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05.05.1989 - 

Lichtstrahlen speichern Daten in Hologrammen:

Milliarden Bits auf kleinstem Raum

Die optische Speicherung binärer Computer-Daten scheint kein Thema mehr zu sein, es geht allenfalls um die technische Verfeinerung des Grundprinzips. Doch mittlerweile liegen Konzepte für holographische Speicher-Verfahren vor. Auf der Basis von Photonen und lichtempfindlichen Materialien könnte eine Daten-Dichte bis zu 10 Milliarden Bits auf einem Kubikzentimeter möglich sein.

Blickt man auf die rund zwei Jahrzehnte der Geschichte optischer Datenspeicherung zurück, so kann man mit Theo Tschudi vom Institut für Angewandte Physik der TU Darmstadt mindestens drei Generationen dieser Speicher-Techniken unterscheiden. Schon die erste von diesen, die allerdings keinen kommerziellen, Einsatz fand, basierte auf holographischen Aufzeichnungsverfahren, die in den 60er-Jahren entwickelt wurden. Mit ihnen wollte man Daten sowohl digital als auch analog speichern.

Zweite Generation: Nur-Lese-Plattenspeicher

Die zweite Generation umfaßt die bekannten Nur-Lese-Plattenspeicher, wie sie ja auch für CD-Platten mit Musik verwendet werden. Hierbei werden Daten beziehungsweise Klänge nicht holographisch, sondern einfach Bit für Bit festgehalten, erläuterte Tschudi unlängst auf einen Kongreß des VDE, um damit gleich auf die dritte Generation überzuleiten: nämlich auf die gleichfalls seriell Bit für Bit speichernden, nur aber wenigstens auch von Käufer beschreibbaren optischen Platten des bekannten Worm-Typs (write once, read many times).

Aktuelle heutige Entwicklungen mit der Chance, teilweise schon bald zu marktreifen Produkten führen zu können, betreffen löschbare optische Platten, neue Aufzeichnungs-Materialien, bessere Halbleiter-Laser als Lichtquellen und den Einsatz von Lichtstrahlen unterschiedlicher Frequenzen. Und die Intensität, mit der in Labors rund um den Globus an Innovationen dieser und ähnlicher Art geforscht wird, läßt ahnen: die optische Speicherung von Daten scheint mehr zu versprechen, als "nur" die Einsparung von Platz infolge extrem dichten Packens der einzelnen Daten und Dateien.

Flotter Zugriff auf Massenspeicher nötig

Ginge es allein um die Einsparung von Mietkosten großer Rechenzentren, so wäre das enorme Engagement für optische Speicher- Techniken in der Tat kaum zu rechtfertigen. Doch in Wahrheit steckt hinter dem Streben nach kompakten Speichern die Überlegung, daß moderne Computer aus ihren Prozessoren umso mehr an Leistung herauskitzeln können, je größer jene Haupt- und auch Massen-Speicher sind, auf die sie ausgesprochen flott zugreifen können. Und speziell mit Blick auf das optische Speichern hebt Tschudi hervor, gerade in der angestrebten, künftigen optischen Datenverarbeitung würden innovative Speicher benötigt, auf die man in Bruchteilen einer Milliardstel Sekunde müsse zugreifen können.

Heute werden die Zugriffszeiten auf Speicher umso länger, je größer deren jeweilige Kapazität ist; und dieses Zeit-Problem ist besonders ausgeprägt bei Installationen, die erst noch einen mechanischen Transport von Bändern beziehungsweise Platten erfordern, ehe der Rechner die gesuchten Daten "zur Hand" hat. Doch selbst wenn der Speicher online angeschlossen ist: vielfach wünschenswert ist ein schneller, paralleler Datenpfad vom Rechner zu den Daten und zurück.

Optische Speicher, so Tschudi weiter, versprechen höchste Daten- Dichten und bieten gedanklich überdies die Möglichkeit, Information, "die sich durch flächenhaft ausgedehnte Transparenz darstellen" läßt, "kohärent- optisch parallel zu verarbeiten" und in "analoger oder digitaler Form zu speichern" . Auch könne man die optischen Speicher "in die dritte Dimension" erweitern, wobei hier zu notieren wäre, daß im Labor schon "Volumen-Speicher mit 10(12) Bit realisiert" werden konnten.

Dem erwünschten, parallelen und damit schnellen Ein- und Aus- Lesen vieler Datenpunkte kommt beim optischen Speicher die Tatsache zupaß, daß Lichtstrahlen sich einander "in optisch linearen Medien" nicht beeinflussen oder kreuzen. Weiter spricht für optische Speicher, daß man Informationen hier nicht allein Bit für Bit, also klar lokalisiert, sondern, "über Interferenz-Strukturen", auch "flächenhaft verteilt" aufzeichnen kann. Denn dadurch sinken die Fehler-Quoten infolge von Staub oder Kratzern deutlich.

Interessant ist diesem Zusammenhang die Überlegung, matrixförmige Anordnungen einzelner (Daten-) Bits in Fällen, in denen man mit kohärentem Licht gleicher Wellenlänge und Phasenlage arbeitet, "sowohl punktweise als auch "holographisch als Interferenzstruktur" auf lichtempfindliches Material zu schreiben. Wobei hier erwähnt sei, daß man holographische Techniken wohl dann bevorzugen wird, wenn man Worte oder ganze Blöcke in Archiv-Speichern simultan-parallel aufzeichnen möchte.

Betrachtet man zunächst die punktweise Speicherung einzelner Bits, so wissen Fachleute, daß man jene speziell dann auf kleinstem Raum und außerdem noch optisch zweckmäßig speichern kann, wenn man sie jeweils als "beugungsbegrenzte Lichtpunkte" darstellt Und da vermutlich Punkt-Abstände von jeweils 1 Mikrometer möglich sind, sollten sich mit dieser Technik pro Quadratmillimeter 1 Million Bit speichern lassen: weit mehr, als mit magnetischen Verfahren erreichbar sein soll, wie Tschudi hervorhebt.

Beim optischen Speichern einzelner Lichtpunkte - dicht an dicht - in eine Speicher-Fläche werden die Daten mit einem hell-dunkel-modulierbaren Laserstrahl eingeschrieben, der, ähnlich dem Elektronenstrahl beim Fernsehgerät, jeden einzelnen Bild- oder hier eben Speicher-Punkt ansteuern kann. Und setzt man mehrere dieser Laser parallel ein, so kann man Daten eben auch parallel schreiben.

In Experimenten mit solchen Systemen werden heute Helium- Neon- sowie Halbleiter-Laser mit Wellenlängen zwischen 1500 und - bereits

- nur noch 600 Nanometern erprobt. Man erreicht schon Modulationsraten von mehreren Milliarden Bit pro Sekunde, wobei man teils mit Amplituden- und Phasen- und teilweise auch mit Polarisations-Modulation arbeitet. Es werden also teilweise dies Helligkeit des Lichts, teilweise aber auch dessen Polarisationsebene beziehungsweise die relative Phasen-Lage der Wellenberge und -täler des Laser-Strahls durch Modulieren verändert.

Zum Ablenken des Laser-Strahls dienen mechanisch und holographisch arbeitende, aber auch akusto- und elektrooptisch operierende Systeme. Und außerdem ist eine Fülle von Prinzipien bekannt, wie man die einzelnen Bit-Punkte bleibend, aber auf Wunsch auch wieder reversibel, sowie ferner sicher lesbar in die Speicher-Fläche einbringt: man denke da nur an Änderungen des entsprechenden Brechungsindex, an selektive Schwärzung der Fläche oder auch an die Erzeugung eines extrem feinen Reliefs.

Beim Auslesen der gespeicherten Information, die übrigens teilweise auch in Gestalt von Graustufen und mithin nicht immer nur rein digital vorliegen muß läßt sich entweder die Lichtdurchlässigkeit oder aber das Reflexionvermögen der einzelnen Daten-Punkte innerhalb der Speicher- Fläche tasten und auswerten; denn diese Parameter wurden ja beim Schreiben gezielt verändert Dazu wird der jeweilige Punkt beleuchtet und gleichzeitig mit Hilfe eines photoelektrischen Detektors festgestellt, ob er Licht gut passieren läßt oder nicht.

Zum Löschen der optisch eingeschriebenen Daten wird vielfach stärkeres Licht als beim Schreiben, oder aber Licht einer anderen Wellenlänge benützt. Man kann solche Speicher Punkt für Punkt, aber auch als Gesamtfläche löschen; und manche Labor-Systeme benutzen zum Löschen auch elektrische oder magnetische Felder.

Will man in der optischen Speichertechnik die hohe Kapazität lichtempfindlicher Schichten maximal nutzen, so ist der Übergang von der Punkt-für-Punkt- zur holographischen Speicherung in Betracht zu ziehen. Hierbei beleuchtet eine Quelle kohärenten Laser-Lichts die abzuspeichernde Vorlage; nämlich, in diesem Falle hier, ein flächiges Muster von hellen und hellen und dunklen Bit-Punkten, das beispielsweise von einem elektrisch angesteuertem Flüssigkristall-Display gebildet werden kann. Das Licht wird an diesem Muster einzelner Bits gebeugt und interferiert dann ein wenig weiter hinten mit einem zweiten, gleichfalls kohärenten Laser-Strahl. Es entsteht dabei ein Interferenz-Muster, das nach Bild 1 von einer Hologramm-Platte mit ihrer lichtempfindlichen Schicht, die an passender Stelle zu plazieren ist, aufgefangen und festgehalten wird.

Das Interferenz-Muster in der Hologramm-Platte kann sich konkret als Verteilung unterschiedlich starker Schwärzungen oder auch unterschiedlicher Brechungsindizes darstellen, doch ist ihm nicht mehr anzusehen, "wo" der einzelne Datenpunkt denn nun eigentlich gespeichert ist

- und welchen Wert - Null oder Eins - er denn gerade hat. Denn im Hologramm ist, wie Tschudi betont, ".die Information eines jeden Datenpunkts über die ganze Fläche des Speichermaterials verteilt"-- auch wenn sich dieser Sachverhalt einer anschaulichen Vorstellung entzieht und nur noch abstrakt-mathematisch sowie eben experimentell nachvollziehbar ist: Man muß ganz einfach hinnehmen, daß "die Amplituden- und Phasenverteilung der Daten-Vorlage im Hologramm eindeutig gespeichert ist"".

Man kann mehrere einzelne der soeben skizzierten Hologramme zu größeren Einheiten zusammenfassen und damit sehr voluminöse Speicher realisieren. Und will man die Daten wieder auslesen, so schickt man durch das fragliche Hologramm nach Bild 2 einfach wieder einen kohärenten Laserstrahl gleicher Art, wie er beim Schreiben schon als Referenz-Strahl gedient hatte. Er fungiert dann als sogenannte Rekonstruktions-Welle und sorgt dafür, daß die im Hologramm enthaltene Information über das jeweilige, flächige Hell-Dunkel-Bitmuster - also hier praktisch das Bit-Bild des erwähnten LC-Displays - hinter dem Hologramm wieder sichtbar wird. Die derart rekonstruierte Daten-Vorlage läßt sich dann elektrooptisch auffangen und in Impulse zurückverwandeln, mit denen der Rechner dann weiterarbeiten kann.

In der Zukunft reversible Hologrammspeicher

In Laborversuchen hat man auf die beschriebene Weise bereits Speicherkapazitäten von 100 Millionen Bit und mehr aufbauen und dabei in dünnen, flächigen Medien zwischen 1 und 10 Millionen Bit pro Quadratzentimeter unterbringen können. Noch größer ist die Kapazität von sogenannten Volumen-Hologrammen, denn hier sollen gar bis zu 10 Milliarden Bit pro Kubikzentimeter untergebracht werden.

Interessant ist, daß die Technik der holographischen Speicher laut Tschudi schon heute benutzt wird, um etwa Datenbanken mit häufigem Zugriff, Archiv-Systeme mit gelegentlichem Zugriff und externe Zusatzspeicher mit wahlfreiem Zugriff innerhalb von Rechner-Systemen zu verwirklichen. Hierbei handelt es sich um "irreversible" holographische Speicher, die durch ausreichende Beständigkeit der Daten, durch bequeme Transportierbarkeit der Datenträger, durch ein hohes Maß an Datensicherheit gegenüber Kratzern und Defekten und durch - sehr kurze - Zugriffszeiten im Bereich von Sekunden überzeugen.

Besonders interessant ist mit Blick auf die fernere Zukunft natürlich, wann erste reversible Opto-Hologramm-Speicher allgemeinen Einsatz finden dürften. Deren Entwicklung scheint zur Zeit vor allem darunter zu leiden, daß man entweder Material hoher Empfindlichkeit wählen kann, es dann aber mit langen Schaltzeiten zu tun bekommt, oder aber schnell schaltende Werkstoffe findet, die indes nicht eben sehr empfindlich sind.

Was die Frage der Schreib-, Lese- und Lösch-Zyklen dieser Werkstoffe betrifft, so Tschudi, erbrachten thermoplastische Materialien sowie lichtbrechende Stoffe hier bisher die besten Ergebnisse. Mit ihnen wurden mehr als 8000 Zyklen erzielt. Was zwar nicht berauschend viel ist, denkt man an die Millionen von Zyklen in magnetischen Speicher-Medien, aber doch immerhin etwas.

Informationsverarbeitende Operationen im Speicher

Mit Blick auf die erwähnten, optischen Systeme zum Verarbeiten von Information muß noch bemerkt werden, daß die Entwickler derart innovativer Opto-Rechner dringend nach Kurzzeit-Speichern mit extrem schnellen Schaltzeiten rufen. Und daß es gute Chancen auf die Entwicklung entsprechender Werkstoffe zu geben scheint.

Die Verbesserungen, die die Fachwelt sich aus den zahlreichen Bemühungen zur Fortentwicklung der optischen Speichertechnik erhofft, dürften nicht zuletzt auch die Volumen-Holographie voranbringen, die ja einen ganz besonderen Vorteil verspricht. Denn mit ihrer Hilfe sollte es möglich werden, prognostiziert Tschudi, "optische Assoziativspeicher und mehrfunktionelle optische Holo-Speicher" aufzubauen, die dann informationsverarbeitende Operationen direkt im Speicher sollten ausführen können.

Neue Halbleiter-Laser sind optimale Lichtquellen

Neben der Frage der Speicher-Medien selber verdient auch die Frage nach optimalen Lichtquellen weiterhin große Aufmerksamkeit. Hier ist anscheinend auf neue Halbleiter-Laser zu hoffen, die im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums arbeiten und von denen Experten sich eine starke Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten optischer Speicher-Systeme erwarten.

Versucht man, eine grobe Zeitskala der kommenden Entwicklungen aufzustellen, so scheinen optische Speicher zunächst wohl eher in elektronischen Rechnern ihren Platz zu finden und erst in späteren Phasen dann auch im - noch ziemlich geisterhaften - optischen Computer.

Und betrachtet man die Dinge auf weltweiter Ebene, so fällt auch eine bemerkenswerte Ost-West-Divergenz auf. Denn Tschudi meint zu sehen, daß Europa, Japan und die USA primär auf Bit-für-Bit- Digitalspeicher fixiert zu sein scheinen, während in Rußland "vor allem das Konzept der holographischen Speicher" verfolgt werde. Und zwar "mit Erfolg".