Оптические устройства хранения данных

Оптический диск – собирательное название для носителей информации, выполненных в виде дисков, чтение с которых ведётся по спиральной дорожке с помощью оптического излучения. Диск обычно плоский, его основа сделана из поликарбоната, на который нанесён специальный слой для хранения информации. Для считывания информации используется обычно луч лазера, который направляется на слой и отражается от него. При отражении луч искажается мельчайшими выемками (питами, от англ. pit - ямка, углубление) на слое, и это можно измерить.

Первое поколение оптических дисков

Лазерный диск LaserDisc (разработка 1958 г., коммерческое применение 1978 г.). Применялся в 1978-2000 гг. в сфере домашнего просмотра кинофильмов. Обеспечивал значительно лучшее качество по сравнению с распространенными в то время видеокассетами. Технологии, отработанные в этом формате, затем были использованы в CD и DVD.

Компакт-диск (CD) был разработан в 1979 году компаниями Philips и Sony. На Philips разработали общий процесс производства, основываясь на своей более ранней технологии лазерных дисков. Sony, в свою очередь, использовала собственный метод кодирования сигнала PCM – Pulse Code Modulation, использовавшийся ранее в цифровых профессиональных магнитофонах. В 1982 году началось массовое производство компакт-дисков. Выпуск первого коммерческого музыкального CD был анонсирован 20 июня 1982 г. История гласит, что на нем был записан альбом «The Visitors» группы ABBA.

Информация на диске записывается в виде спиральной дорожки так называемых питов (углублений), выдавленных в поликарбонатной основе. Каждый пит имеет примерно 100 нм в глубину и 500 нм в ширину. Длина пита варьируется от 850 нм до 3,5 мкм. Данные с диска читаются при помощи лазерного луча с длиной волны 780 нм. Принцип считывания информации лазером для всех типов носителей заключается в регистрации снижения интенсивности отраженного света. Лазерный луч фокусируется на информационном слое в пятно диаметром ~1,2 мкм. Если свет сфокусировался между питами, то фотодиод регистрирует максимальный сигнал. В случае, если свет попадает на пит, фотодиод регистрирует ме́ньшую интенсивность света.

Скорость чтения/записи CD указывается кратной 150 кБ/с (то есть 153 600 байт/с). Например, 48-скоростной привод обеспечивает максимальную скорость чтения (или записи) CD, равную 48 x 150 = 7200 KБ/с (7,03 MБ/с).

Существуют диски, предназначенные для записи в домашних условиях. В таких дисках используется специальный активный материал, позволяющий производить запись/перезапись информации. Различают:

– CD-R (Compact Disc Recordable), 1988 г., – диски для однократной записи, с органическим активным материалом, запись осуществляется путём разрушения химических связей материала, что приводит к его потемнению;

– CD-RW (Compact Disc ReWritable), 1997 г., для многократной записи, с неорганическим активным материалом, запись осуществляется изменением коэффициента отражения материала в результате его перехода из аморфного агрегатного состояния в кристаллическое и наоборот. И в том и в другом случае запись производится модуляцией мощности лазера.

Второе поколение оптических дисков

DVD

MiniDisc

DataPlay

GD-ROM

Fluorescent Multilayer Disc

Universal Media Disc

Первые диски и проигрыватели DVD появились в ноябре 1996 в Японии и в марте 1997 в США, приводы по стоимости ~$17000, сами диски - по $50. Изначально «DVD» расшифровывалось как «Digital Video Disc» (цифровой видеодиск), поскольку данный формат первоначально разрабатывался как замена видеокассетам. Позже стали расшифровывать DVD как Digital Versatile Disc (цифровой многоцелевой диск). Для считывания и записи DVD используется красный лазер с длиной волны 650 нанометров. Единица скорости (1x) чтения/записи DVD составляет 1 385 000 байт/с (то есть около 1352 Кбайт/с = 1,32 Мбайт/с), что примерно соответствует 9-й скорости (9x) чтения/записи CD, которая равна 9 × 150 = 1350 Кбайт/с. Таким образом, 16-скоростной привод обеспечивает скорость чтения (или записи) DVD равную 16 × 1,32 = 21,12 Мбайт/с.

Физически DVD может иметь одну или две рабочие стороны и один или два рабочих слоя на каждой стороне. От их количества зависит ёмкость диска (из-за чего они получили также названия DVD-5, −9, −10, −18, по принципу округления ёмкости диска в Гб до ближайшего сверху целого числа)

GD-ROM (сокращение от англ. Gigabyte Disc read-only memory) – формат оптических дисков, разработанный компанией Yamaha для Sega. Он подобен стандарту CD-ROM за исключением того, что биты на диске упакованы плотнее, обеспечивая более высокую емкость (приблизительно 1.2 гигабайта

Universal Media Disc (UMD) – оптический накопитель, разработанный компанией Sony для использования в игровых приставках PlayStation Portable. Емкость: 1.80 Гб (двуслойный), 900 Мб (однослойный). Длина волны лазера: 660 nm (красный)

Флуоресцентный многоуровневый диск (FMD) – формат оптического носителя, разработанный компанией «Constellation 3D», использующий флуоресценцию вместо отражения для хранения данных. Форматы, основанные на измерении интенсивности отраженного света (такие как CD или DVD), имеют практическое ограничение в 2 слоя хранения данных, главным образом, из-за эффекта интерференции. Однако использование флуоресценции позволяет работать, соответствуя принципам объёмной оптической памяти и иметь до 100 слоёв. Они позволяют вместить объём до 1 Тб при размерах обычного компакт-диска.

Питы на диске заполнены флуоресцентным материалом. Когда лазерный луч фокусируется на них, они вспыхивают, излучая световые волны разных длин. Поскольку слои не содержат металлы, они прозрачны, и свет проходит через них беспрепятственно. Это позволяет иметь множество слоёв. Главное ограничение – суммарная толщина диска.

Образец диска объемом 50 Гб был представлен на компьютерной выставке COMDEX в ноябре 2000 года. Первые образцы использовали красные лазеры с длиной волны 650 нм и имели объём 140 ГБ. Последующие модификации использовали сине-фиолетовые лазеры с длиной волны 405 нм и вместимостью до 1 Тб.

Затем компания «Constellation 3D» прекратила работу из-за скандала, начавшегося после выставки COMDEX 2000 (представленный образец был фальшивым и проигрывался на обычном поддельном приводе). Вследствие этого компания обанкротилась.

Вскоре сформированная компания D Data Inc. приобрела патент на эту разработку в 2003 году и представила её под именем цифрового многослойного диска (DMD).

Цифровой Многослойный Диск («DMD» – с англ. «Digital Multilayer Disk») является оптическим диском, разработанным компанией D Data Inc. Диск основан на трехмерной оптической технологии хранения данных, разработанной для FMD. Диск основан на технологии красного лазера и составлены из нескольких слоев данных, к которым присоединяется флуоресцентный материал, который реагирует на освещение красного лазера. DMD-диски на красном лазере могут потенциально иметь до 100 Гб места для хранения данных.

Третье поколение оптических дисков

Blu-ray Disc

HD DVD

Forward Versatile Disc

Ultra Density Optical

Versatile Multilayer Disc

Blu-ray (букв. «голубой-луч») получил своё название от использования для записи и чтения коротковолнового (405 нм) «синего» (технически сине-фиолетового) лазера. Представлен общественности в 2006 году.

Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23,3, 25, 27,0 или 33 Гб, двухслойный диск может вместить 46,6, 50, или 54 Гб. Возможно применение и большего количества слоев, так, 5 октября 2009 года японская корпорация TDK сообщила о создании записываемого десятислойного Blu-ray диска емкостью 320 Гигабайт.

Применяются также диски BD-R (одноразовая запись) и BD-RE (многоразовая запись). Выпускаются как диски стандартного размера 120 мм, так и размером 80 мм для использования в цифровых фото- и видеокамерах.

HD DVD (англ. High-Density DVD – DVD высокой ёмкости) – еще одна технология записи оптических дисков, бывший основной конкурент BD. Разработка и развитие были прекращены в начале 2008 года.

Ultra Density Optical (UDO) – формат оптического диска для хранения видео высокой чёткости. UDO представляет собой картридж 5.25” с оптическим диском внутри. Объём диска на данный момент составляет от 60 Гб до 120 Гб. Для записи может использоваться как красный лазер (650нм), так и сине-фиолетовый (405 нм), причем во втором случае максимальный объем диска может достигать 500 Гб. Формат представлен в 2000 г., используется для хранения видео высокой чёткости.

HD VMD (Hígh Dénsity - Versátile Multiláyer Disc) - формат цифровых носителей на оптических дисках, предназначенный для хранения видео высокой чёткости, представлен в 2006 г. На одной стороне HD VMD-диска помещает до 5 Гб данных, но за счёт того, что диски являются многослойными (до 20 слоёв) их ёмкость достигает 100 Гб. Для чтения и записи используется красный (650нм) лазер, что позволяет производить устройства, совместимые с дисками CD и DVD.

Четвертое поколение оптических дисков

Holographic Versatile Disc

SuperRens Disc

Голографический многоцелевой диск (Holographic Versatile Disc) использует технологию, известную как голография. Два лазера: один – красный, а второй – зелёный, сведённые в один параллельный луч. Зелёный лазер читает данные, закодированные в виде сетки с голографического слоя близкого к поверхности диска, в то время как красный лазер используется для чтения вспомогательных сигналов с обычного компакт-дискового слоя в глубине диска. Вспомогательная информация используется для отслеживания позиции чтения.

Предполагаемая информационная ёмкость этих дисков – до 3.9 терабайт (TB), что сравнимо с 6000 CD, 830 DVD или 160 однослойными дисками Blu-ray; скорость передачи данных – 1 Гбит/сек. HVD стандарт был утверждён и опубликован 28 июня 2007 года.

Флэш-память

Флэш-память. Флэш-память – особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти. Изобретена в компании Toshiba инженером Фудзио Масуокой в 1984 г. Название «флэш» было дано коллегой Масуоки во время разработки первых микросхем флэш-памяти (в 1984 г.) как характеристика скорости стирания микросхемы флэш-памяти "in a flash" – в мгновение ока. Коммерческое использование начала Intel в 1988 г.

Энергонезависимая – не требует дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи и чтения).

Перезаписываемая – допускает изменение (перезапись) хранимых в ней данных.

Полупроводниковая (твердотельная) – не содержит механически движущихся частей (как обычные жёсткие диски или CD), построена на основе интегральных микросхем (IC-Chip).

Флэш-память исторически происходит от ROM-памяти, но функционирует подобно RAM (Random Access Memory). Данные флэш хранит в ячейках памяти, похожих на ячейки в DRAM. Замены памяти SRAM и DRAM флэш-памятью до настоящего времени не произошло из-за двух особенностей флэш-памяти: флэш работает существенно медленнее и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10.000 до 10.000.000 для разных типов).

В то же время, информация, записанная на флэш-память, может храниться длительное время (от 20 до 100 лет), устройство способно выдерживать значительные механические нагрузки. Таким образом, основные преимущества флэш-памяти перед жёсткими дисками и носителями CD-ROM:

– значительно (примерно в 10-20 и более раз) меньшее потребление энергии во время работы;

– значительно меньшие размеры;

– отсутствие механически движущихся частей.

Основные характеристики:

– форм-фактор (тип карты). Применяются USB-флэш-карты, снабженные адаптером для подключения в USB-разъему компьютера. Помимо них, широко распространены флэш-карты, предназначенные для использования в мобильной цифровой технике, это:

Основная отличительная черта SD – технология защиты авторских прав: карта имеет криптозащиту от несанкционированного копирования, повышенную защиту информации от случайного стирания или разрушения и механический переключатель защиты от записи. Карты SD нельзя использовать в устройствах со слотом MMC.

– объем, варьируется в широких;

– скорость чтения. В основном флеш-карты имеют большой разброс скоростей и обычно маркируются в скоростях стандартного CD-привода (150 КБ/с). Так, указанная скорость в 100x означает 100 × 150 КБ/с = 15 000 КБ/с = 14.65 МБ/с;

– скорость записи. Скорость записи в 3-10 раз ниже скорости чтения. Может маркироваться как кратно скорости стандартного CD-привода, так и в классах, в этом случае класс показывает пиковую скорость записи. Так, Class 6 – скорость записи информации на карту до 6 Мб/с.