Riesenspeicher auf kleinstem Raum

Die Informationsgesellschaft erzeugt immer mehr Daten, die gesichert werden müssen. Diese Datenflut digitaler Informationen lässt die Grenzen herkömmlicher Speichersysteme langsam sichtbar werden. Hologramme dagegen können in Medien von der Größe eines Zuckerwürfels bereits ein Terabyte Daten erfassen. Forscher am Institut für Angewandte Physik der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster haben ein kompaktes und höchst effizientes holographisches Speichersystem entwickelt, das ohne bewegliche Komponenten auskommt und Datenverarbeitung und Datenverschlüsselung mit integriert.

Dabei speichert ein Laser in einem optischen Speichermaterial elektronische Datenmuster als Seiten ab. Auf einer Seite finden Millionen von Bits Platz, auf ein Speichermedium passen Tausende solcher Seiten. Mindestens genauso faszinierend sind die extrem schnellen Zugriffsmöglichkeiten: da alle auf einer Seite gespeicherten Daten gleichzeitig abgerufen werden, sind Datentransferraten von Gigabyte pro Sekunde und Zugriffszeiten weit unter einer Millisekunde möglich.

Die Datenspeicherung ist eine der großen Herausforderungen des ständig expandierenden Multimediamarktes. Datenarchivierung in Bibliotheken, in der Medizin oder im Bereich der Kunst verlangen nach hochkapazitiven Speichern, die ganze Bildseiten auf einmal speichern können. Gleichzeitig explodiert der Speicherbedarf im digitalen Datenbereich. Videodatenbanken, Netzwerkdienste oder Satellitenkommunikation sind einige der Gebiete, in denen in Zukunft Terabytes von Daten gespeichert und in wenigen tausendstel Sekunden abrufbereit sein müssen. CD oder DVD können die Datenflut derzeit gerade noch bewältigen, den künftigen Bedarf an Speicherkapazitäten werden sie trotz neuer Entwicklungen jedoch bei weitem nicht abdecken können.

Hologramme dagegen gelten durch ihre parallele Speicherung als die Datenspeicher der Zukunft. Der Grundgedanke der Holographie besteht darin, das vollständige, von einem Objekt ausgehende Wellenfeld zu speichern. Aufbauend auf diesem Prinzip haben Prof. Dr. Cornelia Denz und ihre Mitarbeiter ein kompaktes und vollständig automatisch durch einen Rechner gesteuertes Speicher- und Bildverarbeitungssystem entwickelt. Dabei wird ein blauer Laserstrahl in einen Referenz- und einen Datenstrahl gespalten. Ein Flüssigkristalldisplay prägt die analogen Bilddaten oder das digitale Muster heller und dunkler Datenpunkte dem Lichtstrahl auf. Nachfolgend wird der Bildstrahl im Kristall mit dem Strahl des Referenzarmes überlagert. Dieser ist durch das im Referenzstrahl eingebrachte Flüssigkristallelement speziell zur Speicherung der Bilder kodiert. Nach der Speicherung im Kristall wird dem Element ein neues Phasenmuster aufgeprägt, mit dem ein nachfolgendes Bild unabhängig eingespeichert werden kann. Nachdem alle Bilder abgelegt sind, können sie allein durch Eingabe des entsprechenden Phasenkodes auf dem Referenzarm unabhängig voneinander rekonstruiert und mit einem Sensor aufgezeichnet werden.

Analoge Bilder können direkt gespeichert werden – dies ist insbesondere für die Archivierung von analogen Daten wie zum Beispiel medizinischen Aufnahmen, Kunstsammlungen, archäologischen Funden und Bibliotheksbeständen attraktiv. Digital gespeicherte Daten, wie sie für die Speicherung von Video- oder Satellitendatenbanken benötigt werden, stehen dagegen sofort zur Weiterverarbeitung auf konventionellen Computern zur Verfügung. Das System ermöglicht neben der Speicherung auch die Datenverarbeitung. Dieses Verfahren ist besonders interessant für den Vergleich von Daten, wie beim Vergleich gespeicherter Fingerabdrücke, verschiedener Röntgenbilder oder von Kunstwerken und deren Reproduktionen oder Fälschungen. Schließlich erlaubt der phasenkodierte Speicher auf einfachste Weise eine hochsichere Verschlüsselung der gespeicherten Daten.

Die Vorteile des neuen Speichers, der am 27.März 2004 um 18.30 Uhr in der Fernsehsendung „Neues“ vom Sender 3sat ausführlich vorgestellt wird, liegen auf der Hand: hohe Packungsdichten und kurze Zugriffszeiten. Ein zuckerwürfelgroßer Kristall verspricht eine Speicherkapazität im Bereich von einem Terabyte bei Ausleseraten von Gigabyte pro Sekunde und Zugriffszeiten unter einer Millisekunden. Wegen ihrer relativ langsamen Schreibzeiten im Bereich von einigen hundert Millisekunden bis Sekunden pro Datenseite, den attraktiven, schnellen Zugriffszeiten und Datentransferraten, wird heute das Einsatzgebiet solcher Speicher insbesondere in hochkapazitiven Archivdatenbanken gesehen.

Als Herausforderung auf dem Weg zu einem kommerziell konkurrenzfähigen System steht für Prof. Denz die Realisierung kostengünstiger, leicht und reproduzierbar herstellbarer Speichermaterialien im Vordergrund des Interesses. Denn die derzeit genutzten Einkristalle müssen nach einem langwierigen Zuchtprozess gepolt und poliert werden, so dass sie in der Herstellung extrem aufwendig und teuer sind. Neuartige Polymere eröffnen jedoch Möglichkeiten, alternative Volumenmaterialien herzustellen, die sowohl die Datenspeicherung als auch die Informationsverarbeitung erlauben.