Введение к работе
Последние годы развития науки и техники характеризуются интенсивным поиском новых методов и средств информационной технологии для обработки, передачи и хранения больших объемов информации. В этом процессе все большее значение придается оптическим методам обработки информации, которые открыли возможность нового подхода к решению ключевых проблем обработки, передачи и хранения информации.
Оптические методы обработки информации находят широкое применение, когда необходимо обеспечить:
сверхбольшую скорость обработки и передачи информации;
создание устройств хранения информации сверхбольшой емкости и высокого быстродействия.
Реализация оптических методов передачи и обработки информации невозможна без создания современных высокопроизводительных и высоконадежных средств хранения информации.
В современных высокопроизводительных ЭВМ до 80% объема оборудования занимает память и, как показывают исследования, память относится к числу наименее надежных устройств ЭВМ. Большая доля сбоев и отказов приходится на запоминающие устройства (ЗУ).
В настоящее время наиболее эффективными средствами накопления данных являются магнитные дисковые и ленточные ЗУ. Техника магнитной записи хорошо отработана, что обуславливает высокую промышленную конкурентоспособность магнитной памяти.
Однако, если ранее процесс возрастания плотности записи на магнитном носителе шел весьма быстро, то в последние годы он резко замедлился.
Именно этой причиной можно объяснить возрастание интереса к новым технологиям памяти, в частности, использующим современные средства оптоэлектроники. Оптические методы хранения информации отличаются прежде всего высокой плотностью записи данных. Прогнозы развития оптических методов приводят к заключению, что в ближайшее десятилетие плотность записи в оптических системах будет возрастать приблизится к 109 бит/см2. Это открывает хорошие перспективы для создания памяти емкостью 1012-И013 бит при незначительной удельной стоимости хранения данных.
В настоящее время учеными многих стран интенсивно разрабатываются основы теории проектирования и структурной организации оптической памяти. При создании ЗУ большой емкости перспектнвіплми
являются топографические методы записи, хранения и считывания информации.
Большой вклад в развитие и создание теории голографии и голо-графической памяти внес выдающийся ученый, академик А.А.Акаев.
Благодаря его фундаментальным научным трудам и организаторской деятельности в нашей стране создана крупная научная школа кыргызских "голографистов". В этой школе успешно проводятся теоретические исследования и разрабатываются технические проекты по решению актуальных проблем оптической.обработки информации.
Несмотря на большие успехи в разработке и создании ГЗУ вопросы надежности и достоверности их функционирования остаются неисследованными. В настоящее время создана необходимая теоретическая база для исследования и решения проблемы надежности ГЗУ. Накоплен определенный опыт производства и эксплуатации оптической памяти, собран достаточно большой статистический материал об отказах элементов и устройств ГЗУ, что позволяет исследовать надежность ГЗУ. Дальнейшая перспектива использования ГЗУ в информационных системах во многом зависит от их информационной надежности, т.е. надежности записи, хранения и считывания страничной информации при правильном функционировании ГЗУ.
Вопросы надежности ГЗУ остаются практически неисследованными. Отсутствуют работы по исследованию информационной надежности и надежности по полным отказам как элементов и узлов, так и ГЗУ в целом. В последнее время появился ряд работ, где экспериментально исследуются статистические параметры информационных сигналов 1, О и помех и шумов, достоверность считывания входной страницы данных. Эти экспериментальные данные позволяют более достоверно исследовать вопросы надежности ГЗУ.
Поэтому, данная диссертационная работа, которая посвящена исследованию особенностей и различных аспектов надежности ГЗУ является актуальной. Решение вопросов надежности ГЗУ открывает новые возможности в оптимизации структуры и улучшении технических параметров и характеристик ГЗУ.
Цель диссертации: разработка теоретических основ, методов структурной организации и проектирования высоконадежных и эффективных голографических запоминающих устройств для современных вычислительных и информационных систем.
Основные задачи диссертационной работы вытекают из поставленной цели и сформулированы следующим образом:
разработать теоретические основы надежности и общий подход к проектированию высоконадежных ГЗУ;
исследовать характер и природу возникновения ошибок и отказов в ГЗУ, разработать методы и средства расчета ошибок в каналах записи, считывания и в процессе хранения информации;
разработать методы анализа и оценки надежности ГЗУ и комплекс методов и средств, позволяющих достигнуть требуемого уровня надежности функционирования ГЗУ с учетом их конструктивных, схемотехнических и структурных особенностей;
разработать методы синтеза, структурной организации и инженерного проектирования ГЗУ с учетом фактора надежности;
создать и обосновать методику оценки надежности записи, считывания и хранения страничной информации;
Научная новизна: В результате проведенных исследований предложен метод проектирования ГЗУ с учетом фактора надежности. Этот метод назван структурно-параметрическим. Особенность его заключается в том, что при определении критериев надежности ГЗУ учитывается, с одной стороны, обобщенная структура ГЗУ, а с другой - алгоритм функционирования, структура данных и конструктивные особенности ГЗУ.
Совокупность проведенных исследований, направленных на создание основы теории надежности ГЗУ, позволила решить проблемы поиска и разработки принципов и методов организации ГЗУ с повышенными показателями надежности функционирования. Принципиальной особенностью предложенного метода является сочетание методов оценки и повышения надежности на всех конструктивных уровнях и этапах проектирования ГЗУ.
Особенность структурно-параметрического метода заключается в том, что он позволяет учитывать фактор надежности на всех этапах проектирования ГЗУ. Этот подход позволяет найти также соответствие алгоритма, структуры данных, параметров и характеристик технических средств, чтобы оптимизировать целевую функцию надежности ГЗУ.
Методы исследования: общей методологией проведения исследований и разработки служит системный подход. Решения задач диссертационной работы основываются на комплексном использовании ключевых положений следующих фундаментальных теорий: теории дифракции, теории Фурье-оптики, теории надежности, теории алгоритмов, теории графов, машинного моделирования, теории оптимизации, интегрального исчисления, численных методов и общей теории проектирования средств вычислительной техники.
Благодаря использованию совокупности указанных теорий появились новые возможности для эффективного решения задач анализа, оптимизации и проектирования высокоэффективных ГЗУ на современной и перспективной элементной базе.
В качестве инструмента при решении указанных задач использованы современные персональные компьютеры, языки программирования высокого уровня, набор прикладных программ, реализующих предложенную стратегию и алгоритмы проектирования памяти.
Применение предложенных методов исследования и проектирования позволяет снизить аппаратные и временные затраты при создании высоконадежных ГЗУ. Использование теоретических результатов при организации ГЗУ повышает их эксплутационную надежность.
Полученные расчетные данные о характере и частоте сбоев, возникших в оптических, электронных и электромеханических каналах ГЗУ, дают возможность эффективного применения разновидностей методов оценки и повышения характеристик ожидаемой надёжности проектируемых ГЗУ.
Разработанные аппаратные и программные средства повышения надежности ГЗУ позволяют использовать эффективные методы в зависимости от типа ошибок.
Разработанные методики расчета надежности ГЗУ, ориентированные на автоматизацию проектирования и исследования получили алгоритмическую и программную реализацию.
Создание совокупности методов проектирования, структурной организации и оценки параметров ГЗУ, доведенных до простых инженерных реализаций, позволяет как разработчику, так и потребителю оперативно (с допустимой точностью) определить возможные конфигурации ГЗУ и оценить ее ресурсы.
Применение предложенного подхода к проектированию ГЗУ обеспечивает создание высокоэффективных средств хранения информации различных рангов сложности. Использование разработанной элементной базы позволяет создать ГЗУ обладающими новыми свойствами, которые позволяют качественно и количественно улучшить основные характеристики ЭВМ и вычислительных систем.
Совокупность предложенных методик с программными и техническими средствами проектирования памяти являются эффективным инструментом автоматизации проектирования.
Разработанные методы оценки надежности ГЗУ дают возможность на этапе проектирования производить сравнительный анализ различных вариантов построения ГЗУ с точки зрения обеспечения заданной информационной надежности, а также выдать рациональную стратегию технического обслуживания ГЗУ.
Разработанный комплекс методов повышения надежности ГЗУ отличается малой аппаратурой и временной избыточностью и может быть использован для повышения надежности ЗУ и других типов.
Основные результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены на ряде предприятий, что подтверждается соответствующими актами.
В Кыргызском техническом университете и Жалал-Абадском государственном университете в учебном процессе использованы модели ГЗУ, адекватные вероятностным процессам функционирования, алгоритмы и программы расчета показателей надежности ГЗУ; подсистемы ППП инженерных расчетов ГЗУ и расчета параметров ГЗУ, позволяющих повысить качество проектирования. Результаты исследований использованы в курсах по изучению основы проектирования устройств ЭВМ, технических средств САПР, периферийных и запоминающих устройств, при постановке лабораторного практикума, в НИР студентов, в курсовом и дипломном проектировании.
Диссертация является обобщением результатов, полученных на кафедрах ЭВМ Кыргызского технического университета в г. Бишкек и "Информатики и вычислительной техники" Жалал-Абадского государственного университета, в лаборатории "Микроэлектроника" Института энергетики и микроэлектроники Южного отделения HAH КР в процессе выполнения под научным руководством и при непосредственном участии автора в течение 1980-1996 годов.
