Warum optischer Speicher weiterhin relevant bleibt

Warum farbige digitale Zeichen zum Einsatz kommen

Plasmonics – oder Nanoplasmonics – sind ein junger Bereich, der sich mit den Interaktionen zwischen Lichtwellen und metallischen Nanopartikeln beschäftigt. Plasmonics arbeiten mit Strukturen im Nanobereich, um die Elektronenbewegungen auszuwerten, die entstehen, wenn Photone auf eine metallische Oberfläche treffen. Die Forscher glauben, dass sie dieses Phänomen für Datenspeicher nutzen können, die höhere Dichten und schnellere Leseprozesse als herkömmliche optische Platten liefern.

Um Daten in diesem Ausmaß zu speichern, verwenden die Wissenschaftler plasmonische Nanostrukturen, die sich in ihren jeweiligen Positionen unterscheiden. Die Nanostrukturen dienen als winzige Antennen, die die Lichtinteraktionen verbessern. Wenn Licht auf die Nanostrukturen trifft, reflektieren sie je nach Position verschiedene Farben. Werden diese Positionen verändert, ändert sich auch das reflektierte Farbspektrum. Mit anderen Worten, die Forscher variieren die Orientierungszustände der Nanoantennen, um verschiedene reflektierte Farben zu erzeugen, die sie dann in binäre Informationen übersetzen können.

In Verbindung mit der Positionierung der Nanostruktur benutzen die Forscher eine besondere Meta-Oberfläche, die aus Aluminium-Nanoantennen besteht. Diese Meta-Oberfläche bietet mehr Farbvarianten und höhere räumliche Auflösung als andere Materialien, die sich oft auf zusammengesetzte Metallresonatoren stützen. Folgt man den Forschern, dann ist die Aluminium-Metaoberfläche frei von Antireflexionsproblemen und unterstützt auch geringere Volumina. Sie verträgt sich auch besser mit handelsüblichen Nanodruckprozessen.

Die Forscher haben eine rahmenbasierte (frame-based) Speicherstruktur vorgeschlagen, in der jeder Rahmen aus 16 Nanopixels besteht. Jedes Nanopixel besitzt Zellen aus vier Einheiten oder Nanoantennen. Jede Orientierungs-Nanoantenne verfügt über eine einzigartige Farbe. Auf diese Weise kann ein Bildsystem die entsprechende Farbsequenz von jedem Rahmen abrufen. Diese Farben können dann in binäre Daten übersetzt werden.

In ihrem Prototyp speicherten die Forscher 3 Bits an Daten pro Nanopixel, was höhere Dichten und Lesegeschwindigkeiten als eine Blu-ray-Disc ermöglicht. Basierend auf ihren ersten Simulationen glauben die Forscher, dass sie 4 Bits an Daten pro Nanopixel speichern können, was zu einer um 40 Prozent größeren Dichte als bei Blu-ray führt und eine Lesegeschwindigkeit ermöglicht, die 191-mal schneller ist.

Einsatzmöglichkeiten für verbesserten optischen Speicher

Durch Umpositionieren der Nanoantennen kann plasmonisches Storage eine große Reihe von unterscheidbaren Farben erzeugen, so dass es mehr Datenspeicher auf einem begrenzten Platz gibt. Ein optisches Analyseprogramm kann dann die einzigartigen Farbsequenzen erfassen, während sich die Platte dreht, und dann diese Leseergebnisse in binäre Daten übersetzen. Einige Analyseprogramme können simultan mehrere Speichereinheiten lesen, was sich in viel schnelleren Leseprozessen niederschlägt.

Speicheradministratoren könnten die neue Technologie als Ersatz für die heutigen vorbespielten optischen Audio- und Video-Discs, insbesondere Blu-ray, verwenden. Diese Platten sind produziert als nur lesbar, lassen keine Aufnahmen zu und sind in großem Ausmaß Massenprodukte – mit den in den zugrundeliegenden Medien eingepressten Daten. Plasmonic Discs können in ungefähr der gleichen Art und Weise hergestellt werden, zum Teil wegen der aus Aluminium bestehenden Metaoberfläche, wie die Forscher mitteilen. Die höheren Kapazitäten und Lesegeschwindigkeiten könnten sich als besonders günstig für die zunehmenden Dichten von Videoinhalten erweisen.

In ihrer gegenwärtigen Form ist die Plasmonic Disc ein Write-Once-Read-Many-Medium (WORM), das höhere Lese-Performance als andere optische Speicher verspricht. Sie bietet noch immer die hohe Haltbarkeit und Archivierungsfähigkeiten von traditionellen optischen Platten. Das macht Plasmonic Storage gut geeignet für lese-intensive Workloads, die sich auf „kalten“ oder Archivspeicher stützen – wie zum Beispiel analytische Anwendungen mit integriertem Machine Learing (ML), Predictive Analytics und andere fortgeschrittene Technologien.

Plasmonic Discs könnten generell eine gute Lösung für die Archivierung einer Menge von strukturierten und unstrukturierten Daten sein, je nachdem, ob Unternehmen Daten für Advanced Analytics nutzen oder nicht. Ein Medium mit schnellem Lesezugang kann einem Unternehmen eine Menge Zeit ersparen, wenn es versucht, bestimmte Informationen zu finden. Zum Beispiel wenn die IT-Abteilung Zugang zu archivierten Daten benötigen würde, um ein Compliance-Problem zu lösen oder wenn es sich um einen Cyberangriff handelt.

Unterschiede zu traditionellem optischen Speicher

Die Purdue-Forscher haben sicher ihre eigenen Ansichten über den optischen Speichermarkt, besonders als Ersatz für die Blu-ray-Disc. Das Medium, das sie für ihre Vorführung benutzten, hatte die gleiche Größe wie eine standardmäßige optische Disc – mit einem Durchmesser von 120 Millimetern. Sie drehte sich mit 5.000 RPM (Umdrehungen pro Minute), eine vergleichbare Geschwindigkeit zu einer Blu-ray-Disc.

Heutige optische Disks sind flach und kreisförmig. Die Daten werden als mikroskopische Gruben und Erhebungen gespeichert, wobei die Gruben in eine reflektierende Schicht von Aufnahmematerial eingeätzt werden. Die Daten werden in kreisförmigen Mustern geschrieben, ausgehend vom Zentrum der Platte. Laser lesen dann die Daten von den Scheiben, während sie sich drehen. Die Unterschiede im Reflexionsgrad bestimmen die 0- und 1-Bits, die die Daten repräsentieren. Eine CD kann bis zu 700 MByte an Daten speichern, eine DVD kann bis zu 8,5 GByte an Daten speichern und eine Blu-ray-Disc bis zu 128 GByte.

Das geeignete Aufnahmematerial für Daten hängt von dem Einsatzzweck der Disc ab. Für vorbespielte Discs, wie sie für die Verbreitung von Kinofilmen verwendet werden, kann billigeres Material wie Aluminiumfolie zur Datenspeicherung verwendet werden. Eine Disc für WORM-Datenspeicher wird jedoch oft eine zusätzliche, eigens gefärbte Schicht für das Schreiben von Daten enthalten. Eine wiederbeschreibbare Platte verwendet ein Phase-Change-Material, das mehrere Male gelöscht und wiederbeschrieben werden kann.

Die plasmonische Disc, die von den Purdue-Wissenschaftlern entwickelt wird, befindet sich noch in den frühen Phasen der Forschung und besitzt nur ein einziges Material für WORM-Datenspeicher. Die plasmonische Disc besitzt eine passive Metaoberfläche aus Aluminium, die polarisations-einstellbare Plasmonic-Farben spiegelt. Die Metaoberfläche besteht aus periodischen Arrangements von rechteckigen Nanoantennen, die sich auf optisch dickem Aluminiumfilm befinden. Forscher schätzten, dass diese Konfiguration Speicherdichten unterstützen kann, die bis zu 40 Prozent größer als bei konventionellen Blu-ray Discs ausfallen.

Um Daten in den Plasmonic-Prototypen aufzunehmen, nutzten die Forscher elektronische Strahlen-Lithographie, um die Informationen in die Metaoberfläche einzubrennen, aber sie glauben, dass mehr kommerziell realisierbare Hilfsmittel die Daten aufnehmen können. Der Einsatz von Plasmonics anstelle einer Architektur mit Vertiefungen und Erhöhungen macht es möglich, optischen Speicher zu verbessern, größere Dichten zu erreichen und Lese-Performance zu beschleunigen.

Herausforderungen von farbigem digitalen Speicher

Es scheint, dass es wenig Fortschritt für die Kommerzialisierung der Technologie gegeben hat, seitdem die Purdue-Wissenschaftler ihre Untersuchung veröffentlicht haben. Unzweifelhaft sehen sie sich einem harten Kampf gegenüber angesichts der Herausforderungen, einen neuen Typ von Speichermedium für Daten in den heutigen Markt einzuführen.

Plasmonischer Storage ist aktuell begrenzt auf im vorbespielten und auf WORM-Speicher – ohne Unterstützung für wiederbeschreibbares Storage. Die Technologie sieht sich auch den weiteren Verbesserungen bei Blu-ray-Speicher gegenüber. Obwohl Blu-ray eventuell nicht die von plasmonischem Speicher versprochenen Dichten und die Lese-Performance erreichen wird, ist es ein gut etabliertes Medium, das Unternehmen für voraus aufgenommenen, WORM- und wiederbeschreibbaren Speicher verwenden können.

Selbst wenn die Forschung zu plasmonischem Storage bedeutende Schritte vorwärts macht, können die Hersteller nicht einfach mit der Produktion entsprechender Discs beginnen. Der Herstellungsprozess wird eventuell wie bei Blu-ray Discs sein, aber die Hersteller müssen ihre Prozesse anpassen, um dem neuen Format auf Massenbasis zu entsprechen. Die Nachrüstung von Maschinen und die Anpassung der Betriebsprozesse sind keine kleinen Aufgaben, und eine neue Technologie muss in der Lage sein, Vielversprechendes auch praktisch zu demonstrieren, um die Aufmerksamkeit der ganzen Industrie auf sich zu ziehen.

Plasmonische Discs sehen sich einigen der gleichen Kapazitätsbeschränkungen gegenüber wie andere optische Platten. Obwohl sie größere Dichten als Blu-ray versprechen, muss das Medium selbst mit den oberen Grenzen einer einzigen sich drehenden Scheibe zurechtkommen. Andere Speichermedien können sich jedoch in viel größere Systeme integrieren und sich als einen einzigen Aufbewahrungsort präsentieren.

Die plasmonische Disc ist auch konfrontiert mit den bedeutsamen Fortschritten bei Solid-State Storage, wo sich Kapazität, Performance und Kosten weiter verbessern. Die Hersteller investieren beträchtliche Mengen an Zeit und Energie, um bessere SSDs zu bekommen, die andere Speicherformen ablösen sollen. Onsite-Speichersysteme haben schon länger Platz gemacht für Cloud Storage und Streaming-Dienste.

Die Absicht, optischen Speicher durch plasmonische Discs zu verbessern, muss außerdem mit anderen Anstrengungen konkurrieren, die zukünftige Anforderungen adressieren. Das Project Silica von Microsoft untersucht zum Beispiel die Machbarkeit, sehr schnelle Laser Optics für die Speicherung von Daten auf Quartzkristallen zu nutzen. Damit sollen sich größere Dichten und Belastbarkeiten ergeben im Unterschied zu allem, was gegenwärtig Daten archiviert. IBM hat an einem Konzept mit Namen Racetrack Memory gearbeitet, das elektrischen Strom auf Nanoleitungen anwendet, um entgegengesetzte magnetische Regionen für die Speicherung von großen Datenmengen zu schaffen. Wissenschaftler befassen sich ebenfalls aktiv mit DNA Memory, einem Speicheransatz, bei dem Daten in genetischem Material verschlüsselt werden.