Оптические технологии хранения информации

 

 

   Оглавление

 

   

   Предисловие

   Задача  сохранения информации на всех этапах развития общества была одной из приоритетных, при решении которой необходимо обеспечить для будущих поколений как сохранность знаний, накопленных предыдущими поколениями, так и новой информации.

   Здесь следует оговориться, что выбор систем записи или хранения информации во многом определяется характером и назначением информации. Одни системы записи информации характеризуются высоким быстродействием, но не обеспечивают должной плотности записи; другие – способны хранить большие объемы информации, но не обеспечивают должной скорости обмена данными. У третьих все нормально по этим двум параметрам, но для длительного хранения информации они не пригодны или стоимость каждого байта информации на них непомерно высока. Поэтому, сколько существует задач, оперирующих информацией, столько же и требований к параметрам устройств записи/хранения этой информации. Не всякая информация предназначена для оперативного пользования и теряет свою актуальность в короткие временные сроки. Существуют виды информации, в том числе и научно-технической, для которой трудно указать сроки, когда эта информация теряет значимость или становится ненужной. Во многих случаях ценность информации со временем будет возрастать. Примером может быть гидрометеорологическая информация, которая позволяет объективно анализировать медленное изменение в окружающей среде и природных ресурсах, оценивать эффекты влияния деятельности людей на природу. То же самое относится и к медицинской информации, анализ которой за длительные промежутки времени позволяет выявлять тенденции в развитии групп людей, проявления различных заболеваний, в том числе связанных с изменением условий жизни, влияния окружающей среды и т.д.

   В современном мире объем информации различного назначения продолжает стремительно нарастать. Сейчас уже можно однозначно утверждать, что только развитие техники представления информации в цифровом виде позволило успешно решить проблему хранения информации, создать совершенно новые возможности для доступа к информации и ее обработки. Быстрое внедрение цифровых технологий обработки информации, развитие электронных библиотек, баз данных, корпоративных и глобальных компьютерных сетей, все развивающаяся тенденция интегрирования средств телекоммуникаций в единое информационное пространство создало необходимость развития исследований по созданию технологий долговременного хранения информации, представленной в цифровом виде. Ведь объемы информации, представленной в цифровой форме, увеличиваются не только за счет новой информации, которая в большинстве случаев уже имеет и электронную форму представления, но и за счет перевода в цифровую форму ранее созданных информационных ресурсов.

 

   Оптические  технологии

   В компьютерах существует два основных типа устройств хранения данных: магнитные и оптические. Устройства магнитного хранения – это жесткий диск и floppy-дисковод. В таких устройствах информация записывается на вращающийся магнитный диск. В оптических устройствах хранения запись и считывание информации осуществляются на вращающийся диск с помощью лазерного луча, а не магнитного поля. Следует отметить, что большинство оптических устройств могут лишь считывать информацию с носителя. Существуют также устройства, в которых применяется комбинированный способ (как магнитный, так и оптический) способ записи и считывания информации. Такие устройства называются магнитооптическими.

   В прошлом казалось, что в недалеком будущем оптические диски полностью заменят собой магнитные носители в сфере хранения информации. Однако оказалось, что быстродействие и плотность записи оптических дисков значительно отстают от аналогичных показателей магнитных устройств, так что они по-прежнему являются в основном только средством архивирования и распространения данных. Магнитные жесткие диски так и остаются основным операционным средством долгосрочного хранения. Наиболее перспективными кажутся технологии перезаписываемых DVD, так как они способны хранить большие объемы информации, а по цене практически сравнялись с дисками CD.

   Стандарты оптических носителей:

   ■ CD (CD-ROM, CD-R, CD-RW);

   ■ DVD (DVD-ROM, DVD-RAM, DVD-RW, DVD-R, DVD+RW, DVD+R);

   ■ форматы DVD с повышенной плотностью, такие как HD-DVD и Blue-ray (BD).

   Дисководы CD и DVD получили широкое распространение  благодаря возможности их использования  в развлекательных целях. Например, устройства, созданные на основе стандарта CD, могут воспроизводить музыкальные компакт-диски, а дисководы DVD — видеофильмы, которые предлагаются в магазинах или напрокат. Дисководы, в которых используются носители этих типов, также обладают множеством дополнительных возможностей.

   Наиболее  распространенными оптическими  накопителями являются компакт-диски. CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory — память только для чтения на компакт-диске) — это оптический носитель информации, предназначенный только для чтения данных. Другие форматы, CD-R и CD-RW, позволяют записывать данные на компакт-диск, а благодаря технологии DVD существенно повышается емкость обычного оптического диска.

 

   Немного истории

   В 1979 году компании Sony и Philips объединили усилия в области разработки современных звуковых компакт-дисков. Philips к тому времени уже разработала лазерный проигрыватель, а у Sony за плечами были многолетние исследования в области цифровой звукозаписи. Конкурентная борьба между ними могла привести к появлению двух несовместимых форматов лазерных дисков, поэтому они пришли к соглашению о единой технологии записи и производства.

   Компания Philips в основном занималась разработкой  физического носителя, взяв за основу собственную конструкцию лазерного  диска, данные которого, записанные в виде впадин разной глубины (штрихов), считывались с помощью лазера. Sony, в свою очередь, разрабатывала цифроаналоговую схему, уделяя особое внимание устройствам цифрового кодирования и коррекции ошибок.

   В 1980 году обе компании представили  стандарт CD-DA, называемый с тех пор  форматом Red Book (Красная книга) (это  название формат получил из-за красного цвета обложки опубликованного  документа). Спецификации Red Book определили способы записи и обработки звука, а также физический размер диска, равный 120 мм (4,72 дюйма), который используется до настоящего времени. Как гласит легенда, такой размер был выбран потому, что диск этого диаметра полностью вмещает в себя 70-минутную Девятую симфонию Бетховена (на каждой стороне виниловых дисков можно было записать по 33 минуты музыки).

   После завершения работы над спецификацией  компании включились в негласное  соревнование за создание первого коммерческого  аудиопроигрывателя компакт-дисков. Победителем  в этом состязании стала Sony, которая имела больше опыта в создании цифровых электронных устройств и 1 октября 1982 года, опередив Philips всего на один месяц, представила проигрыватель CDP-101 и первый в мире звуковой компакт-диск с альбомом Билли Джоела 52nd Street. Этот проигрыватель начал продаваться в Японии, затем — в Европе и только в начале 1983 года — в США. В 1984 году Sony выпустила первые автомобильные и портативные аудиоплееры для воспроизведения компакт-дисков.

   Компании Sony и Philips продолжали сотрудничать в области стандартов компакт-дисков еще в течение 10 лет, и в 1984 году выпустили стандарт CD-ROM, получивший название Yellow Book (Желтая книга). Этот стандарт позволил перейти от музыкальных компакт-дисков, используемых для хранения оцифрованного звука, к носителям, содержащим данные только для чтения, которые предназначались для компьютерных систем. В стандарте Yellow Book используется тот же физический формат, что и в звуковых компакт-дисках, но модифицированные электронные схемы декодирования позволили значительно повысить надежность хранения данных. Геометрические параметры компакт-диска, принятые оригинальным стандартом Red Book, использовались фактически во всех последующих стандартах CD (по-прежнему называемых по цвету обложек опубликованных документов). Таким образом, компакт-диск прошел путь от хранителя симфонии до универсального носителя программного обеспечения и данных практически любого типа, что стало возможным благодаря появлению стандарта Yellow Book (CD-ROM). 

   Правила пользования

   С оптическими носителями необходимо обращаться так же осторожно, как и с негативами фотографий. Диски являются оптическими устройствоми, поэтому загрязнение или повреждение поверхности ухудшает их качество. Кроме того, следует отметить, что, хотя считывание данных происходит с нижней стороны диска, слой, содержащий дорожку данных, находится значительно ближе к его верхней части, поскольку толщина защитного покрытия составляет всего 6--7 микрон. Поэтому запись, сделанная шариковой ручкой на верхней поверхности диска, может повредить нижележащий слой. Следует соблюдать осторожность даже при использовании различных маркеров. Чернила и растворители некоторых маркеров могут стать причиной повреждения как верхнего слоя, так и защитного лакового покрытия, что приведет к повреждению нижнего информационного слоя. Старайтесь использовать только специальные маркеры, предназначенные для выполнения надписей на компакт-дисках. С обеими сторонами диска следует обращаться очень бережно, уделяя особое внимание его верхней стороне. 

   Алгоритм работы оптических накопителей

   В основе работы накопителя CD-ROM лежит  применение отраженного луча полупроводникового лазера от поверхности диска. Отраженный свет регистрируется фотодетектором.

   1. Полупроводниковый лазер генерирует  маломощный инфракрасный луч, который попадает на отражающее зеркало.

   2. Сервопривод по командам, поступающим  от встроенного микропроцессора,  смещает подвижную каретку с  отражающим зеркалом к нужной  дорожке на компакт-диске.

   3. Отраженный от диска луч фокусируется  линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму.

   4. Разделительная призма направляет  отраженный луч на другую фокусирующую  линзу.

   5. Последняя линза направляет отраженный  луч на фотодатчик, который преобразует  световую энергию в электрические импульсы.

   6. Сигналы с фотодатчика декодируются  встроенным микропроцессором и  передаются в компьютер в виде  данных.

   Сейчас  практически все программное  обеспечение поставляется на компакт-дисках, даже если оно занимает десятую часть  диска (операционные системы и игры, как правило, распространяются на DVD). 

   Современные тенденции

   DVD

   Для считывания и записи DVD используется красный лазер с длиной волны 650 нм.

   Типы  DVD-дисков по структуре данных:

• DVD-видео — содержат фильмы (видео и звук);

• DVD-Audio — содержат аудиоданные высокого качества (гораздо выше, чем на аудио-компакт-дисках);

• DVD-Data — содержат любые данные;

• смешанное содержимое.

   В отличие от компакт-дисков, в которых  структура аудиодиска принципиально  отличается от диска с данными, в DVD всегда используется файловая система UDF.

   Емкость DVD-дисков

• 4.7 ГБ (односторонний  однослойный – общепринятый)

• 8.5–8.7 ГБ (односторонний  двухслойный )

• 9.4 ГБ (двухсторонний  однослойный )

• 17.08 ГБ (двухсторонний  двухслойный – редкость)

   Blu-ray Disc

   Blu-ray Disc, BD — формат оптического носителя, используемый для записи с повышенной плотностью и хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости. Коммерческий запуск формата Blu-ray прошёл весной 2006 года.

   Blu-ray (букв. «синий луч») получил своё название от использования для записи и чтения коротковолнового (405 нм) «синего» (технически сине-фиолетового) лазера.

   С момента появления формата в 2006 году и до начала 2008 года у Blu-ray существовал серьёзный конкурент — альтернативный формат HD DVD. В течение двух лет многие крупнейшие киностудии, которые изначально поддерживали HD DVD, постепенно перешли на Blu-ray. Warner Brothers, последняя компания, выпускавшая свою продукцию в обоих форматах, отказалась от использования HD DVD в январе 2008 года. 19 февраля того же года Toshiba, создатель формата, прекратила разработки в области HD DVD. Это событие положило конец так называемой второй «войне форматов».

   Емкость Blu-ray-дисков:

• 25 ГБ (однослойный)

• 50 ГБ (двухслойный)

• 100/128 ГБ (BDXL)

 

   Заключение

   Как мы видим, в современном мире потребность в хранении и распространении информации увеличивается с каждым днем. Поэтому, несмотря на то, что оптические носители вряд ли заменят магнитные диски и займут лидирующую позицию в области хранения информации, этот тип носителей остается главным для распространения и перемещения данных. Вот почему, оптические технологии хранения информации и дальше будут развиваться, позволяя записывать и использовать все большие объемы данных.