Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Меню сайта
Категории раздела
Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) [95]
Рефераты по курсу "Компьютерный практикум", "Применение персональных компьютеров", "Информационная техника" и "Сети ПК" в НИЯУ МИФИ
Аналитика (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) [1]
ТЗ учебных проектов [7]
Виртуальные калькуляторы [2]
Пресс-релизы [4]
Материалы по итогам учебных проектов
Наш опрос
Оцените сайт олимпиады
Всего ответов: 122
Статистика

Онлайн всего: 3
Гостей: 3
Пользователей: 0
Главная » Статьи » Публикации студентов МИФИ » Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети)

5D диски в сетевом интерьере

СОДЕРЖАНИЕ
Введение 2
Глоссарий 3
1 Текущие способы хранения данных в сетевом интерьере 4
1.1 Современные сетевые хранилищ 5
1.2 Недостатки технологии NAS 6
2 Организация 5-D памяти 7
2.1 Принцип технологии 5-D памяти 10
2.2 Эксперименты по регистрации данных 12
2.3 Практическое применение 12
2.4 Будущие улучшения 13
Заключение 14
Литература 15
Приложение 1 Оценки внешних источников 16

Глоссарий
Важнейшие понятия:
Сетевое хранилище (NAS (Network Attached Storage)– это компьютер небольшого размера со специальным массивом дисков, подключенный к сети.
Фемтосекундный лазер — оптический квантовый генератор, способный генерировать импульсы лазерного излучения, которые содержат достаточно малое число колебаний оптического поля.
Плазмонные свойства наночастиц (Плазмонный резонанс)-возбуждение поверхностного плазмона на его резонансной частоте внешней электромагнитной волной
Воксель- элемент объёмного изображения, содержащий значение элемента растра в трёхмерном пространстве. Вокселы являются аналогами двумерных пикселей для трёхмерного пространства.
Плазмон — квазичастица, отвечающая квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа.
Самосборная наноструктура — это объект, возникающий в результате упорядочения и агрегации отдельных нано размерных объектов, управляемых каким-либо физическим принципом.
Двулучепреломлление — эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие. Если луч света падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то на этой поверхности он расщепляется на два луча. Первый луч продолжает распространяться прямо, и называется обыкновенным (o — ordinary), второй же отклоняется в сторону, и называется необыкновенным (e — extraordinary).
Экситон — квазичастица, представляющая собой электронное возбуждение в диэлектрике, полупроводнике или металле, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда и массы.
Сокращения NAS (network storage)- сетевое хранилище ПК-персональный компьютер
5-D память – память, основанная на 5 измерениях
ТБ-терабайт

ВВЕДЕНИЕ
В 21-м веке невооруженным глазом заметен быстрый рост нашей способности сберегать и получать доступ к данным. Глобальная “паутина” все чаще даёт доступ ко всем формам информационных методов к кончикам пальцев каждого, делая жизнь быстрее, информативнее и приятнее, чем когда бы то ни было.
Взрыв в цифровой информации — это оставление в истории человеческой цивилизации современности, так же как древнее пещерное искусство, резьба и печать [1]. Но эти жизненно важные данные рискуют быть утерянными, поскольку современные принципы хранения данных все чаще сталкиваются с проблемами емкости и срока службы. Поэтому крайне важно, чтобы информация из всех секторов, начиная от образования и развлечений до здравоохранения и правительства, хранилась в течение по меньшей мере тысяч лет [2].
Так, очень часто для организации работы сетевого оборудования возникает задача содержания большого объёма данных с определённой степенью надёжности [2]. Для этого целесообразно использовать сетевые хранилища данных. Имеющиеся коммерческие решения имеют достаточно высокую стоимость за гигабайт дискового пространства. И порой цена на них в несколько раз превосходит стоимость одного лишь оборудования.
Однако в последнее время исследователи добились многообещающего прогресса в создании оптической памяти большой емкости, длящаяся не десятилетия, а, возможно, даже миллиарды лет [3]. Основываясь на сверхбыстрой лазерной индуцированной нано-решетке, изготовленной из плавленого кварца, команда из Университета Саутгемптона в Великобритании смогла продемонстрировать новую оптическую память "5D", что обещает практически неограниченное сбережение данных [4].

1 ТЕКУЩИЕ СПОСОБЫ ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ В СЕТЕВОМ ИНТЕРЬЕРЕ
1.1 СОВРЕМЕННЫЕ СЕТЕВЫЕ ХРАНИЛИЩА
Сетевое хранилище (NAS (англ. Network Attached Storage)– это компьютер небольшого размера со специальным массивом дисков, подключенная к сети. Оно должно выполнять поставленные задачи круглосуточно и предоставлять возможность работы с информацией в любое время. В то же время существует ряд особенных возможностей, предоставленные пользователю: содержание и резервирование данных, разграничение доступа, поддержка приложений закачки и т.д.
Так в чем же различия между ПК и NAS? Это прежде всего, небольшие размеры самого мини-компьютера, внутренние аппаратные компоненты и ПО, дающее возможность осуществлять использование особых функций. С одной стороны работы с вычислительными задачами для сетевых хранилищ не подразумевается, а с другой-они позволяют взаимодействовать с некоторыми другими программами. Для сетевых хранилищ характерно обходиться без периферийных устройств (экрана и клавиатуры), поэтому контроль и настройка производятся по сети, например из браузера [5].
В качестве базы может применяться любая ОС, хотя чаще ОС Unix- семейства, FreeBSD, многие версии Linux [5]. Как известно, данные ОС являются свободными, что означает небольшую или даже бесплатную цену. Также гибкость, масштабируемость и легкость администрирования имеют далеко не последнее значение. Из-за облачной настройки для пользователя тип ПО не имеет значения.
Определяющими параметрами Network Attached Storage являются: количество устанавливаемых одновременно жестких дисков в системе (в диапазоне от 6 до 8), объединение их в RAID-массивы, позволяющие обеспечить сохранность данных при выходе из строя одного диска, пропускная способность сетевого протокола и др. [5].
Резервное копирование данных также является немаловажным свойством Network Attached Storage. Это и определяет применимость сетевых хранилищ в качестве торрент клиентов.
Удаленный доступ к Network Attached Storage достигается путем грамотной предварительной настройки, что позволяет получать доступ в любой точке земного шара. Единственным необходимым условием является доступ к сети Интернет.

1.2 НЕДОСТАТКИ ТЕХНОЛОГИИ NAS
Как и в любой современной технологии использование сетевых хранилищ сопряжено с рядом недостатков.
Так, архитектура NAS подразумевает существование особого верхнего узла (вершины), с которой взаимосвязан массив сбережения данных. При ситуации, в которой ёмкости массива будет не хватать, необходимо “достраивать” хранилище-сервер до нового узла. Таким образом, присутствует низкая степень масштабируемости [6].
Не стоит забывать про существование конфликта сетевого трафика. В силу решения различных задач (по обмену между серверами приложений и устройствами хранения, а также для отправки трафика пользователя на рабочие станции) следует учитывать, что NAS-сервер не обладает способность всей, комплексной очистки сетевого трафика [6]. Это связано с тем, что обмен данными между серверами приложений (или клиентскими ПК) и NAS-серверами производится в единой локальной вычислительной сети.
Присутствуют ограничения по причине применения Ethernet в качестве среды передачи данных. Существует взаимосвязь между производительностью при использовании сетевых хранилищ как от объема подключенных устройств, так и от непосредственной производительности самого сервера локальной вычислительной сети. Что может порождать, так называемое, "узкое место" или bottleneck [6].
С другой стороны, нет возможности использовать внешние устройства для сохранения данных. А также невозможность объединения нескольких серверов-хранилищ в общую систему-хранилище.
Таким образом, для успешной модернизации технологии Network At- tached Storage необходимо решить проблемы медленной скорости доступа к информации через протоколы “сетевых файловых систем”, увеличения памяти и применения в высокопроизводительных приложениях. Что и возможно сделать, применив новый способ содержания данных.
2 ОРГАНИЗАЦИЯ 5-D ПАМЯТИ
2. 1 ПРИНЦИП ТЕХНОЛОГИИ 5-D ПАМЯТИ
Идея оптической записи на основе фемтосекундного лазерного излучения впервые была предложена и продемонстрирована в фотополимерах в 1996 году [7]. Оптическая запись высокой емкости была
также продемонстрирована путем мультиплексирования новых степеней свободы, включая плотность, поляризацию и длину волны, путем использования серебряных кластеров [8], встроенных в стекло и плазмонных свойств наночастиц золота или серебра [9].
Метод умножения данных является альтернативой голографическому хранению данных, что позволяет преодолеть ограничение емкости, диктуемое оптической дифракцией. Совсем недавно поляризационное многоплексовое письмо было продемонстрировано с помощью само сборных нанограмм, полученных сверхбыстрой лазерной записью в плавленый кварц, славящийся своей высокой химической стойкостью и стойкостью [10].
Наноструктура, имеющая 20 нм структуры (Рис.1), самая маленькая из когда-либо созданных светом, является структурной модификацией, что может противостоять высоким температурам.
В обычных оптических запоминающих устройствах, таких как DVD- диски, данные хранятся путем сжигания крошечных ямок в одном или нескольких слоях пластикового диска, что позволяет использовать три пространственных измерения [11]. В данной разработке использовано два дополнительных (оптических) измерения, описывающих двулучепреломление: медленная осевая ориентация (4-е измерение) и сила замедления (5-е измерение, определяемое как произведение двулучепреломления и длины структуры) (Рис.2) [12].
Медленная ориентация оси и замедление независимо управляются поляризацией и интенсивностью внутреннего пучка. Однако обычное управление с использованием поляризационной оптики превращает процедуру записи цифровых данных в медленный последовательный процесс, что делает реальные приложения низкоскоростными. С помощью данного способа увеличивается скорость записи данных на 2 порядка.


Рис.1. Лучевой массив многоуровневый интенсивности. а) схематическое изображение модификации, индуцированной
фемтосекундным лазером. Цветные точки указывают на наноструктуры, вызванные различными уровнями интенсивности. (b) - (c) 2 нормализованных распределения интенсивности, вычисленных для двух голограмм из
адаптированного алгоритма. Территория внутри красной площади является областью модификации. Распределение интенсивности в (c) имеет более чем в 3 раза большее число многоуровневых пятен по сравнению с (b)
Используются три пространственных измерения и два оптических (ориентация по медленной оси и замедление). Каждый воксель содержит само сборную наноструктуру, ориентированную в направлении,
перпендикулярном поляризации света. Расстояние между двумя соседними пятнами составляет 3,7 мкм, а расстояние между каждым слоем - 20 мкм. E: электрическое поле световой волны. Стрелка: направление поляризации.


Рис.2. Технология изготовления 5D памяти
Когда регистрирующий данные фемтосекундный лазер метит стекло, он делает ямку с наноструктурой. Это дает двулучепреломление, характеризующееся двумя дополнительными параметрами. Ориентация медленной оси вводит четвертое измерение, а сила замедления, определяемая как произведение двулучепреломления и длины структуры, образует пятое измерение. Эти два параметра контролируются во время записи поляризацией и интенсивностью света соответственно [13].
Добавляя эти дополнительные оптические размеры к трем пространственным координатам, мы получаем 5D оптическое хранилище данных.

2.2 ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО РЕГИСТРАЦИИ ДАННЫХ
Эксперименты по регистрации данных проводились с использованием фемтосекундной лазерной системы на основе лазерных кристаллов калий- гадолиниевого вольфрамата, легированных иттербием. Установка работает при длине волны 1030 нм и доставляет 6,3 мкдж импульсов с частотой повторения 200 кГц и длительностью импульсов от 270 до 800фс. [14].
Три модифицирующих слоя оказались нанесены фемтосекундным лазером на расстоянии 130-170 мкм ниже поверхности образца плавленого кварца. В процессе записи группы двулучепреломляющих точек одновременно отпечатывались на заданной глубине. Каждая группа, содержащая от 1 до 100 точек, генерировалась с помощью жидкокристаллического пространственного модулятора света (SLM) и 4f оптической системы (Рис.3) [14].
Ориентированная медленная ось перпендикулярна поляризации падающего пучка. После синхронизации движения образца с частотой обновления SLM можно одновременно запечатлеть несколько двулучепреломляющих точек с четырьмя медленными ориентациями оси и различными уровнями фазового замедления.


Рис.3. 5D оптическое запоминающее устройство сверхбыстрой настройки записи: фемтосекундный лазер (FSL), Фурье-объектив (FL), апертура (AP) и иммерсионный объектив (WIO). Линейно поляризованные (белые стрелки) лучи с различными уровнями интенсивности
распространяются одновременно через каждый полуволновой сегмент пластины с различной медленной ориентацией оси (черные стрелки). Цвета лучей указывают на различные уровни интенсивности.
Информация была закодирована в два состояния замедления и четыре состояния медленной осевой ориентации. Таким образом, каждая двулучепреломляющая точка содержала 3 бита информации. Считывание записанной информации, закодированной в нано структурированном стекле, осуществлялось с помощью прибора количественного измерения лучепреломления в оптическом микроскопе [15].
Из 11 664 битов, записанные в трех слоях, было получено только 42 битовых ошибки. Большинство ошибок оказались повторяющимися и могут устраниться с помощью дополнительных процедур калибровки, учитывающие зависимость замедления от поляризации (Рис.4).


Рис.4. 5-Д оптическое считывание для хранения. а) измерение
двулучепреломления записи данных в трех отдельных слоях. (b) увеличенный массив 5×5 точек. (c) разделение замедлений, извлеченных из верхнего слоя данных. (d) медленное распределение осей, полученное из верхнего уровня
данных. (e), (f) увеличенное нормированной матрицы и медленная матрица оси с (б). (g), (h) двоичные данные, полученные из (e), (f)
Применяя тот же метод записи на диске обычного размера CD с 60 слоями, можно достичь емкости 18 ГБ. Используя те же самые параметры, мы также успешно записали через три слоя цифровую копию файла размером 310 КБ в формате PDF. [16]

2.3 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
Так, произведено создание первых цифровых документов (включая копии Всеобщей Декларации Прав Человека, оптики Ньютона, Великой хартии вольностей и Библии короля Джеймса (Рис.5)) в 18 слоях с использованием оптимизированных параметров (световые импульсы с энергией 0,2 мк Дж и длительностью 600фс при частоте повторения 500 кГц.
Первый цифровой документ, оптически зашифрованный в пяти измерениях, успешно анализируется с помощью неразрушающих количественных измерений двулучепреломления. Эксперименты по ускоренному старению демонстрируют беспрецедентно высокую стабильность само сборных наноструктур в силикатном стекле [16].


Рис.5. Копии (а) Библии короля Иакова и (Б) Великой хартии вольностей, отпечатанной на стекле.
Для проверки долговечности этого механизма хранения данных использованы измерения ускоренного старения. Эти испытания показывают, что время распада наноструктур составляет 3×10(20±1) год при комнатной температуре (303К) (Рис.6), что свидетельствует о беспрецедентно высокой стабильности наноструктур, запечатленных в расплавленном кварце. Даже при повышенных температурах 462К экстраполированное время распада сравнимо с возрастом Вселенной (13,8 млрд лет). Основываясь на тестах, можно полагать, что эти копии могли бы пережить человеческую расу [16].


Рис.6.Сравнение режима работы различных технологий

2.4 БУДУЩИЕ УЛУЧШЕНИЯ
Записывая данные с более короткой длиной волны (250-350нм), можно записать диск емкостью 360 ТБ. Присутствуют ошибки (0.36% частота битовых ошибок для .txt файла), хотя обнаружили, что большинство из них было повторяются. Поэтому, с улучшенными методами калибровки и обработка сигналов, количество возникновений ошибок можно значительно снижена.
Самая высокая скорость, которая может быть достигнута при настройке тока, ограничена 6 Kбит/с. Узкое место скорости записи данных создается частотой повторения (200 кГц) и средней мощностью лазера (6 Вт) и частотой обновления SLM (60 Гц).
Исследователи полагают, что скорость записи данных 120 Мбит / с может быть достигнута за счет использования SLM с более высокой частотой обновления (20 кГц) и сверхбыстрой мощностью лазерных генераторов, работающих на мегагерцовых частотах со средней мощностью более 50 Вт. Метод умножения также может помочь превысить скорость записи данных стандартной бинарной оптической кодирующей системы при той же частоте повторения лазера [16].
В дальнейшем планируется улучшить скорость записи и разработать дисковод без микроскопа для считывания данных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключение стоит отметить, что успешная реализация цифрового документа в высокостабильную световую память является жизненно важным шагом на пути к созданию электронного архива.
Этот метод может быть произведен в коммерческих масштабах для организаций с большими архивами (например, национальные архивы, музеи, библиотеки и частные организации). Исследователи верят, что данный метод также окажется привлекательным для потребительского рынка, если стоимость аппаратного обеспечения (особенно дорогого фемтосекундного лазера) будет снижена. Кроме того, ряд проектов (например, Time Capsule to Mars, MoonMail и Google Lunar) могут извлечь выгоду из чрезвычайной долговечности метода, что выполняет важнейшее требование для хранения на Луне или Марсе. С помощью этого способа мы, возможно, наконец-то достигли информационного бессмертия [16].

ЛИТЕРАТУРА

1. https://m.gazeta.ru/science/2016/02/18_a_8081009.shtml - Ученые запишут всю историю человечества на «вечный диск» в формате 5D, 2016
2. https://zen.yandex.ru/media/id/5aa7e1a3256d...81669517ccd04f5 - 5D диски для вечного хранения терабайтов данных, 2018
3. https://www.topcrop.ru/equipment/5d-optiche...kogo-diska.html

4. https://www.researchgate.net/publication/26...tructured_Glass - Seemingly Un- limited Lifetime Data Storage in Nanostructured Glass, 2014
5. С. Леонов Выбор сетевого хранилища, 2016 URL: https://club.dns- shop.ru/blog/15420-Vyibor-setevogo-hranilischa/
6. В. Мастицкий Технология NAS, 2003 YRL: http://www.comprice.- ru/articles/detail.php?ID=40206
7. Е. Н. Глезер, М. Милосавлевич, л. Хуан, Р. J. Финлей, Т.-Х. хер, Дж. П. Кал-лан, Э. Мазур, Трехмерное оптическое запоминающее устройство внутри прозрачных материалов, 1996
8. А. Подлипенский, А. Абдольванд, г. Зайферт, Х. Грейнер, Фемтосекундное лазерное производство дихроичных 3D структур в композитном стекле, содержащем наночастицы серебра, 2005
9. https://www.nature.com/articles/nature08053 - Five-dimensional optical record- ing mediated by surface plasmons in gold nanorods, 2009
10. https://www.researchgate.net/publication/31...riting_in_glass - Eternal 5D data storage by ultrafast laser writing in glass, 2016
11. https://www.researchgate.net/publication/25...rt_light_pulses - Exciton medi- ated self-organization in glass driven by ultrashort light pulses, 2012
12. Я. Шимоцума, М. Сакакура, П. Г. Казанский, М. Бересна, Дж. Цю, К. Миура, К. Хирао, Сверхбыстрая манипуляция самосборным двулучепреломлением формы в стекле, 2010

13. https://spie.org/news/6365-eternal-5d-data-...-in-glass?SSO=1 - Eternal 5D data storage via ultrafast-laser writing in glass, 2015
14. П. Зейлстра, У. М. Шон, М. ГУ, Five-dimensional optical recording mediated by surface plasmons in gold nanorods, природа, 2009
15. Г.Чёрч, Я.Гао, С.Кошури, Цифровое хранение информации следующего поколения в ДНК, Science, 2012
16. https://www.5dmemorycrystal.com/technology/ - сайт 5dmemorycrystal

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ОЦЕНКИ ВНЕШНИХ ИСТОЧНИКОВ


Анализ и оценка качества текста


Проверка на уникальность текста

Рис.9. Проверка уникальности текста
Категория: Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) | Добавил: ALEKS-IN-RED (12.12.2019) | Автор: Краснов Александр Артемович
Просмотров: 375 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Форма входа
Поиск
Друзья сайта