Transcript SUSTAVI POHRANE PODATAKA UVOD · prvi magnetni zapis: 1898.g. · nagli razvoj posljednjih četrdeset godina · vrijednost proizvodnje mag.

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
· 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
korak
pri radu
s
zaPrvi
pristup
disketi.
Tada
disketom disketne
je njeno
sklopovlje
stavljanje
u disketnu
jedinice
šalje
signal za
Tada
semotor
upravljanje
kretanjem
Ujedinicu.
petom koraku
pomiče
zaštitni
glave
i diskete.
postavlja
glavujena
Četvrti
korak
poklopčić
kako bi se
ispravnu
lokaciju
uključivanje
motora
površina
diskete
Ako površine
je zatražen
zahtjev
iznad
diskete.
koji okreće disketu.
izložila
glavi disketne
za pisanjem,
sklopovlje
U šestom koraku se
jedinice.
provjerava može li se
pišu ili čitaju podaci na
na disketi pisati ili ne.
toj lokaciji.
To je treći korak.
Disketa
Tvrdi disk
1. korak:
sklopovlje
upravlja
pokretima
aktivatora (vidjet
sliku, različito od
aktuatora) glave i
malog motora,
3. korak: kad operativni
sustav zatraži pristup
disku, glava određuje
položaj traženih
podataka,
2. korak: motor
okreće pločice dok
računalo radi,
4. korak: aktuatori
glave postavljaju je
na ispravnu
lokaciju. Glava
čita/piše tražene
podatke.
Usporedba veličine glave i
standardnih nečistoća
Magnetska vrpca
Građa magnetske vrpce
Materijali za izradu sustava
magnetske pohrane podataka
Magnetskootporni
materijali
su spojevi
od željeza
i kroma,
te
Rijetke zemlje višeslojni
grupa rijetkih
kemijskih
elemenata
prisutna
u
spojevi
kobalta vulkanskog
i bakra. Filmovi
se izrađuju
i od volframa
i gadolinija, a
mineralima
porijekla.
Sačinjavaju
je 3 aluminiju
koriste
se i elementa
granularni(skandij,
legiraniitrij
filmovi
od kobalta
i zlata. Danas
je aktualna
srodna
i lantan)
i 14 lantanida:
cer (Ce),
i tehnologija
filmova,
se često
koristi
sloj kobalta,
prazeodimtroslojnih
(Pr), neodim
(Nd),gdje
promecij
(Pm),
samarij
(Sm), sloj
kroma,
te sloj
kobalta.
europij
(Eu),
gadolinij (Gd), terbij (Tb), disprozij (Dy), holmij
(Ho), erbij (Er), tulij (Tm), iterbij (Yb), lutecij (Lu). Najvažniji im
Za audio
magnetske
zapise najčešće se koriste: -kristalizirani željezni
je mineral
monacit.
oksid, Fe2O3, kromdioksid, CrO2, i željezo, Fe.
Za GMR-glave koriste se slojevi NiFe/Au i NiFe/Cu.
Za video kazete koriste se: spojevi kobalta i gama kristaliziranog
željeznog
oksida
i kromovmedija
dioksid.
Za diskete se najčešće koristi -Fe2O3.
Na stabilnost
magnetskih
utječu:
-vlaga i temperatura,
Za izradu
tvrdih diskova,
tj. za njihov magnetski sloj, koriste se spojevi
-mehaničke
deformacije,
kobalta -prašina
sa željeznim
oksidom
ili elementima
koji spadaju u grupu rijetkih
i nečistoće
raznih
vrsta,
zemalja.-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 CDROM (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.
Načelo rada CD jedinice
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
Broj slojeva
Kapacitet pohrane
1
1
4,7 GB
1
2
8,5 GB
2
1
9,4 GB
2
2
17 GB
Materijali za izradu sustava
optičke pohrane podataka
Glavni
čimbenici
kojispomenute
utječu na stabilnost
optičkih
medija
su: izlazi s
Za
razliku
od
gore
vrste
diska
koja
iz
tvornice
Filmovi-vlaga,
i višeslojni filmovi za optičke medije izrađuju se od
konačnim
podacima,
ova SbGe
vrstaili ima
slojO boje
(položen
na
antimonovih
spojeva,
npr.
Sb
Ge
slojeviti
filmovi.
y
1-y x
-temperatura,
polikarbonatno
tijelo),
obložen
s
metalnim
reflektirajućim
slojem. Taj
Koriste-mehaničke
se i filmovi
čiji
su
slojevi
izrađeni
od
slojeva
bizmuta
i
deformacije,
sloj,
u ovoj vrsti CD-a, nosi podatke. Kad se snima, laserski impulsi
germanija.
-prašina
i nečistoće.
visokog
intenziteta
mijenjaju
taj sloj iz neprozirnog
u proziran.
Zraka
Masovno
proizvođeni
kompaktni
diskovi
sadrže
digitalnu
Za
neke medije,
značajni
čimbenici
mogu bitiu svjetlost
i vanjska
za
čitanje,
niskog
intenziteta,
čita
promjene
odbijenoj
svjetlosti kao
informaciju
u
obliku
mikroskopskih
udubina
u
polikarbonatnoj
magnetska
polja.
digitalni
tok
bitova.s laganim refleksijskim slojem. Ovaj refleksijski
podlozi
obloženoj
Magnetsko-optički
diskovi
nemagnetsko-optički
smiju biti u blizini magnetskih
polja.
Danas
se
sve
češće
rabe
i
faznopromjenljivi
slojdiskove
je obično
odsealuminija,
ali jednom
se također
koriste
zlato
i srebro.
Na
Na
koji
mogu
pisati
ili
više
puta
može
utjecati
materijali.
Prednost
magnetsko-optičkih
materijala
je što
se po njima
refleksijsku
se
površinu,
da
bi
se
zaštitila,
postavlja
prozirni
lak.
svjetlost
odgovarajuće
valne
duljine,
koja
će
promijeniti
magnetsku
može
pisati
i brisati
koliko
je god
puta potrebno.
Kod
njih se koristi
Kad
su
jednom
podaci
utisnuti,
ne
mogu
se
brisati
ili
mijenjati.
orijentaciju
laser da bi sebita.
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.
USPOREDBA VRSTA
POHRANE PODATAKA
Usporedba nekih vrsta pohrane podataka po životnom vijeku
Tip medija
Garantirani životni vijek
Potencijalni životni vijek
Vrpca
2 – 5 godina
20 godina
Kompaktni disk
5 godina
50 – 100 godina
Mikrofilm
100 godina
200 godina
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 optički
element 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 čitav
volumen 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 polupropusnih optičkih 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 - unutarnje raspršenje 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 fotorefraktivnih
organskih 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,
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.