ホログラフィックメモリの仕組み

光を使用してデータの保存と読み取りを行うデバイスは、20 年近くにわたってデータ ストレージのバックボーンとなってきました。コンパクト ディスクは1980 年代初頭にデータ ストレージに革命をもたらし、直径わずか 12 センチ、厚さ約 1.2 ミリメートルのディスクに数メガバイトのデータを保存できるようになりました。 1997 年に、デジタル バーサタイル ディスク(DVD) と呼ばれる CD の改良版がリリースされ、1 枚のディスクに全長の映画を保存できるようになりました。

CD と DVD は、音楽、ソフトウェア、パーソナル コンピューティング、およびビデオの主要なデータ保存方法です。 CD には 783 メガバイトのデータを保存できます。これは約 1 時間 15 分の音楽に相当しますが、ソニーは 1.3 ギガバイト (GB) の大容量 CD を発売する計画を持っています。両面 2 層 DVD には 15.9 GB のデータを保存でき、これは約 8 時間の映画に相当します。これらの従来のストレージ メディアは今日のストレージ ニーズを満たしていますが、消費者の需要の増加に対応するにはストレージ テクノロジも進化する必要があります。 CD、DVD、および磁気ストレージはすべて、記録媒体の表面に情報のビットを保存します。ストレージ能力を高めるために、科学者たちは現在、ホログラフィックメモリと呼ばれる新しい光ストレージ方式の開発に取り組んでいます。この方式は、表面の下に潜り、記録媒体の表面積だけでなく、その体積をストレージに使用します。

3 次元データ ストレージは、より小さなスペースでより多くの情報を保存できるようになり、データ転送時間が短縮されます。この記事では、今後 3 ～ 4 年でホログラフィック ストレージ システムがどのように構築されるのか、またそのような高密度ストレージ システムのデスクトップ バージョンを作成するには何が必要になるのかを学びます。

ちょっとした背景

ホログラフィック メモリは、角砂糖サイズの結晶に 1 テラバイト (TB) のデータを保存できる可能性を提供します。 1 テラバイトのデータは、1,000 ギガバイト、100 万メガバイト、または 1 兆バイトに相当します。 1,000 枚を超える CD のデータがホログラフィック メモリ システムに収まります。ほとんどのコンピューターのハード ドライブは10 ～ 40 GB のデータしか保持できませんが、これはホログラフィック メモリ システムが保持できるデータのほんの一部です。

科学者のピーター J. ヴァン ヘルデンは、1960 年代初頭にホログラフィック (三次元) ストレージのアイデアを初めて提案しました。 10 年後、RCA 研究所の科学者たちは、鉄をドープしたニオブ酸リチウム結晶に 500 個のホログラムを記録し、感光性ポリマー材料に 550 個の高解像度画像を記録することで、この技術を実証しました。安価な部品の不足と磁気メモリと半導体メモリの進歩により、ホログラフィック データ ストレージの開発は保留されました。

過去 10 年間、国防高等研究計画局 () とハイテク大手 IBM およびルーセントのベル研究所が、ホログラフィック メモリ開発の復活を主導してきました。

基本

Lucent と IBM が開発したプロトタイプは若干異なりますが、ほとんどのホログラフィック データ ストレージ システム (HDSS) は同じ概念に基づいています。 HDSS を構築するために必要な基本コンポーネントは次のとおりです。

青緑色のアルゴン レーザーが発射されると、ビーム スプリッターが 2 つのビームを生成します。物体ビームまたは信号ビームと呼ばれる 1 つのビームは、直進し、1 つのミラーで反射し、空間光変調器(SLM) を通過します。 SLM は、生のバイナリ データのページを透明なボックスと暗いボックスとして表示する液晶ディスプレイ(LCD) です。バイナリ コードのページからの情報は、信号ビームによって感光性ニオブ酸リチウム結晶に伝えられます。一部のシステムでは、クリスタルの代わりにフォトポリマーを使用します。参照ビームと呼ばれる 2 番目のビームは、ビーム スプリッターの側面から射出され、結晶への別の経路をたどります。 2 つのビームが出会うと、生成される干渉パターンによって、信号ビームによって運ばれたデータが結晶内の特定の領域に保存されます。データはホログラムとして保存されます。

ホログラフィック メモリ システムの利点は、データのページ全体を一度に迅速に取得できることです。結晶に保存されたデータのホログラフィック ページを取得して再構成するには、そのデータ ページを保存するために参照光が入射したときとまったく同じ角度で参照光が結晶に照射されます。データの各ページは、参照ビームが当たる角度に基づいて、結晶の異なる領域に保存されます。再構成中、ビームは結晶によって回折され、保存されていた元のページが再作成されます。この再構成されたページは電荷結合素子 (CCD) カメラに投影され、デジタル情報が解釈されてコンピュータに転送されます。

ホログラフィック データ ストレージ システムの重要なコンポーネントは、データ ページを取得するために結晶に 2 番目の参照ビームを照射する角度です。元の参照ビームの角度と正確に一致する必要があります。わずか 1,000 分の 1 ミリメートルの差があると、そのページのデータを取得できなくなります。

デスクトップホログラフィックデータストレージ

30 年以上の研究開発を経て、デスクトップ ホログラフィック ストレージ システム (HDSS) が間近に迫っています。初期のホログラフィック データ ストレージ デバイスの容量は 125 GB、転送速度は 1 秒あたり約 40 MB です。最終的には、これらのデバイスのストレージ容量は 1 TB、データ レートは 1 秒あたり 1 GB 以上になり、 DVDムービー全体を 30 秒で転送できる速度になります。では、なぜ HDSS の開発にこれほど時間がかかったのでしょうか?何が残されているのでしょうか?

HDSS のアイデアが最初に提案されたとき、そのようなデバイスを構築するためのコンポーネントははるかに大きく、より高価でした。たとえば、1960 年代のこのようなシステムのレーザーの長さは 6 フィートでした。現在、家庭用電化製品の発展により、 CD プレーヤーで使用されているものと同様のレーザーを HDSS に使用できるようになりました。 LCD は 1968 年まで開発さえされず、最初のものは非常に高価でした。現在、LCD は 30 年前に開発されたものよりもはるかに安価で、より複雑になっています。さらに、 CCD センサーは過去 10 年まで利用できませんでした。 HDSS デバイスのほぼ全体が既製のコンポーネントから作成できるようになりました。これは、大量生産が可能であることを意味します。

現在、HDSS コンポーネントは 1960 年代に比べて入手しやすくなっていますが、解決する必要のある技術的問題がまだいくつかあります。たとえば、1 つのクリスタルに保存されるページが多すぎると、各ホログラムの強度が低下します。クリスタルに保存されているホログラムが多すぎて、ホログラムの取得に使用される参照レーザーが正確な角度で照射されていない場合、ホログラムは周囲に保存されている他のホログラムから多くの背景を拾うことになります。これらすべてのコンポーネントを低コストのシステムに統合することも課題です。

研究者らは、今後 2 ～ 3 年以内にこれらの課題に対処する技術が開発されると確信しています。このような技術が市場に出回れば、「スター・ウォーズ エピソード II」が家庭用 3D ディスクでリリースされるまでに、最初のホログラフィック メモリ プレーヤーを購入できるようになるでしょう。この DVD に似たディスクの容量は、現在入手可能な 4.7 GB DVD の 27 倍であり、再生デバイスのデータ レートは今日の最速 DVD プレーヤーの 25 倍です。