آشنایی با ذخیره سازی داده های هولوگرافیک

با پیشرفت فناوری و لزوم استفاده از حافظه های پر ظرفیت احساس شد که ذخیره داده های هولوگرافیک این مهم را فراهم کرده است. به این شکل که می توان حجم وسیعی از اطلاعات را روی مدیوم کوچکی ثبت کرد. این قابلیت تا حدی است که می تواند یک ترابایت اطلاعات را روی مدیوم بسیار کوچکی به اندازه کریستال شکر ثبت کند.

هم چنین این روش ذخیره سازی، برخلاف سایر روش‌های ثبت، به صورت متناوب و سری صورت نمی گیرد و به همین علت بازیابی اطلاعات نیز تناوبی نیست و می توان یک باره اطلاعات را بازیابی کرد.

جزئيات حافظه های هولوگرافیک

ثبت اطلاعات و ذخیره سازی داده ها در مدیوم ثبت همانند ثبت تصاویر هولوگرافیک است. در تکنیک ثبت تصاویر سه بعدی، تصویر به صورت اختلاف منظر در دید (پارالاکس) بازسازی می شود که با تغییر زوایه، تغییر در منظر تصویر خواهیم داشت که به وسیله دو پارامتر فاز و دامنه ی نور که توسط پرتوهای حاصل از لیزر فراهم می شود، ثبت می شود. حافظه های هولوگرافیک نیز با همین تکنیک، به صورت دیجیتال اطلاعات را در عمق مدیوم ثبت می کند.

روند ذخیره سازی اطلاعات روی حافظه های هولوگرافیک

ذخیره سازی اطلاعات روی حافظه های هولوگرافیک همانند ثبت تصاویر هولوگرافیک نیاز به پرتو لیزر، جداکننده پرتو و مدیوم ثبت دارد. ثبت به این صورت انجام می گیرد که اطلاعات از حالت سیگنال الکتریکی به سیگنال نوری تبدیل می شوند که به تبع آن کنترل پذیر نیز می شوند. نتیجه‌ی این عمل، توسط تابش به قسمت کوچکی از مدیوم پردازش می شود و سیگنال خروجی نوری لیزر به قسمت نوردهی شده هدایت شده و می تابد. در واقع نور لیزر به دو پرتو مرجع و سیگنال تقسیم می شود.

پرتو مرجع به سمت ماده ثبت می رود و پرتو سیگنال از تعدیل کننده‌ی فضایی می‌گذرد و داده های دیجیتال باینری به الگوی تیرگی و روشنی با ویژگی اپتیکی تبدیل می‌شود و پس از آن روی ماده ثبت با پرتو مرجع تداخل را می سازند و ذخیره‌سازی اطلاعات صورت می گیرد.

هنگامی که لیزر Blue-Argon روی مدیوم متمرکز می شود و یک جداکننده پرتو، نور لیزر را به دوقسمت پرتو مرجع و پرتو سیگنال تبدیل می کند، پرتو سیگنال از تعدیل کننده فضایی نور عبورمی کند، جایی که اطلاعات دیجیتال به شکل صفر و یک سازماندهی می شوند و به یک الگوی دوبعدی از تیرگی و روشنی تبدیل می شود.

پرتو سیگنال خالص از کریستال های متفاوت برای ثبت استفاده می کند. وقتی دو پرتو مرجع و پرتو سیگنال، الگوی تداخل را می سازند، داده ای که توسط پرتو سیگنال حمل می شود، روی مدیوم ثبت می کند. صفحات داده های متفاوت روی سطح مورد نظر، با توجه به زاویه پرتو مرجع و تداخل آن با پرتو سیگنال ذخیره‌سازی می‌کند. هر بخش(صفحه) از داده ها توسط تعدادی بیت تعریف می شود که ظرفیت سیستم برابر است با اندازه (در بیت) و تعداد صفحات قابل ثبت هستند.

آینده‌ی حافظه های هولوگرافیک بسیار امیدبخش است و توانایی ذخیره سازی داده با دانسیته بالا را دارد. با توجه به حجم کم مدیوم ثبت، هزینه آن مقرون به صرفه است.

دیسک میکرو هولوگرافیک چیست؟

فن آوری های فعلی نوری ذخیره اطلاعات مانند Blue-ray و دی وی دی تنها قادر به ذخیره اطلاعات برروی سطح دیسک ها هستند. با استفاده از الگوهای هولوگرام های سه بعدی، اطلاعات می تواند از کلیه فضای حجم ذخیره استفاده کند. یک شرکت پژوهشی اخیرا اعلام کرده است که در کار برروی پروژه ای است که می تواند فن آوری گنجایش ذخیره بر روی دیسک ها را تا حد زیادی بهبود بخشد.

به گزارش گروه فن آوری اطلاعات و ارتباطات هیتنا، طبق ادعاهای اعضای GE GLOBAL RESEARCH، که برروی این پروژه کار می کند، دیسک های میکرو هولوگرافیک به دلیل استفاده ی کامل از تمام فضای ذخیره سازی گنجایشی برابر ۲۰ لایه دیسک بلو ری، ۱۰۰ عدد دی وی دی و یا هارد لپتاپ ها را دارا می باشد.

تیم تحقیقاتی در طول دو سال گذشته برروی ارتقاء کیفیت مازاد برای افزایش سرعت ثبت اطلاعات بر روی این دیسک ها و سایر ویژگی های آنها تمرکز نموده است. این دیسک ها که سرعتی در حدود سرعت Blue-ray را دارند راه حل مناسبی برای آرشیو سازی و یا محصولات سرگرمی خواهند بود.

خطاهای احتمالی در ثبت حافظه های هولوگرافیک

ایجاد خطا در سیستمی که حجم انبوهی از داده را روی قطعه کوچکی ذخیره می کند، امری اجتناب ناپذیر است. فاکتور های مهمی برای کنترل خطاهای احتمالی وجود دارد که ممکن است در ثبت، ذخیره سازی و یا بازیابی اطلاعات رخ دهد. با توجه به این مسئله در حافظه های هولوگرافیک، نسل بعدی سیستم های کامپیوتری شکل کنترل شده و قابل اعتمادی را ارائه داده است.

هنگام ثبت داده ها روی مدیوم، برخی از فاکتور ها عامل بروز خطا و اشتباه در ثبت باشند. یکی از بزرگ ترین این فاکتورها نویز ایجاد شده توسط نور لیزر می باشد. وقتی پرتو لیزر (در طول SLM) به دو قسمت تفکیک می شود. نور تولید شده ممکن است در جاهایی که باید بلاک (بسته) باشند، نفوذ کند. در نواحی که ارزش نور صفر است، تمایل به ایجاد مقداری نور وجود دارد. که در صورت بروز این پدیده، بیت در آن منطقه تغییر می کند. برای مثال اگر ثبت در مناطقی که کد صفر زیاد باشد، احتمال تغییر به کد یک و بروز اشتباه وجود دارد.

تغییراتی در کیفیت ماده ثبت و لیزر ها به وجود آمده است ولی این بهبود و پیشرفت در کیفیت، مستلزم صرفه اقتصادی و کارآمد بودن آن است. محدودیت جدی که در پرتو های لیزر و مواد حساس به نور فعلی وجود دارد شامل برخی از مواد و فاکتور ها مثل تاخیر درسیستم ثبت هولوگرافی می باشد.

خطا های روش ثبت داده آزاد

در ثبت داده به صورت آزاد، روشی که اطلاعات را می خواند نیز خطا را به شکل ازاد اعلام میکند. داده ها در فرمت صفحه به روشی برای کنترل خطا احتیاج دارند. کنترل خطا در حال حاضر روی جریان بیت ها متمرکز است. چرا که داده ها در شکل دو بعدی روی صفحه قرار دارند ولی اصلاح خطا احتیاج به محاسبه یک بعد دیگر از بیت را دارد، چرا که داده ها در حافظه های هولوگرافیک به شکل سه بعدی ذخیره می شود.

خطاهای حافظه هولوگرافیک

در این حالت صفحه به دو قسمت با چیدمان دوبعدی تبدیل می شود که به این دو بخش ردیف ها و ستون هایی از بیت اضافه می شود. بیت های اضافه شده در این ردیف ها و ستون ها، شماره های فرد با کد یک و شماره های زوج با کد بیت صفر زوجیت و موازنه می سازند. این بخش ها دوباره به هم پیوند می خورند و برای ثبت به مدیوم هولوگرافیک فرستاده می شود.

ثبت هولوگرافی داده ها چیست ؟

ذخیره گرهای هولوگرافی با ثبت عکس های داده درون رسانگر عمل می کنند. روند ذخیره ی اطلاعات با شکست امواج لیزری به دو قسمت آغاز می شود. یکی از این اشعه ها مرجع و دیگری اشعه ی حمل داده ها نامیده می شود با گذر از ابزاری که تلفیق کننده ی نوری آن را در یک نقطه مسدود می کند. سپس اشعه ی مرجع با بازتابش اشعه ی حامل داده را به رسانگر پیوند می دهد و الگوی سه بعدی انکسار یافته در درون رسانگر حاصل می شود. ذخیره گرهای هولوگرافی رسانگرهای مدور در درون صفحات سی دی و دی وی دی به وجود می آورد.

داده بعد از رایت شدن با استفاده از اشعه ی مرجع خوانده می شود. ثبت سه بعدی داده ها تنها تفاوت بین ذخیره گرهای هولوگرافی و ثبت بر دیسک های فشرده است. رسانگرهای نوری سنتی با استفاده از اشعه ی لیزری داده ها را دو بعد در کنار سایر داده های مدور قرار می دهند. در مقایسه ذخیره گرهای هولوگرافی یک میلیون تصویر را در یک لحظه ثبت می کنند. امروزه تکنولوژی ذخیره گرهای هولوگرافی به رسانگرهای حساس به نور در محفظه های محافظتی جداشدنی وابسته اند. رسانگرهای رایت شدنی مانند سی دی رام به سی دی رایت ودی وی دی رام به دی وی دی رایت در چند سال آینده ظهور خواهند کرد.

چگونگی ذخیره سازی هولوگرافی داده ها

برای ذخیره سازی هولوگرافی داده ها، دو لیزر استفاده می شود: پرتو مرجع و پرتو سیگنال. پرتو سیگنال ، توسط داده های نوشته شده مدوله می شود ، در حالی که پرتو مرجع ، منطقه هدف را روشن نگه می دارد و به طور موثری ، جایی که در آن داده ها در حال ضبط هستند را پیگیری می کند. برای خواندن داده ها، پرتو مرجع دقیقا متوجه همان محل می شود، و هولوگرامی از داده های ذخیره شده توسط پرتو سیگنال ایجاد می گردد. این هولوگرام فورا توسط یک حسگر، خوانده می شود که بسیار شبیه به سنسور CMOS در یک دوربین دیجیتال است.

ذخیره سازی خطی

بر خلاف رسانه های ذخیره سازی خطی (HDD، DVD، نوار) معمول ، هر بیت از تصویر هولوگرافی به موازات هم خوانده می شوند، که به طور بالقوه نسبت داده های بسیار بزرگی را نتیجه می دهد.

ذخیره سازی نیز می تواند (در تئوری) مقدار زیادی از داده ها – حدود چهار گیگابایت در هر میلی متر مکعب – را ذخیره کند. در واقع، بسته به ضخامت و کیفیت رسانه ذخیره سازی، و لیزر، هزاران هولوگرام مجزا می تواند ذخیره شود، که در بالای یکدیگر انباشته شده اند.

بسته به نوع زاویه و طول موج پرتو مرجع، و موقعیت رسانه ها، هولوگرام های مختلف را می توان پیش بینی کرد. HVault ادعا می کند که این سیستم می تواند جایگزین کلاستر های ذخیره سازی پتا بایتی شود، اما آن چه به طور مستقیم نمی گویند این است که چه مقدار اطلاعات می تواند بر روی هر دیسک ذخیره سازی ذخیره شود.

چهار گیگابایت در هر میلیمتر مکعب حدودا برابر است با ۲٫۵ تترابایت در هر اینچ مربع – بیش از دو برابر چگال تر از فن آوری هارد دیسک HAMR که به تازگی در شرکت Seagate اعلام شده است. در نهایت، رسانه های هولوگرافی به معنای طول عمر بیش از ۵۰ سال، در مقایسه با طول عمر ۲-۵ سال برای ذخیره سازی مغناطیسی است.

این واقعیت که یک عکس مناسب از برخی از ذخیره سازی های هولوگرافی به اشتراک گذاشته نشده است، احتمالا نشانه خوبی برای راه اندازی آن نخواهد بود، با این حال از صحت این حرف هم مطمئن نخواهیم بود. ما فقط باید منتظر بمانیم و ببینیم که آیا HVault در بهار امسال راه اندازی می شود، یا اینکه هنوز هم فقط یک نرم افزار در حال تکمیل است .

مزایا و معایب حافظه های هولوگرافیک

در بحث ذخیره سازی هولوگرافیک، به کلیات ثبت حافظه های هولوگرافیک پرداخته شد. در این بخش با اشاره به مزایا، معایب و موانع آن را دنبال خواهیم کرد.

مزایای سیستم حافظه های هولوگرافیک

• اولین و مهم‌ ترین مزیت سیستم حافظه های هولوگرافیک ، قابلیت بازیابی کل صفحه به سرعت و یک دفعه ای (و نه به شکل ترتیبی و تناوبی) است.
• ظرفیت و حجم ذخیره‌سازی بسیار بالا تا حدی که قدرت ذخیره‌ی یک ترابایت اطلاعات در ابزاری به کوچکی یک کریستال شکر را دارد.
• سرعت در انتقال و جابه‌جایی داده ها و قابلیت اعمال تنظیمات مورد نظر به طور کامل (انتقال با سرعت ۱تا۱۰ گیگابایت در ثانیه)
• ذخیره سازی به صورت متناوب و سری (همانند سایر حافظه ها) انجام نمی گیرد و قابلیت خواندن و بازیابی اطلاعات را به طور موازی دارد.

معایب سیستم ذخیره داده های هولوگرافیک

• در سیستم ذخیره‌سازی اطلاعات هولوگرافیک ، ابزارهای پیچیده و تنظیمات سختی برای انطباق زاویه پرتو مرجع دوم که روی کریستال صفحه متمرکز می شود وجود دارد. چراکه این پرتو دقیقا باید منطبق  با پرتو مرجع اصلی  و بدون هیچ انحرافی باشد. در غیر این صورت اگر حتی به مقدار یک هزارم میلی متر اختلاف وجود داشته باشد، در نتیجه، در بازیابی داده ها خطا خواهیم داشت.

• اگر لایه ها و صفحات بسیار زیادی روی یک کریستال ذخیره شود، مقاومت هولوگرام پایین خواهد آمد.
• اگر در ذخیره‌ سازی حجم بالا، کریستال مرجع استفاده شده برای بازیابی هولوگرام در زاویه ای دقیق متمرکز نباشد، مقدار زیادی از اطلاعات زمینه ی لایه ها و صفحات دیگر ذخیره شده در کریستال را بر می دارد.

موانع توسعه ذخیره داده های هولوگرافیک

• فقدان وجود مدیوم ثبت هولوگرافیک مناسب با سیگنال بالا نسبت به نویز سیستم
• تکنولوژی نوری (اپتیکی) برای پیشرفت، دارای یک مانع است و آن ترکیبات سنگین نیمه رساناها و تکنولوژی های مغناطیسی است.
• سیستم هولوگرافیک نیازمند لنزی است که انتقال سیگنال از SLM  به شناساگران را انجام دهد و یا برای هدایت زاویه پرتو مرجع به کار گرفته شود. این دو ویژگی باعث بالارفتن هزینه ها و هم چنین حجم مدیوم ثبت می شود.
• لیزر باید به قدری کارامد و قوی باشد که طول موج مناسب را فراهم کند و به قدر کوچک باشد که برای ابعاد کلی سیستم قابل قبول و توجیه پذیر باشد و به نحوی باشد که تعادل بین ابعاد، هزینه و کارایی در تعادل باشد و یا این که با توجه به هدف، یک ویژگی را پررنگ تر کنیم.

در نهایت باید اذعان داشت که آینده‌ی حافظه های هولوگرافیک بسیار امیدبخش است و توانایی ذخیره سازی داده با دانسیته بالا را دارد. با توجه به حجم کم مدیوم ثبت، هزینه آن مقرون به صرفه است. با تمامی اوصاف این تکنولوژی بسیار جدید و نوپاست و در سال های آینده پیش رفت چشم‌گیری خواهد داشت.

مزایا و معایب های ذخیره گرهای هولوگرافی چیست؟

از مزیت های این نوع ذخیره سازی می توان به حفظ اسناد آرشیوی برای مدت زمان بسیار طولانی برخلاف دیسک های فشرده اشاره کرد. برایان گرات از اعضای انجمن استراتژیک کارآفرینان گفت دیسک های فشرده نسبت به سایر المان ها غیر قابل نفوذ هستند. نمونه هایی از صفحه ها را مشاهده کردم پس از جوشانده شدن در آب داغ و فریز شدن و سپس غلتانده شدن در آب مجددا قابل استفاده بوده اند.

تکنولوژی هولوگرافی نیز قابل حمل ونقل اند و در آن امکان توزیع داده های فشرده ی تبلیغاتی و یا ویدئو های با امنیتی که از طریق اینترنت نیست، وجود دارد. این تکنولوژی جالب توجه شرکت هایی خواهد بود که اسناد آرشیوی خود را به صورت هولوگرافی ثبت می کنند.

برای مثال ذخیره گرهای هولوگرافی که به سیستم مجموعه نوارهای مجازی پیوسته اند باید جایگزین مناسب تری باشند. هزینه ی هولوگرافی های ذخیره گر اولیه در آغاز ۱۰۰۰۰ دلار بوده است وقیمت هر دیسک ۱۰۰دلار بوده است. ظرفیت رسانگرهای هولوگرافی در حدود ۳۰۰ گیگا بایت بوده است. انتظار می رود این مقدار با گذشت زمان افزایش یابد. ساخت دیسک های نوری ۳۰۰ گیگا باوجو نمونه یک تری بایت دشوار است. قابل ذکر است که میزان امنیت و ماندگاری فایل های هولوگرافی با گذر زمان ثابت نشده است.

حساسیت ثبت های هولوگرافی داده ها

ثبت های هولوگرافی حساسیت بالایی نسبت به داده ها دارند. اگردر حین رایت سی دی ها بافر از دستگاه خارج شود، دیسک تخریب شده و دیگر قابل استفاده نخواهد بود تا اینکه مجموعه های سی دی رایتر به سیستم ها افزوده شد. مجموعه ی ذخیره گرهای هولوگرافی لیزری شامل مجموعه رسانگرهای هولوگرافی محدود و سیستم های حساس به نور است. دیسک های نوری خالی با مرور زمان به فراموشی سپرده شده اند. در عوض رسانگرهای هولوگرافی خالی شبیه به نگاتیوهای عکاسی اند.

قرار دادن دیسک های هولوگرام ای در معرض نور باعث آسیب دیدن آن می شود و عمر دیسک های قرار گرفته نشده در نور حدود سه سال است. عامل نگرانی بعدی استانداردهاست. انجمن اروپایی سازندگان کامپیوتردر اواسط قرن ۲۰۰۷ دو استاندارد برای دیسک های هولوگرافی معرفی کرده اند. اما ذخیره گرهای هولوگرافی هیچ استاندارد حقیقی تایید شده با سازمان استانداردهای بین المللی ندارند. فقدان استانداردسازی به ضرر ذخیره گرهای هولوگرافی خواهد بود.

چگونه ذخیره گرهای هولوگرافی شناخته و جایگزین می شوند؟

تمامی بحث های صورت گرفته درباره ی ذخیره گرهای هولوگرافی تئوری است و در حال حاضر هیچ محصول تجاری مرتبط به آن وجود ندارد با وجود ارزیابی شدن محصولات بتا سازندگان آن هنوز مصرف کنندگان آن را در لفافه قرار می دهند. مسئله ی کلیدی درباره ذخیره گر های هولوگرافی شدت انتقال داده هاست. گرچه ظرفیت ذخیره گرهای هولوگرافی و روند اجرایی آن کمتر از دیسک ها و نوارهای موجود است ولی قابل مقایسه با ابزارهای ذخیره گر نوری نیستند.

ظرفیت ذخیره گرهای هولوگرافی ۳۰۰ گیگا بایت است. در محصولات inphase ظرفیت رسانگر تا ۱٫۶ تری بایت در سالهای آینده افزایش خواهد یافت. درایو های هولوگرافی مانند fledgling inphase شدت داده ها را ۱۶۰ مگا بایت در هرثانیه اعلام کرد. slmبخش کلیدی در تمامی درایوها و اجراهاست.

این سیستم در تمامی درایوهای امروزی از ماتریش ۱۰۰۰×۱۰۰۰ پیکسل برای تلفیق لیزر نوری و رمز گشایی صفحه ها استفاده می کند. slmبرای افزایش ظرفیت ذخیره گر ها سرعت را افزایش دهد. با این کار داده های بیش تری در یک صفحه جا می شوند و امکان رایت و اجرای داده های بیش تری در هرثانیه است. نسل جدید درایو های هولوگرافی در یک دیسک اند جا گذاری شده اند که همگی به نت مرکزی متصل شده اند.

کاربران در زمان استفاده از ذخیره گرهای هولوگرافی نیاز به دستگاه هایی برای اجرای ذخیره گرها دارند. در تکنولوژی ذخیره گرهای نوری از لیزرها برای رایت و اجرای های غیر مخاطب استفاده می شود و نیاز به مراقبت ندارند این درحالی است که نوارها نیاز به مراقبت تدریجی برای برداشتن غبار اضافی از روی دیسک دارند.

آینده ی تکنولوژی ذخیره گرهای هولوگرافی چیست؟

آینده ی این ذخیره گر همچنان ناشناخته است ولی می توان نسبت به آن امیدوار باشیم. این حرف را مدت ها طولانی شنیده ام اما نگرانی موجود هزینه بالا و عمومی نشدن آن است. کارشناسان بر این باورند که ظرفیت این دیسک ها با گذر زمان از ۳۰۰ گیگا بایت به ۸۰۰ گیگا بایت و در نهایت در ۴۸ ماه آینده این مقدار به ۱٫۶ تری بایت افزایش خواهد داشت. اما به زودی شاهد پیشرفت های روزشمار در این امر خواهیم بود.

کارشناسان نوعی هولوگرافی هیبرید جدید را نیز معرفی کرده اند. همان گونه که دیسک های سخت جای خود رابه فلش ها و رم داده اند، ذخیره گرهای هولوگرافی نیز به این رسانگرها اضافه خواهند شد.

هیچ یک از دستگاه های ضبط صوت قابلیت اجرای نوارهای پنجاه سال گذشته را ندارند ولی چنین قابلیتی در ذخیره گرهای هولوگرافی وجود دارد. برای نمونه تکنولوژی INPHASE با معرفی نسل سوم درایوهای هولوگرافی نوید سازگاری این تکنولوژی با دو نسل قبل را می دهند. اگر درایوهای نسل پنج، شش و یا ده قابلیت اجرای دیسک های هولوگرافی را ندارند؛ باید نرم افزار و سخت افزارهای درایو های قدیمی تر را بازگرداند و یا اینکه دیسک های قدیمی را با تکنولوژی جدید مجددا رایت کرد.

جمع بندی آخر

در این مقاله به بررسی ذخیره داده های هولوگرافی پرداخته می شود و پیشرفت های تکنولوژی راه های دشوار رو به رو برای رسیدن به ذخیره ی اطلاعات نوری در نظر گرفته می شود. موسسات بازرگانی به مجموعه اسناد آرشیوی برای دستیابی به مسائل حقوقی نیاز دارند اما نگهداری برخی از آرشیوها به مدت طولانی چالش برانگیز خواهد بود. معمولا دیسک های فشرده به مدت پنجاه سال و یا بیش تر عمل نخواهند کرد.

نوارها جداشدنی و قابل اطمینان هستند ولی نگرانی های مربوط به خوانا بودن و مستند بودن نوار در مدت های طولانی همچنان پابرجاست. ذخیره گر های نوری برای حل این شکاف به وجود آمده اند و ذخیره گرهای هولوگرافی به عنوان گام بعد برای ثبت اطلاعات آرشیوی در ظرفیت های بالا و در مدت های طولانی آمده اند.

به هر حال تکنولوژی ثبت داده های هولوگرافی از مدت ها پیش بر روی میز مذاکره بوده و بسیاری از ساختارهای آن در دیسک های فشرده ی امروزی یافت می شود. سیستم های ثبت داده های هولوگرافی در حال گسترش اند. در این مقاله با بررسی پیشرفت های تکنولوژی راه های دشوار رو به رو برای رسیدن به ذخیره ی اطلاعات نوری در نظر گرفته می شود.