发信人: vizer()
整理人: bsese(1999-05-27 13:38:55), 站内信件
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下 一 世 纪 的 存 储 器
徐 晓 天 ，金 志 民 ，金 丹
---- 更 快 的 速 度、 更 大 的 容 量、 更 小 的 体 积、 更 低 的 价 格
、 更 高 的 可 靠 性 是 计 算 机 存 储 器 设 计 和 制 造 者 追 求 的 永
恒 目 标。 特 别 是 近10 年 来 随 着 计 算 机 微 型 化、 网 络 化、 多
媒 体 化 以 及 数 据 仓 库 的 发 展， 对 存 储 器 提 出 了 更 高 的 要
求。 那 么， 究 竟 什 么 样 的 存 储 器 才 能 满 足 这 一 要 求 呢 ？
现 在， 就 让 我 们 来 撩 开 下 一 世 纪 存 储 器 的 面 纱。
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突 破 光 学 存 储 极 限 的 新 型 原 子 级CD
---- CD-ROM、DVD 是 现 在 流 行 的 激 光 存 储 器， 它 们 的 容 量 可
以 达 到GB 数 量 级。 然 而 与 新 型 的CD 相 比， 它 们 就 好 像 是 最
原 始 的 老 式 磁 带 一 样。 普 林 斯 顿 大 学 的 研 究 人 员 开 发 了
一 种 新 型 的CD， 它 的 容 量 是 现 在 光 盘 的800 倍。
---- 光 盘 表 面 记 录 数 据 的 小 坑 直 接 决 定 了 光 盘 的 数 据 存
储 密 度。 通 过 彻 底 地 收 缩 原 来 光 盘 上 已 经 非 常 小 的 小 坑
。 技 术 人 员 可 以 在 一 个 硬 币 大 小 的 新 型CD 上 存 储5 个 小 时
的 电 影 信 息。 现 在 的 光 盘 是 向 已 经 刻 录 好 数 据（ 其 实 是
一 些 小 坑） 的 模 子 中 注 入 液 体 聚 合 体、 通 过 类 似 平 板 印
刷 术 的 技 术 来 印 制 光 盘。 但 是 由 于 这 里 使 用 的 是 激 光 束
， 所 以 不 可 能 刻 出 比 激 光 的 波 长 更 小 的 坑。 而 且， 液 体
聚 合 体 的 表 面 张 力 也 限 制 了 光 盘 表 面 小 坑 的 进 一 步 缩 小
。
---- 为 了 解 决 这 一 难 题， 普 林 斯 顿 的 研 究 人 员 转 而 使 用
电 子 束 而 不 是 激 光 束 来 刻 制 新 型CD 的 模 子。 由 于 电 子 束
的 波 长 比 激 光 束 短 得 多， 因 此 可 以 刻 出 更 小 的 小 坑。 为
了 解 决 液 体 的 表 面 张 力 问 题， 新 型 的CD 使 用 柔 软 的 固 体
聚 合 体 作 为 制 作CD 的 材 料。 这 一 种 制 作 技 术 被 称 为" 烙 制
印 刷 术"， 就 好 像 在 生 面 团 上 雕 刻 图 案 一 样。 用 这 种 技 术
在 模 子 上 刻 制 的 小 坑 比 激 光 的 波 长 还 要 小， 所 以 无 法 像
普 通CD 盘 那 样 用 激 光 来 读 取 数 据。 新 型 的CD 像 老 式 留 声
机 一 样 使 用 一 个 非 常 小 的 探 针。 在 探 针 的 头 部 是 一 个 原
子 引 力 显 微 镜， 沿 着CD 的 表 面 读 取 数 据。 只 有 几 个 原 子
宽 的 原 子 引 力 显 微 镜 甚 至 根 本 不 需 要 接 触 到CD 的 表 面。
当 探 头 上 的 原 子 和CD 表 面 的 原 子 靠 得 非 常 近 时， 它 们 相
互 之 间 会 产 生 静 电 压 力 震 动 探 头， 其 震 动 的 频 率 会 随 静
电 压 力 的 变 化 而 改 变。
---- 当 探 头 经 过 一 个 小 坑 时， 由 于 探 头 和CD 表 面 之 间 的 距
离 有 所 增 加， 震 动 的 频 率 就 会 有 轻 微 的 降 低。 通 过 测 量
这 种 变 化， 就 可 以 读 到CD 上 的 数 据。
---- 采 用 这 种 技 术 后， 在 一 个 硬 币 大 小 的CD 上 可 以 存 储18
0GB 的 信 息。 这 种 容 量 巨 大 的 新 型CD 很 有 可 能 将 在 下 一 世
纪 取 代CD-ROM 和DVD 成 为CD 的 主 流 产 品。
前 途 无 量 的 全 息 存 储 器
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---- 把 全 息 技 术 应 用 到 存 储 器 上 将 会 导 致 存 储 技 术 的 一
场 革 命。 因 为 全 息 存 储 器 可 以 存 储 数 千 亿 字 节 的 数 据，
并 可 以 每 秒 超 过10 亿 字 节 的 速 度 传 输 数 据， 另 外 它 可 以
在 小 于100ms 的 时 间 内 随 机 访 问 任 何 数 据。 到 目 前 为 止 还
没 有 其 他 任 何 一 种 存 储 器 能 够 同 时 具 有 以 上3 种 特 性。
---- 与 其 他 存 储 器 不 同 的 是， 全 息 存 储 技 术 通 过 在 整 个
存 储 介 质 上 记 录 干 涉 图 案 来 存 储 数 据， 这 种 图 案 其 实 是
一 种 光 栅， 它 是 由 两 束 激 光 束 在 某 种 感 光 材 料 上 相 遇 从
而 改 变 材 料 的 光 学 特 性 而 形 成 的。 全 息 存 储 技 术 通 常 使
用 晶 体 作 为 感 光 材 料， 为 了 将 数 据 记 录 到 晶 体 材 料 中，
首 先 必 须 将 它 们 转 换 成 液 晶 屏 幕 上 清 晰 而 不 透 明 的 小
方 格， 从 而 形 成 一 定 的 图 案。 然 后 将 一 束 蓝 绿 色 的 激 光
束 照 射 液 晶 屏 上 的 图 案， 激 光 束 透 过 液 晶 屏 再 通 过 一 个
镜 头 进 行 聚 焦 从 而 形 成 信 号 源 光 束。 此 时 还 需 要 一 个 被
称 为 参 考 光 束 的 激 光 束 起 一 个 校 准 的 作 用， 因 此 这 个 参
考 光 束 需 是 一 束 波 长 固 定、 振 幅 一 致 的 平 面 波。
---- 当 信 号 源 光 束 和 参 考 光 束 在 作 为 存 储 介 质 的 晶 体 中
相 遇 时， 就 会 在 晶 体 中 形 成 有 着 变 化 的 折 射 角 度 的 图 案
， 也 就 是 通 常 所 说 的 光 栅。 全 息 存 储 技 术 通 过 在 晶 体 中
形 成 光 栅 而 达 到 存 储 数 据 的 目 的。
---- 在 一 个 光 栅 中 可 以 存 储 一 批 数 据， 称 作 一 个 数 据 页。
全 息 存 储 器 在 存 储 数 据 和 读 取 数 据 时 都 是 以 页 为 单 位
的， 所 以 它 的 存 储 速 度 很 快。 一 个 晶 体 有 无 数 个 面， 通 过
改 变 激 光 束 的 入 射 角 度， 就 可 以 在 一 块 晶 体 中 存 储 许 许
多 多 的 数 据 页， 因 此 通 过 全 息 存 储 技 术 可 以 存 储 大 量 的
数 据。 当 然， 由 于 波 的 干 涉 作 用 和 其 他 噪 音 干 扰 等 原 因
， 现 在 的 全 息 存 储 技 术 所 能 提 供 的 存 储 容 量 还 未 达 到 理
论 中 的 数 据， 另 外 数 据 的 正 确 率 还 有 待 提 高。
放 大 镜 式 的 光 学 只 读 存 储 器
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---- 光 学 只 读 存 储 器 (Optical Read Only Memory，OROM) 是 对 光 学
存 储 技 术 的 一 次 重 大 突 破。 它 由 一 个 可 移 动 的 数 据 卡 和
一 个 全 光 电 的 读 卡 器 组 成。 与 其 他 的 光 学 存 储 设 备 如CD
-ROM、DVD 相 比，OROM 具 有 以 下 的 优 势： 首 先， 其 独 特 的 光 头
系 统 使 得OROM 读 卡 器 不 需 要 类 似CD-ROM、DVD 的 步 进 马 达 和
移 动 臂 等 任 何 移 动 部 件。 其 次，OROM 的 数 据 作 为 一 幅2D 图
像 来 存 储 并 被 投 射 到 一 个 传 感 器 上, 而 不 是 像 传 统 存 储
器 那 样 以 线 性 数 据 流 来 读 取 数 据。 所 以， 它 的 存 取 速 度
是 传 统 光 学 存 储 器 的10 倍， 花 费 却 仅 仅 是CD-ROM、DVD 的1/100
。
---- OROM 技 术 的 核 心 部 分 是32MB 的 数 据 卡， 由 价 格 低 廉 的
碳 酸 盐 塑 料 制 造， 非 常 类 似 于 制 造CD-ROM 的 材 料。 它 的 尺
寸 只 有45mm ×14mm × 3mm， 并 且 非 常 耐 用， 价 格 也 很 低 廉。
---- 数 据 卡 的 一 面 是 一 组 微 型 衍 射 镜 头， 另 一 面 是 一 个
数 据 层。 数 据 层 由 一 些 数 据 片 排 列 而 成。 每 一 个 数 据 片
实 际 上 是 一 幅 缩 小 了 的 包 含 数 以 千 计 字 节 数 据 的2D 图 像
。 把 许 多 幅 这 样 的2D 图 像 印 制 在 数 据 卡 上 就 可 以 得 到 大
容 量 的 存 储 能 力。 微 型 衍 射 镜 头 被 安 排 在 数 据 片 的 上 面
， 并 与 数 据 片 一 一 对 应。 通 过 这 个 镜 头， 读 卡 器 的 接 受
器 就 可 以 接 受 到 放 大 了 的 图 像， 再 经 过 图 像 传 感 器 转 译
成 并 行 的 数 据 流， 当 然 还 需 要 一 个 光 源 系 统 参 加 工 作。
一 个 读 取 过 程 仅 需10ms， 而 耗 电 仅 仅200mW。 其 电 耗 低 的 原
因 在 于 只 有 在 读 取 数 据 的10ms 中 有 电 能 的 损 耗， 在 其 他
时 间 里 整 个 读 卡 器 是 不 耗 电 的。
---- OROM 的 体 积 小、 高 容 量、 高 稳 定 性（ 无 移 动 部 分）、 低
功 耗、 低 价 格 等 特 性 使 它 在 便 携 式 计 算 机、 移 动 导 航 系
统 和 便 携 式 娱 乐 产 品 等 领 域 有 着 非 常 强 的 竞 争 能 力， 另
外 它 还 是 存 储 各 种 软 件 包 括 操 作 系 统、 应 用 软 件、 参 考
文 献、 多 媒 体 数 据、 地 图、 目 录、 游 戏 等 的 理 想 媒 介。
风 流 半 个 世 纪 的 磁 介 质 存 储 器
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---- 磁 介 质 存 储 器 可 谓 是 存 储 器 家 族 中 的 大 哥 大。 它 有
着 悠 久 的 历 史、 庞 大 的 家 族， 从 磁 鼓、 磁 带、 软 磁 盘 到 硬
磁 盘， 容 量 也 从 几 十 个 字 节 到 现 在 的 若 干 个GB。 近10 年 来
虽 然 受 到 其 他 各 种 存 储 器 的 挑 战， 但 磁 介 质 存 储 器 凭 借
它 自 身 的 不 断 发 展， 仍 然 占 据 着 存 储 器 市 场 的 主 导 地 位
。
---- 与 其 他 存 储 器 相 比 软 盘 的 容 量 可 谓 是 微 不 足 道， 现
在 流 行 的90mm（3.5 英 寸） 软 盘 的 容 量 只 有2MB 左 右。 这 样 的
容 量 已 经 远 远 不 能 适 应 计 算 机 的 需 求， 其 市 场 也 逐 渐 被
可 读 写 光 盘 所 蚕 食。 所 幸 的 是， 有 许 多 公 司 已 经 研 发 出
了 下 一 代 高 容 量 的 软 盘 驱 动 器。 目 前Zip 软 驱、Imation LS 1
20 软 驱 和Sony HiFD 软 驱 等 的 容 量 都 已 突 破 了200MB。
---- 如 何 提 高 磁 带 的 容 量 是 下 一 代 磁 带 研 究 开 发 的 首 要
任 务。 由IBM、HP 和Seagate 3 大 公 司 共 同 支 持 的 线 性 开 放 式
磁 带 代 表 着 下 一 代 磁 带 的 发 展 方 向。 它 的 容 量 可 达 到100
GB， 如 果 经 过 压 缩 可 存 储200GB 的 容 量。
---- 近20 年 来 硬 盘 一 直 是 磁 性 存 储 器 中 的 主 力 军。 它 之 所
以 能 够 成 为 飞 速 发 展 的 存 储 器 领 域 的 常 青 树， 关 键 在 于
其 自 身 的 不 断 发 展, 即 在 持 续 降 低 每 兆 字 节 价 格 的 同 时
不 断 提 高 硬 盘 的 容 量。 一 般 来 说， 硬 盘 的 容 量 主 要 由 磁
盘 密 度、 磁 道 密 度 和 磁 盘 半 径3 部 分 组 成。 磁 盘 密 度 表 示
每 平 方 英 寸 磁 盘 表 面 的 存 储 能 力， 其 单 位 是Gbits/in2。 磁
道 密 度 表 示 每 英 寸 的 磁 道 数。 其 中 最 重 要 的 参 数 就 是 磁
盘 密 度， 它 是 决 定 磁 盘 容 量 的 关 键 性 因 素。 现 在 主 流 硬
盘 的 磁 盘 密 度 一 般 都 在10Gbits/in2 以 下。 由IBM 公 司 研 制 的
GMR 磁 头 技 术 可 以 将 下 一 世 纪 初 硬 盘 的 磁 盘 密 度 提 高 到4
0Gbits/in2。GMR 磁 头 的 主 要 特 点 在 于 它 对 磁 盘 上 磁 性 区 域
的 高 灵 敏 度。 这 种 高 灵 敏 度 使 得 它 能 够 读 取 更 小 的 磁 记
录 区， 并 具 有 更 高 的 存 取 速 度。
---- 永 恒 的 追 求、 不 断 的 进 取， 推 动 了 存 储 器 技 术 的 高 速
发 展。 我 们 完 全 有 理 由 相 信， 新 型 原 子 级CD、 全 息 存 储 器
、 光 学 只 读 存 储 器 和 磁 介 质 存 储 器 将 在21 世 纪 共 铸 存 储
领 域 的 辉 煌。
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愿科学保佑我们，阿嚏！
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