись l поверхность дополнительно защищена от царапин и механических повреждений

Диски для хранения видео высокого разрешения l FVD (Forward Versatile Disc) vодносторонний однослойный диск емкостью 6 Гбайт vдвусторонний двухслойный, емкостью 11 Гбайт l EVD (Enhanced Versatile Disc) vодносторонний однослойный емкостью 9 Гбайт

Оптические технологии хранения данных от традиционных красных лазеров переходят к синим, с меньшей длиной волны, позволяющим добиться более высокой плотности записи данных. l HD-DVD l Blu-Ray Disc l. UDO (Ultra Density Optical)

Характеристика Blu-Ray Discs: l емкость до 200 Гбайт l скорость считывания данных 11 Мбайт/сек l скорость записи данных 9 Мбайт/сек

Оптические системы ультравысокой плотности хранения UDO. Картридж UDO в формате Rewritable

Сравнение CD, DVD и UDO

Вариации и размеры Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23, 3/25/27 или 33 Гб, двухслойный диск может вместить 46, 6/50/54 или 66 Гб. Также в разработке находятся диски вместимостью 100 Гб и 200 Гб с использованием соответственно четырёх и восьми слоёв. Корпорация TDK уже анонсировала прототип четырёхслойного диска объёмом 100 Гб.

ГОЛОГРАФИЯ (от греч. холос – полный и графо – пишу) – способ получения объемных изображений предметов на фотопластинке (голограмме) при помощи когерентного излучения лазера.

Голографию изобрел (и придумал название) английский физик Деннис Габор в 1947, исследуя законы построения изображений в оптике и работая над совершенствованием электронного микроскопа. Голограммы Габора (плоские голограммы): толщина фоточувствительного слоя значительно меньше длины волны.

Схема записи голограмм Габора

1 – излучение лазера в виде монохроматической плоской электромагнитной волны 2 – опорный пучок 3 – зеркало 4 – предмет А – плоскость пластинки а-в – волновые поверхности рассеянного излучения L 1, L 2 – длины хода опорного и предметного лучей

Система воспроизведения голограммы

В 1962 американские оптики и радиофизики Эммет Лейт и Дж. Юрис Упатниекс усовершенствовали схему Габора, разделив предметный и опорный пучки, которые стали теперь пересекаться непосредственно перед фотопластинкой. Это позволило, во-первых, голографировать непрозрачные предметы сложной формы, а во-вторых, разнести восстановленные изображения в пространстве.

Российский физик Юрий Николаевич Денисюк создал принципиально новый способ записи голограмм в толстом слое фотографической эмульсии. Используются толстые, объемные фотоматериалы, в которых толщина фоточувствительного слоя значительно превышает длину волны.

Схема записи (а) и воспроизведения (б) голограмм Денисюка 1, 2 – предметная и опорная волны 3 – фоточувствительный слой, 4 – предмет

Схема интерференции отраженных волн

Две голограммы Денисюка, восстановленные светом галогеновой лампы

В 1969 г. Стивен Бентон из Polaroid Research Laboratories (США) изготовил пропускающую голограмму, видимую в обычном белом свете. Голограммы, изобретенные Бентоном, были названы радужными, так как они переливаются всеми цветами радуги, из которых состоит белый свет. Голограммы именно такого типа применяются сегодня для защиты от подделок документов, банковских карточек.

Акустическая голография Фаза акустической волны измеряется непосредственно, поэтому опорная волна не нужна, а процесс записи и восстановления голограммы превращается в вычислительный процесс, который может выполнить ЭВМ, если пространственное распределение амплитуд и фаз рассеянных предметом волн известно.

Динамическая голография При интерференции предметной и опорной волны интенсивность света меняется в пространстве. В соответствии с ней меняется и показатель преломления, а в среде возникает голограмма объекта, которая существует, пока существует лазерное поле. Фиксируются в реальном масштабе времени все изменения в положении и форме предмета в объеме нелинейно-оптической среды.

Схема обращения волнового фронта (а) и закон сохранения импульса (б): 1, 2 – волны накачки 3 – нелинейная среда 4 – искаженная волна 5 – сопряженная волна

Трехмерная голографическая атомная нанотехнология оптического хранения данных (Rewritable 3 D Volume Atomic Holographic Optical Storage Nano. Technology). В данной разработке при записи данных на ферроэлектрический голографический съемный носитель будет использоваться ультрафиолетовый/глубоко-синий лазер в полупроводниковой головке чтения/записи.

Использование ферроэлектрических нелинейных фотонных кристаллов, делает возможным управление и манипулирование светом внутри ультрафиолетового/глубоко-синего спектра (частоты, соответствующие длине волны от 1 до 400 нм). Возможность "удерживания" данных более ста лет. 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.

Свойства голографического способа записи информации: l любой, самый маленький участок плоской голограммы «по Габору» содержит зрительную информацию обо всем предмете l голографическое изображение можно увеличить на стадии восстановления l если на одну пластинку записать несколько голограмм, используя разные, но не кратные, длины волн, все они могут быть считаны независимо при помощи лазеров с соответствующим излучением l голограмму можно рассчитать и нарисовать при помощи компьютера и даже вручную

Типы голограмм: 2 D-голограммы Двухмерная голограмма представляет собой набор дифракционных решеток, различающихся частотой и углом наклона штрихов. Строго говоря, это не голограммы, а дифракционные оптические элементы, синтезированные, как правило, из отдельных дифракционных решеток.

Типы голограмм: 3 D (трехмерные) –голограммы представляют собой трехмерные изображения объектов, обладающих шириной, длиной и глубиной. Простейший пример трехмерной голограммы - изображение голубя на карточке VISA. Изображение может рассматриваться при освещении белым светом.

Типы голограмм: 2 D/3 D голограммы Радужная голограмма этого типа имеет два плана. Первый план совпадает с поверхностью голограммы, и на этом плане может содержаться некое изображение или буквенная информация. Позади первого плана в глубине находится второй план, также содержащий некую информацию.

Типы голограмм: Защитные голограммы Сама по себе голограмма обладает высоким защитными свойствами благодаря тому, что она не может быть изготовлена или скопирована с помощью ни одной из современных полиграфических технологий.

Применение голографии: Статическая голография: l голографическая интерферометрия, позволяющая зримо наблюдать малые деформации изделий при изменении нагрузки и распределение этих деформаций по поверхности тела l информационные технологии (голографические устройства распознавания образцов) l объемные голограммы используются в музейных выставках (полная зрительная иллюзия оригинала)

Применение голографии: Статическая голография: l адаптивная оптика (корректировка волнового фронта излучения лазеров) l голограммы могут заменять линзы, дифракционные решетки, служить светофильтрами, пропускающими свет с определенными длинами волн l системы обработки и хранения информации, перспективы создания новых видов памяти для ЭВМ

Применение голографии: Акустическая голография: l можно получить информацию о структуре земной коры, океаническом дне, выявлять наличие неоднородностей в естественных и созданных человеком объектах l звуковая голография используется в подводном звуковидении, бесконтактной диагностике машин и механизмов l получение акустических изображений биологических, непрозрачных для света объектов, в устройствах медицинской диагностики для получения информации о внутренних органах

Применение голографии: Динамическая голография: l на основе динамических голографических преобразователей могут быть созданы логические элементы ЭВМ с чрезвычайно высоким быстродействием (10 -12 с), системы оперативной памяти l создание мощных лазерных систем, в которых однородность оптических элементов меняется со временем l решает задачу автоматического наведения лазерного излучения на движущуюся мишень (установки лазерного термоядерного синтеза)

Флэш - память

Флэш-память — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти. Существуют два типа флэш-памяти: l Nand (англ. non-and) l Nor (англ. non-or) В обоих типах памяти в качестве элементарных ячеек хранения информации используются полевые двухзатворные МОП-транзисторы (транзисторы с плавающим затвором).

По конструктивному исполнению и интерфейсам различаются следующие типы съемной памяти: l Compact Flash Type. I(CF I) l Compact Flash Type. II (CF II) l Memory Stick l Secure. Digital (SD) l mini. SD l x. D-Picture Card (x. D) l Multi. Media. Card (MMC) l RS-MMC l Smart. Media Card (SMC) l USB-flash

Характеристики флэш-памяти: l может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (обычно около 10 000) l энергонезависимость — при выключении энергии содержимое памяти сохраняется l отсутствие движущихся частей l более компактна, дешева (с учётом стоимости устройств чтения-записи) и обеспечивает более быстрый доступ по сравнению с жёсткими дисками, CD-ROMами, DVD l емкость до 60 Гбайт

Применение флэш-памяти: l в портативных устройствах, работающих на батарейках и аккумуляторах — цифровых фотокамерах и видеокамерах, цифровых диктофонах, MP 3 -плеерах, КПК, в программируемых калькуляторах. l для хранения встроенного программного обеспечения в различных периферийных устройствах (маршрутизаторах, коммуникаторах, принтерах, сканерах)

Новинки: создание технологии, которая позволит в сотни и тысячи раз увеличить емкость носителей информации на базе флэш-памяти. Плотность записи в них может составлять около 12, 8 терабайт на 1 кубический сантиметр. Технология позволяет стабилизировать поведение ферроэлектрических (cегнетоэлектрических) материалов на наноуровне с помощью окружения ферроэлектрических нанотрубок (толщиной менее чем в 10 атомов) молекулами гидроксила (OH) и карбоксила (COOH). Возможно, созданные по новой технологии флэшмикросхемы не только заменят собой жесткие магнитные диски, но и найдут применение в оперативной памяти

Запоминающие устройства