Die Zukunft der optischen Speicherung

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Die Zukunft der optischen Speicherung

Die Zukunft der optischenSpeicherungHannes Lippet21.10.03Seminar Rechnerarchitektur, optische/elektrischeDatenübertragung, EntwurfsmethodikLehrstuhl für OptoelektronikProf. Dr K.-H. Brenner•http://www.ti.unimannheim.de/lehrstuhl/pics/std/head_logo_optik.jpg1


Gliederung1. Einleitung2. Optische Grundlagen3. Übersicht zumderzeitigen Stand derTechnik4. Steigerungvorhandener Systeme5. Neue Ansätze6. Zusammenfassung /Zukunftserwartungen2


1.1 Eigenschaften optischerSpeicher• Kontaktloses Lesen und Schreiben• Wechselmedien• Parallele Massenherstellung• Preiswert• „near line“ Speicherung (großeDatenmengen günstig auf Abruf halten)3


1.2 Einsatzgebiete• Distribution• Archivierung• Multimedia• „data silos“ (Automatisierte Verwaltungvieler kleiner Speicher)4


1.3 Vor- und Nachteile• + Unempfindlich gegenüber magnetischen undelektrischen Feldern• +Kontaktloses Lesen und Schreiben• + Mechanisch im Vergleich zu Festplatte rechtrobust• - Das Prinzip des Wechseldatenträgers verlangthohe Toleranzen• - Hohe Kompatibilitätsanforderungen desWechseldatenträgers5


2. Optische GrundlagenGröße des Lichtpunktes S:S ~ λ/NAλ : Wellenlänge des LichtsΝΑ: Numerische AperturDaraus ergibt sich dieSpeicherdichte D:D ~ b (NA/λ) 2b: bits per spot6


2. Optische Grundlagen• Numerische Apertur (NA):Gibt das Auflösungsvermögen eines optischen Systems anNA = n * sin u (theoretisches Maximum in Luft= 1)n = Brechnungsindexdes Materialsu = HalberÖffnungswinkel(bestimmt sich aus derBrennweite)7


2. Optische Grundlagen• Im Brennpunkt des Objektivs entsteht kein Punkt sondernein Beugungsfleck• Die mittlere Scheibe enthält ca. 85% der Lichtintensität• NA = λ/b8


2. Optische Grundlagen• Sphärische Aberrationen:Unterschiedliche Foki fürparaxiale und nicht-paraxialeStrahlenKann beim Linsendesignberücksichtigt und korrigiertwerden9


3. Stand der Technik• Etablierte und marktreife Produkte• CD-Rom• DVD• blu ray Disc (Standard besteht bereits)10


3.1 CD-RomEckdaten einer CD-Romhttp://www.usbyte.com/common/compact_disk.htm• 20.000 Spuren• 2 Milliarden Pits• 0.12µm tief• 0.6µm breit• Spurabstand 1.6µm• NA = 0.4• λ = 780 nm=> Speicherdichte0.39Gb/inch 211


3.1 CD-Romhttp://www.wtec.org/loyola/hdmem/05_02.htmhttp://www.usbyte.com/common/compact_disk.htm• Die Übergänge von Pit nach Land (und umgekehrt) könnendurch ein abfallen der Lichtintensität detektiert werden• Der relativ große Spot an der Oberfläche der CD macht sietolerant gegenüber Fehlern in der Oberfläche.12


3.1 CD-RomAutomatisches Tracking:Push/Pull-VerfahrenAutomatische Focuskontrolle:4-Quadranten-Detektorhttp://www.wtec.org/loyola/hdmem/05_02.htmhttp://www.wtec.org/loyola/hdmem/05_02.htm13


3.1 CD-RomModulation: EFM (eight-to-fourteen) aus 8 Datenbits werdenmit Fehlerkorrektur und Synchronisation 14 gemacht. Hinzukommt noch ein „Sicherheitsabstand“ von 3 Nullen. Das ergibtdie „Channel-bits“.Codierung auf der Scheibe:Die „Channel-bits“ könnendirekt in unterschiedlicheLängen von Pits und Lands(3T – 10T) umgesetzt werden.http://www.usbyte.com/common/compact_disk.htm14


3.2 DVDhttp://www.pioneer.co.jp/crdl/tech/dvd/2-e.html• Nachfolger der CD-Rom• Mehrere Layer möglich• Numerische Apertur = 0.6• roter Laser mit 650-630nm (vgl.CD-Rom: 780nm)• Größe von Spot, Pit, Land und denZwischenräumen um Faktor 2 – 2,5 gesenkt• Effizientere EFM Modulation (EFM plus)• Besserer Fehlerkorrekturalgorithmus(RS-PC)(10 mal robuster als der der CD-Rom)• Erhöhung der Speicherdichte um Faktor 715


3.2 DVD-RAM• Phasenwechsel-Prinzip• Land und Groove Recording• Adressierung mit CAPA(Complimentary Allocated Pit Addressing)http://www.pioneer.co.jp/crdl/tech/dvd/2-e.html•CAV (ConstantAngular Velocity) fürschnelle Random-Access Zugriffehttp://www.pioneer.co.jp/crdl/tech/dvd/2-e.html•ZCLV16


3.2 DVD-RW / DVD+RWDVD-RW:Vorformatierungdurch Groovewobble und LandPre-Pitshttp://www.pioneer.co.jp/crdl/tech/dvd/2-e.htmlZusätzliche Informationen:PCA (Power Calibration Area) , RMA (Recording Management Area)CLV(Constant Linear Velocity) zum Lesen und SchreibenDVD+RW:Vorformatierung durch Phasemodulated Groove wobbleCLV und CAV (Constant Angular Velocity) möglich17


3.2 DVD-R / DVD+R• Änderung der Reflektivität anstelle vonPhasenwechselprinzip• Nur einmaliges Schreiben möglich• Sonstige Parameter analog zu DVD-RW/DVD+RW18


3.3 blu ray Disc• Entwickelt für Digitale Videorekorder• Weitere Erhöhung der NA auf 0.85• Blaue Laser mit 405nm• 27GB (pro Layer)• Phasenwechsel-Prinzip• Neues Track AdressingVerfahren„Sawtooth Wobble“in 16kB Daten werden 51 bit adress und19parity informationen „versteckt“.


3.4 VergleichCR-RomDVDDVD+RWDVD-RWDVD-RAMBlu-ray DiscCapacity0,65 GB4.7 GB27 GBNA/l0.45/780nm0.6/650nm0.85/405nmTrackingPush/PullDifferential Phase DetectionPush/PullDPDPit length(min)0.833 µm0.4 µm0,28 µm0.138 µmCoverLayer1.2 mm0.6 mm0.1 mmTrack pitch1.6 µm0.74 µm0.615 µm0.32 µmTechnologyEmbossedPitsEmbossedPitsPhaseChangePhaseChangePhaseChangePhase ChangeTransferRate1.47 Mbps11.08 Mbps36 MbpsDensity0.39 Gbit/sq.inch2.77 Gbit/sq.inch15.9 Gbit/ sq.inch20


3.5 Grenzen der Technologie• Die numerische Apertur stößt an ihreGrenzen• Laser mit noch geringerer Wellenlänge sindschwer herzustellen• Geeignete Trägermaterialien (Absorptionvon UV und blauem Licht)21


4. Steigerung VorhandenerSysteme• Ansätze:• Multilevel• Multilayer• Multibeam22


4.1 Multilevel-Entwickelt von Calimetrics und TDK-Schließt die Lücke zwischen CD und DVD-Nicht nur Pits und Lands sondern 8 „Grauwerte“-SNR wird effizienter genutzt-2GB Kapazität-IC-based-Leichte Integration in vorhandene Technik23


4.1 Multilevel-Speicherdichte entspricht log 2 (M)/ t min•Using pit-depth modulation to increase capacity and datatransfer rate in optical discs, S.Spielman, B.V. Johnson,G.A. McDermott, M.P. O´Neill, C. Pietrcyk, T. Shafaat,D.K. Warland, and T.L. Wong-theoretische Verdreifachung der Speicherdichte bei M=8-Noch keine genaue Modulation spezifiziert24


4.2 Multilayer-Fokussierung in unterschiedlich tiefe Schichten-2 bis x Schichten-Semi-Reflektive Trägermaterialien (Transmission >50%)-symmetrische Transmissionsfähigkeit in amorphemund kristallinem Zustand-versetzte Grooves verringern Interferenz-nur wenige Schichten möglich-Begrenzung durch Sphärische Aberration25


4.2 MultilayerMFD (Multilayer Fluorescent Disks):-Pits und Grooves mit fluoreszierendem Material gefüllt-Absorbiert den Laser und emittiert inkohärentes rotes Licht-Durch 2-Photonen-Fluoreszenz trägt nur die fokussierteSchicht zum Signal bei.-10 bis 100 Schichten möglich-bei CD-Dichte schon erfolgreich getestet-50 bis 100 GB bei DVD-Dichte-280 bis 580 GB bei blu-ray Speicherdichte26


4.3 Multibeam•Mehrere Tracks werden parallel ausgelesen•Erhöhung der Datenrate•Bei gleicher Datenrate leiser und vibrationsärmer•Keine Änderungen an vorhandenen Formaten notwenig•Vorraussetzung: track-to-track coherence oder großer Puffer27


5. Neue Ansätze• Magnetic Super Resolution• Holographische Speicher• Near-Field-Technologie28


5.1 Magnetic Super Resolution• Mischung aus Magnetischer undOptischer Speicherung• Konstantest Magnetisches Feld• Örtliche Erhitzung durch Laser• Verschiedene Magnetische Layer• Ein Laserspot erreicht nur inder Mitte die nötigeTemperatur um dieMagnetisierung zu ändernMagnetic Super Resolution, Dan Dalton, Fujitsu ComputerMagnetic Super Resolution, Dan Dalton, Fujitsu Computer29


5.1 Magnetic Super Resolution• Abtastung unterhalb optischer Auflösungnicht möglich• Zwischenschritt: Low Temperature Mask• Nächster Leseschritt: HighTemperature Mask• Unerwünschte Bereiche werden soausmaskiert• Zum Lesen wird der Kerr-Effektgenutzt (Drehung der Polarisation)Magnetic Super Resolution, Dan Dalton, Fujitsu Computer30Magnetic Super Resolution, Dan Dalton, Fujitsu Computer


5.2 Holographische SpeicherHolographische Speicherung eines bits:(a) Überlagerung einer Sphärischen Welleeines bits mit einer kohärenten Referenzwelleerzeugt ein Interferenzmuster(b) Ein Photosensitives Medium wird demInterferenzmuster ausgesetzt(c) Speichern durch Änderung desAbsorptionverhaltens und des Brechungsindexdem Muster entsprechend31


5.2 Holographische Speicher3 Möglichkeiten der Rekonstruktion:(a)Beleuchtung mit dem Referenzstrahl erzeugtdurch Beugung am Interferenzmuster denürsprünglichen Objektstrahl(b)Beleuchtung mit dem Objektstrahlrekonstruiert den zum Schreiben benutztenReferenzstrahl(c)Beleuchtung mit dem phasenkonjugiertenReferenzstrahl rekonstruiert denphasenkonjugierten ObjektstrahlZum Auslesen der Bitinformation eignet sichdie dritte Methode am besten da hier keinweiteres Optisches Abbildungssystemnotwenig ist32


5.2 Holographische Speicher• Parallele Speicherung von ganzen SeitenInPhase TechnologiesInPhase Technologies33


5.2 Holographische Speicher•1000 Seiten auf dem selben Platz durch unterschiedliche Winkelauslesbar•Hohe Datenrate durch paralleles auslesen (bis 100MB/s)•Wichtig: Geeignetes Trägermaterial•Photosensitiv•Optisch klar•Nichtdestruktives Lesen•Thermisch stabil•Speicherdichte > >100Gb/sq. inch34


5.3 Near-Field TechnologiePrinzip:• Abtastung in Distanzen < λ• Evaneszente Kopplung• Dadurch kein Beugungsfleck• Kleinere Spot size möglich35


5.3 Near-Field Technologie• Hinter einer Apertur diekleiner als die Wellenlängedes Lichts ist entsteht einoptisches Nahfeld36


5.3 Near-Field Technologie• Prinzip einer SIL(Solid Immersion Lens)sin α = λ/dAn Grenzflächen gilt:n 1 sin α 1 = n 2 sin α 2⇒n sin α = λ/d⇒Hinter dem GitterMaterial mitgeeignetemBrechnungsindex neinfügenmax(sin α) = 1=> d = λ/n37


5.3 Near-Field Technologie1. Ansatz:Apertur SystemeBlende die kleiner ist als die Wellenlänge desLichts•NA eff = λ / dNear-field optical data storage: avenues for improved performance, Tom D.Milster38


5.3 Near-Field Technologie• 2. Ansatz:Near-field optical data storage: avenues for improved performance, Tom D.Milster•SIL: Solid ImmersionLens•Durch eine evaneszenteKopplung von Linse undTrägermaterial wird eineSpotgröße unterhalb derWellenlänge erreicht.•Spotsize s: s = λ /(n sin θ m )•NA eff ~ 2 - 439


5.3 Near-Field Technologie• Theoretische Speicherdichte: 144x DVD,400Gb/sq. Inch• Kein Wechseldatenträger möglich• Möglicher Nachfolger von konventionellenFestplatten40


6. Zusammenfassung•http://www.wmrc.com/businessbriefing/pdf/optical2001/book/orlic.pdf41

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