2
Память, несомненно, является определенным атрибутом человекаской существии. Развитая способность запоминания, хранения, воспоминания самой разнообразной информации выделяет человека среди всех представителей животного мира. Именно память делает человека Человеком. Те из вас, кто прочитал «Буранный полустанок» Чингиза Айтматова, наверняка запомнили мрачную легенду о манкурах. У людей «убивали» память, и они становились надежными, естественные телохранители своих владык, способными не рассуждая убить собственную мать. Человек, потеряший память, сохранил человека облик, но стал чудовищем.
Совокупная память отделных индивидуумов, коллективная память всего человекаского сообщства, материализованная в книгах, картинах, потах, фотографиях, чертежах, кинофильмах, грампластинках и во многом-много другом, составляет существенные цيруны.
С возникновением вычислительной техники появились и начали развиваться приципально новые средства памяти — электронные. Функциональное назначение запоминающих устройств (ЗУ) заключается в записи, хранения и неразрушающей считывании записанной информации. Характеристика память ЭВМ, обычно говорят об нераххическом принципе ее построения как наиболее целесообразном. Рядом с процессором трудятся оперативные ЗУ, очень быстрые, но не очень емкие; вне ЭВМ — архивные ЗУ, обладающие огромной емкостью, но значительное более медленное. И — многочисленные разновидности ЗУ промежуточного типа. Образно все «зание» память ЭВМ представляет в виде парамиды, острую вершину которой составляют оперативные ЗУ, а массивное основание — архивные.
Одна из определенных tendений программы ЭВМ заключится в операционной системе,ускоренным средством памяти — современные компьютеры не столько «вычислют», сколько манипулируют с данными, хранящимися в запоминающих устройствах. Подсчитано, что для вступления в так называемое «информаное общество» — общество, в котором компьютеризация охватит все сферы производства, управления, науки, образования, культуры, быта, развлечений,—ежедневный прирост емкости ЗУ в расчете на одного человека должен приблизиться к 1 млрд. бит (такая информация содержится приблизительно в сотне книжных томов).
Замечено, что «пирамида памяти» с течение времени «деформируется», все более «заострясь» вверху и уродливо «расползаясь» у основания. И это понятно. Оперативные ЗУ, занимающие верхние этажи парамиды, нашли для себя в полное подходящий элементную базу — это полупроводниковые интерgalные схемы, подобные тем, которые используют в процессе. Вот поэтому-то процессор ЭВМ и его оперативное ЗУ идут в будущее «рука об руку», в полном согласию друг с другом.
В нижних этажах парамиды гармония разрушается. «Строительная материал» архивных ЗУ — магнитные ленты и диски — тоже непрерывно програмсирует, но за полупроводниковыми собраниями им не угнатся. И чем более производительными становится ЭВМ, тем является проявляется «тирания» архивных ЗУ, передко они требуют для своего разме
3
шения огромного зала, тогда как процессор умешается в одной стандартной стойке.
Уже в конце 60-х годов начал осуществляться дискомфорт; в 70-е годы громко заговорили о дисгармонини получодниковых микропроцессоров и магнитных 3У как об очень проблеме. Вычислительная техника стала очень благоклонно относиться к появлению альтернативных направлений в развитием среды памяти. Важнейшее место среди них заняла оптическая память, суляшая информаτικές наболее радужные перспективы. Первыми оптическими 3У, появившимися в промышленности ряда развитих стран в 1984 году, стали оптические дисковые накопители (ОДН). Идея их проста.
Кто из нас в раннем детстве неувлекался выжиганием на фанерках, фокусируя солнечный свет с помощью линзы? Если выжженную точку отложить с логической единцией («1»), а нетронутую поверхность — с логической нулем («0»), то на фанерке можно записать нужную информацию, а процесс записи — это уже, как говорится, «дело технически». Конечно, в заполненной устройстванике не использует свет от солнца (его не собрать в маленькое пятно — фокус всегда размаzan, по перipherии пятна расходятся радужные колца), да и фанерка как носитель информации, размещется, не годится. Нужен мощный монхроматический излучатель с узкой диаграммой направленности, интенсивность которого можно просто и быстро модировать, излучатель миниаторный и долговечный. Развитие техники подготовило такой излучатель — это получодниковый инженционный лазер (см. «Квант», 1988, № 11—12). А носитель пришлось создавать специально — об этих «оптических дисках» ниже.
В структуровой схеме ОДН (рис. 1) центральное зено — это и есть оптический диск, на котором лазерный луч оставляет метки памяти. Для записи луч фокусируется на поверхности врашающего диска; мощность луча подбирается такой, чтобы метка образовательась за несколько десятиков наносекунд. При этом метка не размазывается вдоль дорогки, а сохраняет форму кружочка, и обеспечивает достагоно высокая скорость записи. На источник импульсного возбуждения поступает от ЭВМ последовательность командных импульсов, и по этой программе лазер то дает яркую вспышку, то гаснет на мгновенье — так записьаемая информация «вводится» в световой луч и передается им на врашающей носитель. После каждого оборота диска луч лазера переводится на следующую дорогку, и запись продолжается. Кроме информационных меток, наносится еще и вспомогательные — метки следения за дорогкой и метки считывания. Первые признаны «удерживать» лазер на дорогке: если он чуть сокольнет, то механизм обратной связи возвращает его на «путь истинный». Метки второго видаускоряют поиск нужного массива, они образуют ключифр.
При считывании модуляция отключается, излучение поступает непрерывно. Мощность лазера снижается настолько, что были луч не мог ни создать новых меток, ни исказить существующие. «Ощупывая» врашающая диск, луч по-разному отражается от меток и отнетронутой поверхности. Таким образом записанная информация переходит в луч считывания, затем попадает на фотоидод, где пребрается в электронные импульсы, которые после успешного поступа на выход накопителя.
Важнейшим параметром ОДН является минимальный диаметр метки, создаваемой лазером, — он определяет плотность записи информации на носитель (бит/cm²). Известно, что на какие бы ихшищения мы ни пускались, световой поток невозможно свести в геометрическую точку — явление дифракции приводит к тому, что минимальный диаметр фокусированного пятна близок к длине волны λ использующего излучения. Но одно дело теория, другое — реализность. Попробуйте собрать в такое пятный шкоlet от общей лампоки накапливания —
5
соединяются не бумагой, на которой выполнен рисунок 1, и не стрелками, изображаются шimizми световые лучи. Кроме того, надо врашать диск, переводить лазерный луч с дорогки на дорогку, изменять положение следующего зеркала. Все это выполняет электромеханический сервисный код, должен обеспечить высокое постоянство скорости вращения, мгновенные остановки и изменения направления вращения, отсутствие бейеня, точную фиксацию совмещающихся элементов. Причем все должны выполнять все зависимости от износа трушихся деталей и их температуры деформаций. Указем для примера, что радиальные биния должны быть не более 0,1 мкм, а нестабильность скорости вращения — на уровне 0,01 %. К счастью, и для традиционных 3У подобные сервисные необходимы, причем все более совершенные и прецизионные. Скажем, зазор между магнитной головкой и магнитным диском должен составлять 0,1 мкм, а в некоторых специальных случаях — и 0,01 мкм; при этом даже микробы и вирусы на поверхности диска становятся помехой. Азродинамика подобных систем «вылизана» настолько, что ей могли бы позавидать и создатели знаменитых МИГ-29. Так что и в области сервисировода оптического что позаместровать у предшествников. И она, разумеется, позаместровала. Окажется ли это достаточно для оптических накопителей? Не станет ли механика тормозом, а то и вовсе не преодолимым барером на пути их прогресса? Ответ на эти вопросы сейчас неоднозначен. Подыскивать положительные аргументы становится все труднее… Однако и пессимизм здесь вряд ли оправдан — время ведь что-то подскажет, да и сегодняшие успехи ОДН настоявают скорее на максимый лад.
Постотрим теперь, что же представляется собой оптический диск. Найболее распространенным методом записи оптических импульсов стало выжигание, проплавление микроотверстией в тонкой металлической пленке.
Чтобы этот процесс протекал наилучшим образом, на шитательно отполированной поверхности стеклянной заготовки изготавливается четырехслойная пленочная структура (рис. 2). Лучлазера фокусируется на пленке рабочего металла (5) и в небольший области разогрева его до расплавления. Силы поверхностного натяжения растягивают расплав, и в пленке раскрывается сквозное отверстие. Толщина пленки ничтожна, она не превышает 0,02—0,05 мкм, поэтому форма ответия повторяет сечение лазерного лука, а диаметр ответия может быть даже несколько меньше указанного раннее диффрационного предела. Удается получать ответия диаметром 0,3—0,5 мкм; в промышленных 3У размеры ответия обчено близки к 1 мкм, а расстояния между соседними ответиями и между дорогками — около 2 мкм.
При других сложных структуры также важны, какый из них «делает свое дело». Диэлектрический подсой (4) делается из материалов с большим коэффициентом отражения — это обладает различие «0» и «1» при считывании. Алюминиевый экран (3) возвращает назад лучи, которые, не поглотившись, прошли через пленку металла, и тем самым повышает эффициент.
Рис. 2. Выжизание меток или образование микровздутина на оптическом диске.
1 — заготовка, 2 — отполированный подсой, 3 — отражатель, 4 — диэлектрик, 5 — телур, 6 — покрытие.
6
фективность использования лазерной энергии. Верхнее только произное зашитное покрытие обеспечивает надежность записи и считывания — случайные пылики, освещие на его поверхности, не восприняются оптической системой, так как они находятся не в фокусе микрообъекта 2. Если бы пылики попадали прямо на металлическую пленку, они «работали» бы точно так же, как метки, искажая смысл записанного.
В качестве материалов рабочого слоя чаще всего использовется телур — он просто нарыляется в виде однородных тонких пленок, легко плавится, в нем долго сохраняются выженные отверстия. Ускоренные испитания позволяют оценить срок хранения не менее чем в 10 лет.
Еще лучше результаты по долговечности дает замена телур на титан или платину — более 30 лет хранения. Но это требует увеличения мощности лазерного лука, поэтому вместе проплавления использует метод создания микровздутий. Для этого диэлектрический подсолю изготовлен из материалов с низкой температурой испарения — при нагреве образуется пузырек пара, вспучивающий нерасплавившуюся металлическую пленку. Считывание информации основывает на том, что отражательная способность видения намного выше, чем у неисскаженного участка поверхности металла.
Первые успешные исследования — теперь уже никто не содерживает благоговение перед уникальной лазерной технической Оказалось, что оптические диски можно изготовить и из пластиссы. Однако английская фирма разработала совсем дешевую пленку, свойствами направляющего объективную бумагу и пригодную для выживания методок.
Все это носит для однократной записи — хозяйн ОДН может по своему желанию единжды заполнить их в дальнейшем читать записанное столбко раз, сколько захочет. А почувству для них подготовили постоянные носители, появившиеся еще в 1972 году.
Они изготовливаются в фабричных условиях. В специальной студии на установке, использующей мощный газовый лазер (λ≈0,48 мкм), информация записывается на оптический диск путем выживания ответств. Только диск этот сделан особенно тщательно, а запись ведется особенно аккуратно. В результате получается образцовый диск — его называют мастер-диском, оригиналом. С мастердиска традиционными методами полигraphический технологии изготовления металлические матрицы. С матрицы отличная установка воспроизводит пластмассовые копии — по 3—4 штуки в минуту. На них затем нарылят тончайшую алюминевую или золотую пленку — участки металла на плоской поверхности и во颁инах обладают разными отражениями свойствами. Затем две копии склеивания ребефом внутри (для защиты) — и двусторонняя пластинка готова.
Как говорится, «дешево и сердито». Конечно, дешево только в том случае, если с одного оригинала наштамповать, например, сотню тысяч, а еще лучшие миллион одинаковых копий. А это возможно лишь при записи определенной спецификации информации. Так и появились вначале аудиодисски с очень качественной цифровой записью музыкальных программ, а затем — видеодисски с телевизionной «начинкой». Все рекорды массовости повышают рок-видеоклипы, обеспечившие две современные формы развития — рок-муззы и телевидение. Проигрыватели оптических дисков (их часто называют лазерными электрофонами) получают все более широкое распространение в развитых странах.
Все это хорошо, скажете вы, но как можно оптические дискы ставить в один ряд с магнитными? Ведь магнитную запись хозяйнь — храншь, хозяйнь — стираешь и пишешь новое. И полки захламлят не надо, да и деньги попусту не расхудются. А оптическая запись — что-то вроде насакальной живописи: нарисованное сохраняется наеки, но для
7
каждого нового рисунка нужна новая скала.
Оптические диски для многократной перезаписи информации — их еще называют реверсивными, страемыми дискими — пока еще не получили повышенное промышленного распространения, но несколько подходящих физических эффектов, делающих их изготовление удобным и выгодным, уже подобрано.
Пока наиболее симpatичные прибрежные магнитоптические диски. Некоторые ферромагнитные пленки, например сплавы «марганец — висмут» или аморфный состав «железо — кобальт — гадолиний — тербиий», в местах разогрева лазерным лучом меняют свои магнитные свойства (как иногда говорят, меняют магнитную полярность). Вследствие этого «превращенные» участки — метки записи — изменяют поляризацию отраженного луча света иначе, чем остальная поверхность. Если в схеме, приведенной на рисунке 1, на выходе лазера помещить поляризатор, а перед фотодiodом — анализатор, то при считывании лучи, отраженные от метки и отнетронутой поверхности, вызовут разную реакцию фотодiodа. Различие это очень незначительное, логическое «1» и «0» очень «похожи» друг на друга, но современная электроника умудряется их различить. Для страницы весь диск либо помещают в магнитное поле, либо нагревают и охлаждают. Похоже, что цикл «запись — считывание — стирание» можно повторять сколько годно раз — магнитоптические диски не «утомляются», и в этом их основное достоинство. Но это время хранения не превышает всего двух лет — утерано достоинство оптических дисков и «приобретен» порок магнитных. И еще одно. Для магнитоптических дисков не годятся обычные лазерные электрофоны, расчитанные на диски с выженными отвергениями или с микроведутями,— нужны новые проигрыватели.
Терять уже прибрежное кому же захочется — поэтому и другие реверсивные носители. В некоторых