Файл: Сравнительный анализ способов и устройств хранения информации.pdf

Существовало несколько вариантов компакт-дисков: CD-audio, предназначенный только для хранения звуковой информации, CD-ROM – диск с невозможностью перезаписи закодированной при производстве информации, CD-R – с возможностью однократной записи и CD-RW, информацию на котором можно было перезаписывать многократно. Не все устройства для чтения компакт-дисков (дисководы) обладали способностью записывать информацию на диски, кроме того, CD-RW не читались на старых приводах, предназначенных для CD-ROM и CD-R, а очень старые дисководы могли воспроизводить лишь CD-audio [27.].

Сейчас CD-диски используются достаточно редко. Их ниши на сегодняшний день – это физические копии музыкальных альбомов [31.], хранение информации, записанной в то время, когда этим дискам не было доступных альтернатив, распространение небольших компьютерных программ, передача небольших объёмов информации на CD-RW диске. Оптические диски форматов DVD и Blue-Ray из-за своего большего объёма взяли на себя такие функции CD как хранение фильмов и компьютерных программ.

Технология DVD очень близка к CD, но DVD-диски обладают более плотной структурой рабочей поверхности, используют лазер с меньшей длиной волны и линзы с большей числовой апертурой, что позволяет хранить больший объём информации (до восьми с половиной гигабайт на двухслойном DVD-диске, как минимум – 4,7 гигабайта) [32.]. Они идеально подходили для хранения фильмов, аудио очень высокого качества, а также игр и других тяжеловесных программ [33.]. Впрочем, век DVD оказался короче, чем CD: в конце 2000-х годов на смену им пришла технология Blue-Ray. Произошло это по нескольким причинам: фильмы в формате «видео высокой чёткости» и современные игры уже не помещались в ограниченном объёме DVD, а распространение широкополосного интернета снизило саму необходимость физических носителей информации для медиаконтента.

В технологии Blu-ray для чтения и записи используется фиолетовый лазер с длиной волны 405 нм, что меньше, чем у DVD и CD. Это позволяет записывать информацию с более высокой плотностью – на одном Blu-ray диске можно хранить 25-50 гигабайт данных [34.]. Существуют разные варианты таких дисков – и с возможностью многократной перезаписи, и без таковой, но основным назначением этих дисков является хранение видео высокой чёткости и видеоигр.

Все вышеперечисленные оптические диски имеет смысл оценивать вместе, так как по сути они представляют из себя одну технологию на разных этапах её развития.

Таблица 12

Оценка оптических дисков как носителя информации

Кроме оптических дисков, другой популярной технологией, широко используемой в портативных носителях информации, является флеш-память. Флеш-память основана на полупроводниковой технологии, использующей для хранения информации транзисторы с плавающим затвором. «Плавающий затвор» - это изолированная проводящая область транзистора, благодаря наличию которой возможно сохранение на транзисторе электрического заряда (и, соответственно, информации) при отключении электропитания [Error: Reference source not found]. Недостатком такой структуры является то, что изменение заряда в плавающем затворе, то есть процесс записи данных, постепенно приводит к необратимым изменениям в структуре носителя. Ресурс перезаписи составляет от, в лучших случаях, сотни тысяч, до тысячи и менее раз [36.]. Кроме того, флеш-память чувствительна к электростатическому заряду. Однако дешевизна, малый объём, скорость работы и механическая прочность позволяют флеш-памяти быть очень популярной: она является основой USB-флеш-накопителей, а также широко используется в цифровых портативных устройствах вроде фотоаппаратов.

Таблица 13

Оценка флеш-памяти как носителя информации

Современные способы и устройства хранения информации обладают большими возможностями и достаточно удобны в использовании. Но количество информации, которое человечество генерирует, растёт с ускорением, и в будущем нам потребуются новые технологии: стремительное устаревание оптических дисков является примером того, как быстро популярная и удобная технология может перестать удовлетворять наши потребности. Низкая скорость работы жёстких дисков, ограничения объёма и скорости основной памяти, ограниченный ресурс флеш-памяти и твердотельных накопителей, отсутствие возможности надёжно хранить информацию дольше нескольких десятилетий – все эти неодстатки указывают на то, что в скором будущем нам будут необходимы новые способы и устройства хранения информации.

Глава 4. Перспективные способы и устройства хранения информации

Перспективы развития носителей информации

История развития компьютерных технологий учит нас тому, что подавляющее большинство электронных устройств после теоретического обоснования возможности их реализации проходит через два этапа в своём развитии: долгий (до десяти лет и более) период лабораторных экспериментов и создания прототипов, а затем – после выхода на рынок – переменный по длительности (от нескольких лет до нескольких десятков лет) период «взросления» и совершенствования технологии, в ходе которого некоторые параметры устройства могут вырасти на много порядков (например, объём жёстких дисков), а некоторые – вырасти незначительно, по крайней мере, относительно других параметров (например, скорость чтения и записи данных с жёстких дисков) [37.].

В предыдущей главе нами были рассмотрены технологии, находящиеся на втором этапе своего развития. Они широко знакомы пользователям и используются повсеместно, а высокая скорость их развития и выросшие на несколько порядков с момента появления на рынке характеристики могут породить у людей, не знакомых близко с миром высоких технологий, ощущение, что такие технологии, как DRAM, жёсткие диски и флеш-память будут использоваться всегда, становясь всё быстрее и мощнее. Однако профессионалам и учёным очевидны физические ограничения этих носителей и необходимость в интересах удобства пользователей, науки и экономического развития вывести в широкое пользование устройства, основанные на принципиально новых технологиях. В рамках этой главы мы рассмотрим потенциал нескольких способов и устройств хранения информации, пока находящихся на первом этапе своего развития. Эти технологии имеют потенциал произвести революцию в хранении информации, подобно оптическим дискам, стать новой основой современных компьютеров, заместив собой жёсткие диски или DRAM, или захватить новые ниши, востребованные пользователями, но не охваченные существующими способами или устройствами хранения информации.

Объёмная оптическая память

Одной из наиболее перспективных технологий хранения данных является кодирование в трёхмерных голографических структурах, которые могут размещаться внутри стекла или кристаллов из специальных полимеров. Объёмные голограммы обычно изготавливаются путём воздействия на фото-термо-реактивное стекло ультрафиолетовым лазером [Error: Reference source not found]. Их также можно изготовить и в обычном стекле, воздействуя лазерными лучами длительностью порядка фемтосекунды [Error: Reference source not found].

Голографическое кодирование имеет три серьёзных преимущества перед двухмерным кодированием информации, которое, например, используется в оптических дисках. Во-первых, данные хранятся внутри твёрдой структуры, а не на её поверхности, поэтому они надёжно защищены от повреждений и могут храниться неограниченно долго – потенциально, миллионы или даже миллиарды лет. Во-вторых, использование трёх измерений, то есть всего объёма носителя, вместо двух измерений плоской поверхности диска приводит к возможности кодировать гораздо больший объём информации за счёт так называемого эффекта Брэгга. В-третьих, голографическая память позволяет записывать и считывать данные во множество (до миллионов и более) потоков параллельно, в то время как информация на диск записывается всего в один или два (для двухслойных дисков) потока. Это кратно увеличивает скорость чтения и записи информации [Error: Reference source not found].

В настоящее время прототипы голографических хранилищ данных демонстрируют все преимущества этой технологии, однако коммерческие продукты на их основе не получили распространения. Препятствием к их широкому употреблению является то, что на данный момент у них отсутствует достаточно широкая ниша употребления. Являясь очень объёмными, черезвычайно долговечными, но неперезаписываемыми носителями данных, они могли бы использоваться в архивах для долговременного хранения информации или как носители для очень объёмного (терабайт и более) медиа-контента для пользователей. Однако для архивирования устройства на основе этой технологии пока слишком дороги и не могут конкурировать с дешёвыми и достаточно надёжными жёсткими дисками и SSD, а фильмы даже в самом высоком качестве или очень большие компьютерные игры не занимают более нескольких десятков гигабайт. Возможно, в будущем устройства на основе голографического хранения данных будут играть важную роль для долговременных космических экспедиций: малый объём и масса при сверхвысокой плотности записи данных, а также высокая надёжность позволят космонавтам хранить на корабле любую научно-техническую и развлекательную информацию, что серьёзно облегчит организацию таких экспедиций, так как скорость передачи информации с Земли на расстояние дальше нескольких световых часов крайне низка. Кроме того, фильмы с эффектом полного сенсорного погружения или игры с высокодетализированной виртуальной реальностью могут занимать огромные объёмы информации, несколько терабайт и более, и если в технологиях передачи информации не произойдёт прорывов, то такой медиа-контент будет удобнее всего распространять на физических носителях, таких, как голографические кристаллы.

Не стоит забывать и о таком применении этой технологии, как сохранение информации для будущих поколений. Все широко используемые на данный момент носители информации – от бумаги до жёстких дисков – серьёзно уступают в долговечности глиняным табличкам или наскальным рисункам, пробуждая опасения о том, что в какой-то момент информация о нашей эпохе будет попросту утеряна. Уже сейчас прототипы голографических кристаллов хранят в себе такие документы, как Библия или британская Великая Хартия Вольностей [39.], а после удешевления этой технологии голографическая память должна будет стать стандартным способом хранения архивных данных, многократно превосходя бумажные архивы или облачные хранилища по надёжности и дешевизне.

Таблица 14

Оценка объёмной оптической памяти как носителя информации

Энергонезависимая RAM

Компьютерная память, обладающая скоростью чтения-записи и устойчивостью к многократной перезаписи, сравнимыми с оперативной памятью, но имеющая способность сохранять данные после отключения электропитания, является очень востребованной технологией уже несколько десятилетий, однако все попытки создать такую память имели существенные недостатки. Самым простым вариантом реализации такого устройства является оснащение обычной RAM дополнительной батарейкой, благодаря которой данные, записанные в памяти, могут быть сохранены в случае внезапного отключения электроэнергии и будут храниться, пока не иссякнет заряд батарейки. Такие устройства имеют практическое применение, например, в высоконагруженных базах данных, однако не являются по-настоящему энергонезависимыми. Претендентом на роль подобной памяти является флеш-память, однако она уступает RAM в скорости чтения и записи, эффективности адресации (минимально адресуемые блоки флеш-памяти больше, чем таковые в RAM) и долговечности, начиная деградировать в лучшем случае после нескольких десятков тысяч циклов чтения и записи – что не так уж и много для активно использующейся основной памяти [36.].