تحدثنا في مقالات سابقة عن اقراص الـ CD و DVD وكذلك البلوراي BD واقراص HD-DVD المستخدمة في تخزين المعلومات والبيانات بكافة اشكاله وانواعها، وفي هذا المقال من مقلات كيف تعمل الاشياء سوف نتحدث عن نوع جديد من الاقراص التي قد تطل علينا في القريب بالرغم من أن فكرتها معروفة من سنوات عدة هذه اقراص الهلوجرافي واسمها العلمي Holographic Versatile Discs وتختصر بالاحرف HVD.
ان انظمة الذاكرة الهلوجرافية معروفة من عدة عقود. وتوفر مساحة تخزينية كبيرة جداً تفوق قدرة تخزين اقراص الـ CD و الـ DVD وحتى اقراص الـ BD تصل إلى 1000GB اي اكبر بـ 20 مرة قدرة تخزين قرص BD وبـ 200 مرة من قرص DVD، كما ان سرعة تناقل المعلومات فيها اكبر بكثير مما هو معروف الان. والسؤال الذي يتبادر إلى الذهن بعد هذه المقدمة لماذا لم يتم استخدام هذا النوع من الذاكرة المعتمدة على تقنية الهلوجرافي لحتى يومنا هذا؟
في الحقيقة هناك بعض الصعوبات التقنية المترتبة على استخدام هذا النوع من الذاكرة تمنع من انتاجها وتسويقها بالاضافة الى تكلفتها العالية والتعقيدات المصاحبة لها والدقة المطلوبة لتصنيعها. ولكن بالرغم من كل هذا فإن جهود شركة Optware اليابانية http://www.optware.co.jp كللت بالنجاح في التحول من انتاج ذاكرة كمبيوتر هلوجرافية إلى انتاج اقراص تخزين هلوجرافية HVD.
في هذه المقالة من كيف تعمل الأشياء سوف نلقي المزيد من الضوء على هذه التقنية الجديدة وكيف تطورت وكيف يمكن ان تخزن اضعاف ما تخزنه اقراص البلوراي BD.
اساسيات حول ذاكرة الهلوجرافي
في البداية سوف نقوم بشرح مبسط لفكرة الهلوجرافي حتى تكون الصورة واضحة عند الحديث عن ذاكرة الهلوجرافي. تعني كلمة هلوجرافي طريقة تسجيل انماط ونماذج التداخل الضوئي المنعكس عن الجسم لنحصل على صورة ثلاثية الابعاد. ويسمى الفيلم الذي يحتوي على انماط ونماذج تداخل الضوء بالهلوجرام. ولتوضيح معنى ذلك سوف نقوم بشرح فكرة الحصول على هلوجرام.
وتعتمد فكرة الحصول على الهلوجرام على تقسيم شعاع ليزر إلى شعاعين منفصلين احدهما يسمى الشعاع المرجعي ويتم توجيهه على الفيلم مباشرة والشعاع الثاني يتم توجيهه على الجسم المراد تصويره، وسنطلق علي اسم شعاع المعلومات او شعاع الجسم، يتم تسجيل التداخل بين الشعاعين على الفيلم والتي تحمل خصائص الجسم الذي تم تصويره. وبالطبع الفيلم مصنوع من مادة خاصة حساسة لضوء الليزر.
يحتوي الفيلم “الهلوجرام على معلومات عن الجسم الذي كونه في صورة نماذج التداخل التي حدثت بين الشعاع المرجعي وشعاع الحسم وسجلت على الفيلم، ولتكوين الصورة يتم توجيه شعاع ليزر على الهلوجرام فيتشتت ضوء الليزر حسب نماذج التداخل المخزنة على الهلوجرام وتتكون صورة في الفراغ ثلاثية الابعاد.
صورة ثلاثية الابعاد تجسم موت نجم بواسطة الهلوجرافي
ربما يتصور البعض ان الفيلم “الهلوجرام” يحتوي على صورة مثل تلك الموضحة في الشكل اعلاه او ربما يشبه الهلوجرام بنجاتيف الكاميرا، ولكن في الحقيقة ان ما يخزنه الهلوجرام هو نماذج تداخل ضوئي والتي تكون عبارة عن مناطق معتمة واخرى مضيئة حسب التداخلات التي حدثت لشعاعي الليزر ولا تتكون الصورة الا من خلال تسليط الليزر عليه ليتشتت في الفراغ ويكون الصورة كما سبق ذكره.
في الذاكرة الهلوجرافية تستخدم طريقة تسجيل الهلوجرام لتخزين المعلومات الرقمية بدلا من الصوة حيث تمثل المناطق المضيئة والمناطق المعتمة في الهلوجرام القيم 0 و1 كما في الشكل الموضح ادناه.
هلوجرام يحتوي على نماذج تداخل عبارة عن مناطق مضيئة ومناطق معتمة
التخزين المعروفة. حيث تصل السعة التخزينية لقرص الهلوجرافي HVD لسعة قدرها 1000GB والتي تختصر باسم التيرابيت 1TB من المعلومات. والسبب في هذه القدرة التخزينية الفائقة يكمن في انها تخزن المعلومات من خلال التداخلات الضوئية والتي تسجل في كل مادة القرص وهذا يختلف عن الطرق المعروفة في اقراص التخزين الضوئية DVD وBD التي تسجل المعلومات على طبقة واحدة فقط على القرص، اي ان الذاكرة في HVD هي ذاكرة حجمية في حين ان الذاكرة في التقنيات الاخرى هي سطحية.
معنى ذلك ان كل سمك القرص في حالة HVD يستغل في تخزين المعلومات في حين طبقة رقيقة من سطح قرص الـ CD او الـ DVD أو الـ BD تستغل لتخزين المعلومات. وفي الشكل التالي مقارنة بين التقنيتين حيث يتضح في الشكل ان نفس المساحة التي يخزن فيها 1Bit من المعلومات على الاقراص الضوئية يمكن تخزين 60,000 Bits على نفس المساحة من قرص الهلوجرافي.
مقارنة بين عمق تخزين المعلومات في HVD على اليمين و DVD على اليسار
بالاضافة إلى القدرة التخزينية العالية فإن سرعة تبادل المعلومات في اقراص الهلوجرافي تصل إلى 1GB في الثانية، وهذا يعادل 40 ضعف سرعة تبادل المعلومات في اقراص التخزين الضوئية بمختلف انواعها.
والأن عزيزي القارئ لا تندهش مما سوف تكون عليه التقنية في الايام القادمة وذلك لان هذه الاقراص الهلوجرافية موجودة حالياً ومستخدمة وسوف نقوم بشرح فكرة عملها بالاعتماد على ما تم انتاجه من قبل شركة Optware اليابانية وما وفرته لنا من معلومات وتقارير تفيدنا في اعداد هذا الموضوع.
ملاحظة: ليست شركة Optware هي الشركة الوحيدة التي انتجت اقراص HVD لان شركة Inphase Technology Tapestry http://www.inphase-technologies.com انتجت هي الاخرى اقراص من هذا النوع.
أقراص التخزين الهلوجرافي HVD
كما ذكرنا مسبقاً ان فكرة الذاكرة الهلوجرافية معروفة منذ اكثر من 40 عاماً ولكن بعض التعقيدات منعت من انتاجها على مستوى واسع واستخدامها في اجهزة الكمبيوتر ومن هذه التعقيدات هو اعتمادها على شعاعين ليزر يعملان على محاور مختلفة مما يتطلب نظام بصري من المرايا والعدسات معقد جداً للتحكم في تداخل الشعاعين بدقة عالية. كما ان هذه الذاكرة غير متوافقة مع انظمة التخزين الحالية. هذا بالاضافة إلى ان سماكة هذا النوع من الوسائط التخزينية اكبر من اقراص الـ CD والـ DVD.
وبالرغم من كل هذه التحديات الا ان شركة Optware عملت على تطوير هذه التقنية وادخلت عليها عدة تحسينات لتناسب متطلبات السوق. فجعلت شعاعي الليزر يعملان على نفس المحور لتحل احد تلك التعقيدات العملية
على اليسار مخطط لتسجيل الهلوجرام باستخدام شعاعين ليزر يعملان على محورين مختلفين، وعلى اليمين مخطط لتسجيل الهلوجرام باستخدام محور واحد فقط وهي الطريقة التي طروتها شركة Optware والتي تسمى Collinear Holography
كما طورت الاقراص التي سوف تستخدم لتخزين المعلومات الهلوجرفية عليها بحيث يتكون القرص الهلوجرافي من مادة خاصة حساسة لضوء الليزر موضوعة بين طبقتين وطبقة لامعة تعمل كمرآة تعكس الضوء الازرق وتسمح بمرور الضوء الاحمر المستخدم لقراءة البيانات.
الطبقات المكونة لقرص الهلوجرافي HVD
ولأن أقراص الهلوجرافي التي تطورها شركة Optware هي في مراحلها النهائية فإن كثير من المعلومات التقنية لازالت طي الكتمان في الوقت الحالي، ولكن في الجزء التالي سوف نقوم بشرح فكرة عمل اقراص الهلوجرافي في تخزين البيانات عليها وقراءتها.
الكتابة على اقراص الـ HVD
تتم عملية تخزين المعلومات “الكتابة” على قرص الهلوجرافي من خلال استخدام نظام مكون من العناصر التالية:
(1) ضوء ليزر بطول موجي 532nm ذو لون اخضر او ازرق
(2) شريحة زجاجية لتقسيم شعاع الليزر الى شعاعين
(3) مرايا
(4) شريحة حساسة للتغيرات في شدة ضوء الليزر
(5) مجس ضوئي من نوع CMOS وهي شريحة مكونة من مجسات ضوئية وتستخدم في الكاميرات الرقمية.
(6) سطح يحتوي على مادة لتسجيل الهلوجرام والتي تغطي سطح القرص.
المرحلة الأولى
تبدأ عملية الكتابة على قرص الهلوجرافي في مرحلتها الأولى بتشفير المعلومات وتحويلها الى النظام الثنائي binary data ليتم تخزينها على الشريحة الحساسة للتغيرات في شدة اشعة الليزر والتي الذي يحفظها على شكل بيانات مكونة من الصفر والواحد والتي تمثل بشريحة تحتوي على مناطق معتمة ومناطق شفافة لتمثل هذه الشريحة صورة المعلومات التي سوف تستخدم في المرحلة الثانية.
قرص HVD وعليه البيانات
المرحلة الثانية
بعد ان تكون شريحة البيانات قد تكونت نستخدم شعاع من اليزر تم قصله إلى شعاعين متماثلين باستخدام شريحة زجاجية ويتم تسليط احد الشعاعين على شريحة البيانات ويسمى هذا بشعاع المعلومات بيما يتم توجيه الشعاع الثاني بعيدا عن شريحة البيانات ويسمى الشعاع المرجعي. عندما يسقط شعاع المعلومات على الشريحة فإن المناطق المعتمة تمنع الشعاع من النفاذ بينما المناطق الشفافة تسمح للشعاع بالمرور. وبهذا يصبح شعاع المعلومات يحمل معلومات الشريحة بعد ان ينفذ منها.
المرحلة الثالثة
وفيها يتم تكوين الهلوجرام حيث تستخدم المرايا لتوجيه الشعاع المرجعي ليندمج مع شعاع المعلومات ليتحدو في شعاع واحد وتتكون نماذج التداخل بينهما والتي تحمل بيانات تسمى بيانات هلوجرافية والتي تسجل على مادة الاسطوانة الهلوجرافية.
على اليمين صورة تبين شريحة المعلومات وعلى اليسار صورة تبين
الهلوجرام لهذه البيانات وبهذه الطريقة نكون قد تم تخزين المعلومات على القرص الهلوجرافي ولا تعد هذه المعلومات ذات اهمية الا اذا تمكنا من استرجاعها مرة أخر وهذا ما سنقوم بشرحه في الفقرة القادمة.
قراءة البيانات المخزنة على قرص HVD
تعتمد قراءة البيانات المخزنة على اقراص HVD على القدرة على معالجة وفهم نماذج التداخلات الضوئية المحفوظة على قرص القرص الهلوجرافي، ويتم ذلك من خلال استخدام نظامين للقراءة يعملان معا، حيث يقوم النظام الاول بعرض الهلوجرام المسجل على القرص، ويقوم النظام الثاني بتحويل بقراءة الهلوجرام. ويتم ذلك على النحو الموضح في الشكل التالي:
حيث يستخدم مشغل اقراص HVD شعاع ليزر موجه إلى القرص وهو بنفس خصائص الشعاع المرجعي المستخدم في تسجيل البيانات، ويعتبر هذا نظام القراءة الاول والموضح في الشكل اعلاه. تتشتت اشعة الليزر بناءً على نماذج التداخل المسجلة على القرص فتتكون صورة “هلوجرام” للبيانات في التي تم تسجيلها على قرص الهلوجرافي وذلك بتداخل شعاع الليزر والشعاع المرجعي. يأتي دور النظام الثاني للقراءة الهلوجرام والذي يتكون من شريحة الكترونية مكونة من مجسات حساسة للضوء تسمى CMOS والتي تستخدم في الكاميرات الرقمية وقد سبق شرحها في موضوع كيف تعمل الكاميرا الرقمية.
الصورة على اليمين توضح قرص الهلوجرافي HVD مسجل عليه البيانات والصورة على اليسار توضح الصورة التي قرأتها المجسات الضوئية CMOS
مقارنة بين اقراص الهولوجرافي والاقراص الضوئية
بينما تسعى الشركات المطورة لتقنية اقراص الهلوجرافي لتجقيق ثورة في عالم تخزين البيانات فإن انظمة منافسة تعمل بتقنية الضوئية والتي هي اقراص BD التي طورت بواسطة شركة سوني واقراص HD-DVD والتي طورت بواسطة شركة توشيبا والتي بدأت في الانتشار وقد تحدثنا بالتفصيل عن فكرة عملها في مقالات سابقة فإنها لا تزالت تعمل بتقنية الـ DVD ولن باستخدام شعاع ليزر ازرق، والتنافس الكبير بين هذه التقنيات موجه إلى سوق الفيديو الرقمي عالي الجودة. وفي الجدول التالي مقارنة بين الانواع الثلاثة على اساس التكلفة والسعة التخزينية وسرعة القراءة والكتابة.
| Blu-ray | HD-DVD | HVD | |
| التكلفة الابتدائية للقرص الواحد | $18 | $10 | $120 |
| التكلفة الابتدائية لمشغل الاقراص | $2,000 | $2,000 | $3,000 |
| السعة التخزينية | 54 GB | 30 GB | 300 GB |
| سرعة القراءة والكتابة | 36.5 Mbps | 36.5 Mbps | 1 Gbps |
ولان اقراص الهلوجرافي HVD لازالت في مراحل التطوير فإن التكلفة الابتدائية للقرص الواحد كبيرة جداَ بالمقارنة بالاقراص الضوئية وكذلك سعر مشغل اقراص الهلوجرافي يصل إلى 3000 دولار وهذا قد يشكل عائقاً لتسويق هذه الاجهزة ولكن السعة التخزينية الكبيرة والسرعة العالية للكتابة والقراءة قد تستقطب شريحة محددة من المهتمين ومن المتوقع ان تصبح اجهزة الهلوجرافي متوفرة في الاسوق في العام 2010.
مخطط بياني يوضح العلاقة بين السعة التخزينية المتتوقعة لاقراص HVD والتي ستصل إلى 2TB في العام 2010 للقرص الواحد بينما يبدأ انتاج جهاز تشغيل اقراص HVD في العام 2008
لمزيد من المعلومات حول اقراص الهلوجرافي يرجى الاطلاع على المواقع التالية:
