Download
1 / 31
330 likes | 532 Views
SUSTAVI POHRANE PODATAKA. UVOD. · prvi magnetni zapis: 1898.g. · nagli razvoj posljednjih četrdeset godina · vrijednost proizvodnje mag. medija i diskova je preko 100 milijardi $/god
E N D
UVOD · prvi magnetni zapis: 1898.g. · nagli razvoj posljednjih četrdeset godina · vrijednost proizvodnje mag. medija i diskova je preko 100 milijardi $/god · karakteristika tehnike magnetskog zapisa je mogućnost pohranjivanja (snimanje), reprodukcije i brisanja (presnimavanja) · koriste se za audio i video zapise na vrpcama i kasatama, te za digitalne zapise na tvrdim diskovima, disketama i sličnim medijima
OPTIČKI I MAGNETSKI SUSTAVI POHRANE PODATAKA • Magnetska pohrana podataka najčešće se vrši na: • floppy disku (disketi), • hard disku (tvrdom disku; HDD, memory stick i sl.), • magnetskoj vrpci. • Za optičku pohranu podataka služe: • kompaktni disk (CD), • digitalni video disk (DVD), • mikrofilm, • holografske memorije.
Disketa Drugi korak je zahtjev za pristup disketi. Tada sklopovlje disketne jedinice šalje signal za upravljanje kretanjem glave i diskete. Prvi korak pri radu s disketom je njeno stavljanje u disketnu jedinicu. Tada se pomiče zaštitni poklopčić kako bi se površina diskete izložila glavi disketne jedinice. U petom koraku motor postavlja glavu na ispravnu lokaciju iznad površine diskete. Četvrti korak je uključivanje motora koji okreće disketu. Ako je zatražen zahtjev za pisanjem, sklopovlje provjerava može li se na disketi pisati ili ne. To je treći korak. U šestom koraku se pišu ili čitaju podaci na toj lokaciji.
Tvrdi disk 2. korak: motor okreće pločice dok računalo radi, • 1. korak: sklopovlje upravlja pokretima aktivatora (vidjet sliku, različito od aktuatora) glave i malog motora, 4. korak: aktuatori glave postavljaju je na ispravnu lokaciju. Glava čita/piše tražene podatke. 3. korak: kad operativni sustav zatraži pristup disku, glava određuje položaj traženih podataka,
Materijali za izradu sustava magnetske pohrane podataka Magnetskootporni višeslojni materijali su spojevi od željeza i kroma, te spojevi kobalta i bakra. Filmovi se izrađuju i od volframa i gadolinija, a koriste se i granularni legirani filmovi od kobalta i zlata. Danas je aktualna i tehnologija troslojnih filmova, gdje se često koristi sloj kobalta, sloj kroma, te sloj kobalta. Za audio magnetske zapise najčešće se koriste: -kristalizirani željezni oksid, Fe2O3, kromdioksid, CrO2, i željezo, Fe. Za video kazete koriste se: spojevi kobalta i gama kristaliziranog željeznog oksida i kromov dioksid. Za diskete se najčešće koristi -Fe2O3. Za izradu tvrdih diskova, tj. za njihov magnetski sloj, koriste se spojevi kobalta sa željeznim oksidom ili elementima koji spadaju u grupu rijetkih zemalja. • Rijetke zemlje grupa rijetkih kemijskih elemenata prisutna u mineralima vulkanskog porijekla. Sačinjavaju je 3 aluminiju srodna elementa (skandij, itrij i lantan) i 14 lantanida: cer (Ce), prazeodim (Pr), neodim (Nd), promecij (Pm), samarij (Sm), europij (Eu), gadolinij (Gd), terbij (Tb), disprozij (Dy), holmij (Ho), erbij (Er), tulij (Tm), iterbij (Yb), lutecij (Lu). Najvažniji im je mineral monacit. • Za GMR-glave koriste se slojevi NiFe/Au i NiFe/Cu. • Na stabilnost magnetskih medija utječu: • vlaga i temperatura, • mehaničke deformacije, • prašina i nečistoće raznih vrsta, • magnetska polja.
ZAHTJEVI NA MATERIJALE Za nositelje mag. zapisa koriste se tvrdi magnetski materijali. - petlja histereze slična permanentnim magnetima - što veći odnos Mr/Ms (veliki Mr daje pouzdanost zapisa) - veliki Hc (daje sigurnost zapisa) MATERIJALI I IZVEDBE Dva načina izvedbe: 1. čestice mag. materijala u mediju * u obliku duguljastih elipsoida ili iglice na bazi Fe2O3 i CrO2 * legiranje s Co povećava Hc * barijev ferit (BaFe12O19) u obliku pločica za audio i video trake * jednolika disperzija čestica važna za kvalitetu snimanja 2. tanki mag. sloj na mediju * koriste se slitine na bazi Co (Co-Ni-P, Co-P, Co-Ni-Ta, Co-Cr-Pt) * nanosi se prskanjem, naparavanjem ili kemijskim putem
OPTIČKA POHRANA PODATAKA • Zasigurno najuobičajeniji optički medij je kompaktni disk (CD). Na kompaktnom disku se mogu zapisivati slikovni, audio ili standardni računalni podaci. Ako se koristi za zapisivanje datoteka, onda se na njega može zapisati 650 MB informacija. Tada se koristi izraz CD-ROM (engl. Compact Disk Read-Only Memory). • CD-R – engl. Compact Disk-Recordable. • Multissession – postupak kojim se podaci postupno upisuju na kompaktni disk ili neki drugi medij s takvim osobinama, tj. u nekoliko vremenski razmaknutih perioda. • CD-RW – engl. Compact Disk-ReWritable.
Digitalni video disk (DVD DVD je kompaktni disk s ekstremno velikim kapacitetom. Na DVD-ROM može se pohraniti 4,7 GB podataka, pa čak i do 17 GB. Podaci su pohranjeni na drukčiji način nego kod običnog CD-a upravo da bi se postigao tako velik kapacitet. Taj ekstremno veliki kapacitet postiže se na tri načina: ravnine i udubine su pakirane gušće od onih kod CD-a, koriste se dvije razine udubina s tim da je gornja prozirna kako bi laser mogao čitati kroz gornji sloj, te DVD može koristiti obje strane. • Kapacitet DVD-a • Broj strana 1 1 2 2 • Broj slojeva 1 2 1 2 • Kapacitet pohrane 4,7 GB 8,5 GB 9,4 GB 17 GB
Materijali za izradu sustava optičke pohrane podataka • Glavni čimbenici koji utječu na stabilnost optičkih medija su: • vlaga, • temperatura, • mehaničke deformacije, • prašina i nečistoće. • Za neke medije, značajni čimbenici mogu biti svjetlost i vanjska magnetska polja. • Magnetsko-optički diskovi ne smiju biti u blizini magnetskih polja. Na diskove koji se mogu pisati jednom ili više puta može utjecati svjetlost odgovarajuće valne duljine, koja će promijeniti magnetsku orijentaciju bita. Za razliku od gore spomenute vrste diska koja iz tvornice izlazi s konačnim podacima, ova vrsta ima sloj boje (položen na polikarbonatno tijelo), obložen s metalnim reflektirajućim slojem. Taj sloj, u ovoj vrsti CD-a, nosi podatke. Kad se snima, laserski impulsi visokog intenziteta mijenjaju taj sloj iz neprozirnog u proziran. Zraka za čitanje, niskog intenziteta, čita promjene u odbijenoj svjetlosti kao digitalni tok bitova. Danas se sve češće rabe magnetsko-optički i faznopromjenljivi materijali. Prednost magnetsko-optičkih materijala je što se po njima može pisati i brisati koliko je god puta potrebno. Kod njih se koristi laser da bi se promijenila magnetska orijentacija bita. Laser s manjom energijom koristi se za čitanje bitova. Za magnetsko-optičke medije koriste se spojevi kobalta i olova, te kobalta i paladija. Filmovi i višeslojni filmovi za optičke medije izrađuju se od antimonovih spojeva, npr. SbGe ili SbyGe1-yOx slojeviti filmovi. Koriste se i filmovi čiji su slojevi izrađeni od slojeva bizmuta i germanija. Masovno proizvođeni kompaktni diskovi sadrže digitalnu informaciju u obliku mikroskopskih udubina u polikarbonatnoj podlozi obloženoj s laganim refleksijskim slojem. Ovaj refleksijski sloj je obično od aluminija, ali se također koriste zlato i srebro. Na refleksijsku se površinu, da bi se zaštitila, postavlja prozirni lak. Kad su jednom podaci utisnuti, ne mogu se brisati ili mijenjati.
HOLOGRAFIJA Holografija, unatoč prisutnom (a možda i uvriježenom) statusu noviteta, zapravo je prilično stara i seže još do davne 1947.godine i pokušaja Mađarskog fizičara Dennisa Gabora da poveća moć razlučivanja elektronskih mikroskopa. Svoju teoriju nije dokazao na elektronskom snopu već na valovima svjetlosti. Tako je nastao prvi hologram, prepoznatljiva prezentacija koja je zbog neprikladnog izvora svjetla kojim je Gabor raspolagao bila prožeta mnogim smetnjama i nesavršenostima. Gaborova teorija došla je gotovo 15 godina preuranjeno, te njegovo otkriće nije zaživjelo do ranih šezdesetih godina kada su s otkrićem lasera dva inženjera s University of Michigan (Emmett Leith i Juris Upatnieks) razvila napravu koja je reproducirala trodimenzionalnu sliku objekta. Nastao je prvi diffuse-light hologram. Njihovi su hologrami omogućili uvjerljivije trodimenzionalne prikaze zbog prikladnih svojstava laserskog zračenja.
HOLOGRAFIJA Riječi holografija i hologram skovao je Dennis Gabor, poznat i kao otac holografije, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 1971. godine za svoj izum holografije. U grčkom jeziku holos znači potpun, cijel, a graphein pisati. Holografija bi, dakle, bila pisanje cijelog, što se može objasniti time što se njome ne zapisuje samo intenzitet svjetlosti što s predmeta padne na točku fotoosjetljivog materijala (to je fotografija), već i smjer svake pojedine upadne zrake. Zato je (uz mnoge druge pogodnosti koje takav način zapisivanja donosi) u hologram moguće zapisati potpunu (trodimenzionalnu) informaciju o geometriji nekog objekta. Riječ gramma u grčkom znači slovo i pisanje. Analogno tome, hologram (holos + gramma) znači cjelovitost jedinstva ali i jedinstvo cjelovitosti. Na prvi pogled možda zbunjujuće objašnjenje dobiva jezivu težinu kad se razbije hologramsku ploču Emmetta Leitha i Jurisa Upatnieksa. Svaka, i najmanja krhotina može sama reproducirati cijelu scenu, prethodno zapisanu u nerazbijenom hologramu!
HOLOGRAFIJA Iako je slika s najmanjih dijelova blijeda i ne obiluje detaljima, sama je ipak potpun, cjelovit zapis scene bez obzira na to je li komadić pripadao sredini hologramske ploče ili njenom rubu. Objašnjenje leži u načinu pohrane optičke informacije unutar holografskog materijala. Po izradi prvih trodimenzionalnih holograma mediji su svoj osvrt naslovili: "Rješenje koje traži problem". Pieter J. van Heerden iz Polaroida ponudio je mogući "problem" 1963. godine u vidu pohrane podataka u tri dimenzije. Te su se godine počele nazirati holografske memorije kojima otkrivamo znatne i raznolike mogućnosti upotrebe. Danas je razvoj holografije uglavnom usmjeren prema komercijalnom proizvodu tjeran zasad nepremoštenim problemima pri minijaturizaciji i problemom financijske nepristupačnosti. Ciljajući na sljedeći proboj u ovoj obećavajućoj tehnologiji koji bi holografske memorije stavio na stol pred danas nešto zahtjevnijeg ali sutra prosječnog korisnika računalnih sustava, u potragu za boljim holografskim materijalima i holografskim tehnikama osim velikih sveučilišta (California Institute of Technology, Stanford University, The University of Arizona) uključili su se i industrijski divovi poput IBM, AT&T Bell, Rockwell i Bayer Corporation.
HOLOGRAMI Za ispravno shvaćanje značenja pojmova hologram i holografija, potrebno je najprije objasniti fotografiju. Fotografija je zapisivanje pomoću svjetlosti i očekivani je naziv za dobiveni zapis - fotogram. Iz povijesnih se razloga, međutim, zadržao naziv fotografija i za postupak i za njime dobiven zapis. Fotografija je dakle postupak zapisivanja slikovne informacije o objektu. Fotografija (fotogram) zaista i sadrži pigmente čijim je rasporedom na fotografskoj ploči/papiru fizički zapisana slika. Hologram nije slika niti je holografija postupak primarno namijenjen spremanju slikovnih informacija. Hologram je optičkielement baš kao i leća, prizma ili ogledalo, a zadaća mu je "da se poigra" s upadnom zrakom svjetlosti na neki određen način, a u skladu sa zakonima optike.
NASTANAK HOLOGRAMA Hologramski zapis nastaje interferencijom dviju laserskih zraka unutar holografskog materijala. Zapis u holografskom materijalu ostaje u vidu fizikalnih ili kemijskih promjena nekog optičkog svojstva materijala, na primjer apsorbancije, indeksa loma ili debljine fotoosjetljivog medija. Promjena optičkog svojstva prostorno je modulirana kroz čitavvolumen holografskog materijala upravo interferencijskim uzorkom za vrijeme snimanja. Ovo je razlog zašto bilo koji dio materijala sadrži čitavu snimljenu informaciju. Što je komad materijala manji, manji je omjer signal/šum, a s time i manja razlučivost holograma. Interferencijski uzorak nastao unutar holografskog materijala ostaje zabilježen u materijalu i nakon što zrake njime više ne prolaze
GENERIRANJE HOLOGRAMA Promotrimo sada jedan od načina nastajanja holograma na temelju realnog objekta. Svjetlost lasera nailazi na divergentnu leću koja je rasprostire po holografskoj ploči. Veći dio svjetlosti prolazi kroz ploču i obasjava objekt. Onaj dio svjetlosti koji se odbije od objekta vraća se natrag na ploču sa suprotne strane i stvara interferencijski uzorak karakterističan za referentnu (početnu) zraku i objekt od kojeg se odbila. Interferencijski uzorak vremenski je neovisan upravo zahvaljujući upotrebljenoj koherentnoj svjetlosti- za što je neophodno da izvor svjetlosti bude laser. Bitno je također da izvor obje zrake bude isti laser, čime se postiže njihova maksimalna koherentnost. Nastanak holograma realnog objekta u holografskoj ploči. Referentna zraka i zraka objekta prilaze ploči sa suprotnih strana.
Drugi (bolji) način za postizanje interferencije dviju zraka istog lasera u holografskom materijalu je pomoću polupropusnihoptičkih elemenata. Njihov je zadatak iz jedne laserske zrake dati dvije čiji se put modificira zrcalima prema želji - za svaku od zraka neovisno o onoj drugoj. Prednost je ovog načina u tome što se tako može varirati kut pod kojim se zrake sijeku, a to je vrlo bitno kod pohrane digitalnih podataka. Princip nastajanja interferencijskog uzorka unutar holografskog materijala isti je kao i u prethodnom slučaju. Nastanak holograma realnog objekta u holografskoj ploči. Referentna zraka i zraka objekta prilaze ploči s iste strane.
ČITANJE HOLOGRAMA Gledanje slike ili čitanje bilo kakve druge informacije pohranjene holografijom, temelji se na svojstvu snimljenog interferencijskog uzorka da pošto je obasjan bilo kojom od dviju zraka kojima je snimljen, rekonstruira drugu zraku. Budući da je referentna laserska zraka u općem slučaju lako reproducibilna, hologram obasjan njome rekonstruirat će zraku što se odbila od objekta za vrijeme snimanja. Ako je objekt bio jabuka to će rezultirati vidljivom trodimenzionalnom slikom jabuke ako holografsku ploču pogledamo sa strane suprotne onoj na kojoj je bila jabuka za vrijeme snimanja. Hologram obasjan jednom od zraka kojima je snimljen rekonstruirat će drugu zraku.
VRSTE HOLOGRAMA • transmisijski hologrami: nastaju kad obje laserske zrake obasjaju holografski materijal s iste strane, vidljivi uz pomoć laserskog osvjetljenja • refleksijski hologrami za bijelo svjetlo: nastaju kad zrake obasjaju holografski materijal sa suprotnih strana, vidljivi uz Sunčevu svjetlost, svjetlost baterijske svjetiljke ili neki drugi pogodan izvor svjetla • hologrami s nekoliko slika: u holografskom je materijalu pohranjeno nekoliko slika, svaka vidljiva pod različitim kutem gledanja • multipleksirani hologrami: sadrže mnogo pojedinačnih slika što je obično iskorišteno za trodimenzionalni opis objekata, prikaz istog 2D objekta u mnogo različitih boja ili za dočaravanje gibanja 2D objekta • Najuvjerljiviji hologrami projiciraju se u muzejima i izlozima prodavaonica vrijednog nakita. Obično su to refleksijski hologrami napravljeni uz pomoć transmisijskog originala, a projiciraju se ispred holografske ploče za razliku od većine drugih koji izgledaju kao da su u ploči.
HOLOGRAFSKI MATERIJAL Prvi korišteni materijal bili su neki anorganski kristali, dok se danas sve više istražuju mogućnosti raznih organskih polimera. Napustimo li sada analogan zapis (hologrami na kreditnim karticama, identifikacijskim ispravama, CD medijima, pa i dječjim igračkama) i uočimo puni potencijal ove tehnologije koji dolazi do izražaja tek s digitalnim načinom zapisivanja, postoji više važnih zahtjeva postavljenih pred neki materijal koji moraju biti ispunjeni kako bi se materijal iskoristio za snimanje holograma. Neki manje ili više očiti zahtjevi mogu se navesti bez iscrpne diskusije: Izvrsna optička kvaliteta: Laserske zrake prolaze sustavom leća, prizmi i zrcala, ali također i holografskim materijalom, pa se od njega očekuje vrlo visoka optička kvaliteta, baš kao i od ostalih optičkih elemenata od kojih je sustav sastavljen. Tehnologija je izrade do sada dosta napredovala i zadovoljavajuća kvaliteta postignuta je i s anorganskim kristalima i s organskim polimerima. I drugi je faktor odgovoran za optičku (ne)kvalitetu, a mikroskopske je prirode - unutarnjeraspršenje svjetla. Ovisi o samom materijalu i ne može se otkloniti u postupku obrade, a pokazano je da najbolji organski materijali i preko 100 puta jače raspršuju od anorganskih kristala.
HOLOGRAFSKI MATERIJAL Visok dinamički raspon: Što je više holograma zapisano u istom volumenu materijala, to svaki od njih postaje nečitljiviji. Naime, jakost očitanog signala obrnuto je proporcionalna kvadratu broja snimljenih holograma. Dinamički je raspon stoga veći što se više holograma može zapisati u isti volumen materijala uz jednaku pouzdanost pri njihovu čitanju. Visoka osjetljivost: Svjetlo je uzrok fizikalnim ili kemijskim promjenama nekog optičkog svojstva materijala. Kod visokoosjetljivih materijala mala ekspozicija uzrokuje veliku promjenu tog optičkog svojstva. Stabilnost: Materijal mora demonstrirati vrlo visoku stabilnost geometrije i stabilnost svih ostalih svojstava pri radnim uvjetima. Više je puta do sada navedena mogućnost zapisivanja u holografski materijal, promjena nekog optičkog svojstva materijala njegovim izlaganjem svjetlu. S gledišta kemije čvrstog stanja fotorefrakcija (PRE - photorefractive effect) najzanimljivija je u usporedbi s ostalim fotopromjenjivim optičkim svojstvima.
FOTOREFRAKCIJA U fotorefraktivni materijal hologram se zapisuje zahvaljujući promjenama u indeksu loma uzrokovanim prostorno neravnomjernim osvjetljenjem. Zanimljivo je da je za primjetne promjene u indeksu loma dovoljno lasersko zračenje intenziteta ne većeg od nekoliko mWcm-2. Prostorno neravnomjerno osvjetljenje u holografiji zapravo je interferencijski uzorak kao na slici 1. Fotorefrakcija najprije je uočena kod anorganskih kristala i to litijeva niobata 1966. godine, a samo dvije godine kasnije litijev je niobat poslužio za demonstraciju holografskog spremanja podataka. Iako novija istraživanja vode prema praktičnoj upotrebi fotorefraktivnihorganskih polimera, anorganski su kristali još uvijek čest predmet ispitivanja. U usporedbi sa spomenutim organskim polimerima mogu se proizvoditi većih dimenzija, visoke su optičke kvalitete i neznatnog unutarnjeg raspršenja svjetla, ali na žalost i znatno veće relativne dielektrične konstante (slabije električno polje unutar materijala). Neki od poznatih fotorefraktivnih anorganskih kristala su LiNbO3, BaTiO3, KNbO3, i GaAs. Do promjene indeksa loma materijala uslijed neravnomjernog osvjetljenja dolazi zbog kombinacije više svojstava fotorefraktivnog materijala. Osnovna svojstva koja posjeduje materijal-kandidat za fotorefrakciju su elektrooptički efekt i fotovodljivost. Elektrooptički efekt ujedno podrazumjeva necentrosimetričnu kristalnu strukturu, a očituje se u promjeni indeksa loma materijala s promjenom električnog polja unutar kristala. Fotovodljivost materijala dopušta preraspodjelu unutarnjeg naboja pod utjecajem prostorno nehomogenog intenziteta svjetlosti uzrokovanog interferencijskim uzorkom dviju koherentih zraka. Preraspodjela naboja počinje na mjestima s većim intenzitetom osvjetljenja i konačnim utočištem naboja u energijskim nivoima slabije osvjetljenog dijela. Posljedica je toga prostorno nehomogeno električno polje koje zbog fotooptičkog efekta modulira indeks loma. Isključenjem izvora obiju zraka nestaje interferencijski uzorak, ali i vodljivost materijala za električni naboj, pa modulacija indeksa loma ostaje pohranjena u kristalu. Ukoliko materijal naknadno bude obasjan svjetlošću jednolikog prostornog intenziteta, svaki će djelić postati vodljiv za električki naboj i opet će se uspostaviti jednolika statistička raspodjela naboja uz izostanak modulacije električnog polja i indeksa loma. Te su promjene dakle reverzibilne što je prednost kod izrade izbrisivih memorija, ali i uzrok nekih nevolja u vezi s trajnošću holografskog zapisa. Na slici 5 prikazane su promjene koje nastupaju u holografskom materijalu pri snimanju interferencijskog uzorka. U svrhu ovog pojašnjenja i u općem slučaju nije bitno koji je naboj na slici pozitivan, a koji negativan jer moguća su oba slučaja.
Promjene u holografskom materijalu pri snimanju interferencijskog uzorka: (a) na maksimumima intenziteta svjetlosti razdvajaju se naboji, (b) konačna raspodjela naboja određena je interferencijskim uzorkom, pa krivulja raspodjele ima oblik krivulje intenziteta svjetlosti, (c) krivulja jakosti električnog polja pokazuje maksimume u nultočkama krivulje raspodjele naboja, (d) krivulja promjene indeksa loma zadržava početnu modulaciju, ali s već opaženim pomakom u fazi od p/2.
BUDUĆNOST POHRANE I MEMORIRANJA PODATAKA Hologram je blok fotoosjetljivog materijala koji bilježi difrakciju dva izvora svjetlosti. Da bi se kreirao hologram, laserska svjetlost se prvo dijeli u dvije zrake, izvornu (predmetnu) i referentnu. Izvorna zraka se šalje prema fotoosjetljivom materijalu. Jednom kad se nađe u tom materijalu, ona presreće referentnu zraku i rezultirajuća se difrakcija laserske svjetlosti bilježi na materijalu tvoreći hologram. Kad je jednom hologram napravljen, može se vidjeti samo s referentnom zrakom. Referentna zraka projicira se u hologram pod jednakim kutom kao i pri snimanju. Kad svjetlost pogodi snimljeni difrakcijski obrazac, izvorna zraka se regenerira iz reflektirane svjetlosti. Precizna kopija izvorne zrake šalje se iz holograma i može se pročitati optičkim senzorom.
Obećavajući materijali za holografske memorije • Materijali za holograme mogu se podijeliti u tri skupine: • fotografske emulzije, • fototermoplastične materijale i • fotorefrakcijske kristale.
