Новітня технологія довготривалого

зберігання інформації на сапфірових оптичних

дисках

Петров Вячеслав ВасильовичДиректор Інституту проблем реєстрації інформації НАН України,

академік НАН України, д-р техн. наук, проф.

1

Семиноженко Володимир ПетровичГолова ради директорів НТК «Інститут монокристалів» НАН України,

академік НАН України, д-р техн. наук, проф.

12 лютого 2014 року

0 10 20 30 40 50 60

Оптичні носії WORM

Магнитні диски WORM

Магнітні стрічки WORM

Оптичні носії

Магнітні диски

Магнітні стрічки

Відносна кількість інформації, %

Великобританія

США

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Рік

Зага

льни

й об

сяг

інф

орм

ації,

Тб Архівна

інформаціяМультимедійнаінформаціяПечатнапродукція

Обсяги інформації та терміни її зберігання

Тип носія Термін зберігання

Магнітна стрічка 10 – 50 років

Жорсткий магнітний диск 1 – 7 років

Flash-накопичувач 10 – 12 років

Оптичний диск для запису 1 – 25 років

2

Статистика відмов магнітних жорстких дисків

Термін експлуатації Відсоток відмов дисків

Кумулятивний (накопичений) відсоток відмов дисків

1-й рік2-й рік3-й рік4-й рік5-й рік

1,7%8%

8,6%6%7%

1,7%9,7%

18,3%24,3%31,3%

Вірогідність зберігання дієздатності багатодискової системи без ремонту

Термін експлуатації 6 жорстких дисків 12 жорстких дисків

1-й рік2-й рік3-й рік4-й рік5-й рік

90%54%30%19%11%

81%29%9%4%1%

Failure Trends in a Large Disk Drive Population – Режим доступу: http://static.googleusercontent.com/ external_content/untrusted_dlcp/research.google.com/ru//archive/disk_failures.pdf 3

Центр зберігання даних Microsoft

4

Еволюція носіїв інформації

Немашинні носії:Таблички ШумерівПапірФотоплівки

Машинні носії:Циліндри ЕдісонаГрамофонні платівкиНікелеві матриціМагнітні стрічки та дискиОптичні дискиТвердотільні накопичувачі

5

Збереглося близько 30 тисяч глиняних табличок з шестикратним дублюванням

Створювалася протягом 25 років (652 р. – 627 р. до н. е.).

В бібліотеці зберігалися:1. Глиняні таблички2. Воскові таблички3. Пергаментні рукописи4. Папірусні рукописи

До 1849 р. збереглися лише глиняні таблички.

Склад глини долини Тигру і Євфрату:50% SiO2 + 50% Al2O3

дисперсність – 2 – 5 мкм.

Бібліотека Ашурбаніпала

6

Клинописна табличка шумерів

Табличка шумерів, на якій описана причина руйнувань біблейських міст Содому і Гоморри (700-й рік до н.е.) 7

Стела храму Рамсеса IV (1100-й рік до н.е.)

Воскові циліндри Едісона

8

Розробка – 1975-1978 рр.

9

Перший в світі накопичувач інформації на оптичних дисках ЄС 5150 для

потужних ЕОМ серії ЄС

10

11

Зчитування даних з нікелевої матриці та з оптичного диску

інформаційний рельєфнікелева матриця

обкладинказахисний шарвідбивальний шар

полікарбонатсклокварцсапфір

Характеристика оптичного носіяФормат оптичного носія

CD DVD BD

Ємність інформаційного шару, ГБ 0,7 4,7 27

Швидкість відтворення МБ/с 4,32 26,16 66

Щільність запису ГБ/дюйм2 0,41 2,77 14,73

Крок доріжки, мкм 1,6 0,74 0,32

Мінімальна довжина піту, нм 833 400 149

Максимальна довжина піту, нм 3054 1870 596

Швидкість обертання 1х, м/с 1,2 3,5 4,9

Довжина хвилі лазера, нм 780 650 405

Діаметр плями, мкм 2,11 1,32 0,5512

Оптичні диски

Причини руйнування оптичного диску

Основні причини втрати інформації на оптичних дисках:• Подряпини на підкладці, що

викликає відхилення і розсіювання лазерного променя при відтворенні даних

• Відшарування металевого відбивального шару

• Пошкодження металевого шару та інформаційного рельєфу

• Механічна руйнація при високих швидкостях обертання

• Зміна оптико-механічних властивостей полікарбонатної підкладки з часом

13

Оцінка температурної стабільності підкладок оптичних дичків

Тпл – температура плавлення матеріалу підкладки,

= 2 – 4 Матеріал

підкладкиТемпература плавлення,

оК

Твердість за Вікерсом,

МПа

Відносна температурна стабільність

Температурна стабільність,

років

Полікарбонат 523 130 1 ~ 10

Скло 923 3000 e40= 1017 ~ 1018

Кварц 1986 10000 e146= 1063 ~ 1064

Сапфір 2318 22500 e180= 1078 ~ 1079

14

𝑉 2

𝑉 1

=𝛾Тпл 2−Т пл1

10

Правило Вант-Гоффа:

М-диск(Write Once and Read Forever)

15

Архівні носії з високостабільних материілів

1http://www.channelnewsasia.com/stories/afp_world_business/view/1227752/1/.html2http://news.sciencemag.org/sciencenow/2012/07/a-million-year-hard-disk.html?ref=hp

Кварцевий носій Hitachi:

Прогнозований термін зберігання1 – 1000 роківЄмність – 25 МБРозміри – 2х2 смТовщина – 2 мм

Платиново-сапфіровий диск ANDRA(Франция):

Прогнозований термін зберігання2 – 10 000 000 роківЄмність – 40 000 сторінокДіаметр – 20 смПропонуєтьсяся для зберігання інформації про радіоактивні відходи

16

Система відтворення з 5D оптичного носія: (а) визначення двопроменезаломлення в трьох окремих шарах; (b) збільшений масив точок 5 на 5; (с) розподіл у верхньому інформаційному шарі, (d) розподіл повільної осі верхнього шару; (e, f) збільшена нормалізована матриця та повільна вісь цієї матриці; (b), (g), (h) дані в двійковому коді, що були отримані за допомогою (e) та (f).

Оптичний носій 5D

17

Запис QR-кодом

18

Вольфрамовий диск

QR-код 150х150.Загальна ємність – 932

байта.Кожен піксель великого

QR-коду являє собою маленький QR-код.

Лист паперу А4Запис QR-кодом 150х150 з роздільною здатністю 450:• загальна ємність – 800

кбайт• щільність записаної

інформації – 13 байт/мм2

CD-ROM• щільність записаної

інформації – 67 300 байт/мм2

DVD-ROM• щільність записаної

інформації – 488 700 байт/мм2

Система зчитування даних з сапфірового диску

1 – лазерний світлодіод

2 – дифракційна гратка

3 – світлоподільний кубик

4 – чвертьхвильова пластина

5 – фокусуюча лінза

6 – компенсуюча пластина

7 – підкладка носія

19

Компенсація поляризаційних аберацій в сапфіровій підкладці

20

Розподіл інтенсивності випромінення в меридіональний площині

сфокусованої плями

Відстань між фокусами звичайного та незвичайного променів = 10 мкм

21

∆𝐹=2h∆𝑛𝑛𝑜

Якість фокусування системи

а) без застосування компенсуючої

пластини

б) із застосуваннямкомпенсуючої пластини

22

23

Варіанти застосування сапфірового диску

сапфір сапфір сапфір

Рельєфний запис (CD, DVD, BD)

Перфораційний запис

Магнітооптичний запис

Фізична властивість матеріалу

PMMA ПК Силікатне скло

Ситал СТЛ-2

Кварц Сапфір

Температура розм’якшення, ºС 110 140 696 1373 1585 1725

Теплопровідність Вт/(м·К) 0,19 0,23 0,97 0,79 1,38 36

Температуропровідність см/с 1х10-3 2х10-3 6х10-3 4,2x10-3 7,5х10-3 0,12

Твердість за Вікерсом, МПа 190 130 3000 7502 10000 22500

Модуль Юнга, ГПа 3,3 2,6 70 89 72,4 470

Густина г/см3 1,19 1,20 2,47 2,53 2,20 3,98

Показник заломлення 1,49 1,586 1,51 1,55 1,458 1,77

Коефіцієнт термічного розширення, 10-7/ºС

650 700 92,2 -6 5,7 70

Межа міцності на розрив, МПа 76 60 89 99 164 400

Фізико-хімічні властивості сапфіру в порівнянні з іншими матеріалами, що

можуть використовуватися для виготовлення оптичних дисків

24

25

Підкладка сапфірового диску

1. Оптична вісь кристала (ось Z) має бути перпендикулярною до площини А з точністю 5′.2. Обробка поверхні виконується методом глибокого шліфування та поліровки.

№ зразка Товщина диска, мкм

Середнє відхилення товщини (клинуватість), мкм

Биття сторони 1, мкм

Биття сторони 2, мкм

1 686 15 13.5 14.8

2 702 8.5 29.2 27.0

3 691 13 22.5 18.0

4 712 16 18.9 18.0

Скло 1 - - 4.5 -

Скло 2 - - 8.1 -

Поверхня сапфіру Поверхня скла

Профіль поверхні підкладок

26

1 – прозора підкладка з сапфіру

2 – шар фоторезисту

3 – сфокусований лазерний промінь

4 – маска

5 – іонний промінь

6 – металевий шар

7 – захисний шар

Пат. 81519 Україна, МПК G 11 B 7/26. Спосіб виготовлення оптичного носія для довготермінового зберігання даних / Петров В. В., Крючин А. А., Шанойло С. М., Бєляковський В. О., Горбов І. В.; заявник та власник Ин-т проблем реєстрації інформації НАН України.

Процес виготовлення сапфірового диску

27

Сапфір

Скло

Аналіз поверхні інформаційного рельєфу оптичного диску

28

29

Станція лазерного запису

Установка йонно-променевого травлення

1 - підкладка;

2 - емітер електронів;

3 - електронна хмара;

4 - нейтралізований іонний промінь;

5 - іонний промінь;

6 - електромагнітна котушка;

7 - заземлений анод;

8 - зовнішнє кільце катоду;

9 - внутрішнє кільце катоду;

10 - ізолятор з газоводом;

11 - ізолятор;

12 – подача газу.

30

31

Що має бути збережено

• Наукові знання.• Генетична інформація

біологічних видів.• Інформація щодо

радіоактивних сховищ.• Найважливіша технічна та

технологічна докумнетація.• Культурне надбання.• Інше.

32

33

Дякую за увагу!