Вопрос № 15. Внешняя память персонального компьютера: оптические диски (dvd, Blu- Ray)

Оптические диски, которые изначально использовались для записи музыки и телевизионных программ, позже стали одними из основных средств хранения информации в компьютерной индустрии. Благодаря большой емкости и низкой цене оптические диски повсеместно применяются для распространения ПО, книг, фильмов и данных других типов, а также для создания архивных копий жестких дисков.

Первые оптические диски были изобретены голландской корпорацией Philips для хранения кинофильмов. Они имели 30 см в диаметре, выпускались под маркой Laser Vision, но нигде, кроме Японии, популярностью не пользовались.

В 1980 году корпорация Philips вместе с Sony разработала компакт-диски (Compact Disc, CD), которые быстро вытеснили виниловые диски, использовавшиеся для записи музыки. Описание технических деталей компакт-диска было опубликовано в официальном Международном Стандарте (IS 10149), который часто называют Красной книгой (по цвету обложки). Международные стандарты издаются Международной организацией по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO), которая представляет собой аналог таких национальных организаций стандартизации, как ANSI, DIN и т. п. У каждой такой организации есть свой номер IS (International Standard — международ- международный стандарт). Международный стандарт технических характеристик диска был опубликован для того, чтобы компакт-диски от разных музыкальных издателей и проигрыватели от разных производителей стали совместимыми. Все компакт-диски должны быть 120 мм в диаметре и 1,2 мм в толщину, а диаметр отверстия в середине должен составлять 15 мм. Аудио компакт-диски были первым средством хранения цифровой информации, вышедшим на массовый рынок. Предполагается, что они будут использоваться на протяжении ста лет.

Компакт-диск изготавливался с использованием очень мощного инфракрасного лазера, который выжигает отверстия диаметром 0,8 микрон в специальном стеклянном мастер-диске. По этому мастер-диску делается шаблон с выступами в тех местах, где лазер прожег отверстия. В шаблон вводится жидкая смола (поликарбонат), и, таким образом, получается компакт-диск с тем же набором отверстий, что и в стеклянном диске. На смолу наносится очень тонкий слой алюминия, который, в свою очередь, покрывается защитным лаком. После этого наклеивается этикетка. Углубления в нижнем слое смолы называются лунками (pits), а ровные пространства между лунками — площадками (lands).

Во время воспроизведения лазерный диод небольшой мощности светит инфракрасным светом с длиной волны 0,78 микрон на сменяющие друг друга лунки и площадки. Лазер находится на той стороне диска, на которую нанесен слой смолы, поэтому лунки для лазера превращаются в выступы на ровной поверхности. В результате, если свет отражается от выступа, фотодетектор проигрывателя получает меньше света, чем при отражении от площадки. Именно таким образом проигрыватель отличает лунку от площадки. Хотя, казалось бы, проще всего использовать лунку для записи нуля, а площадку для записи единицы, для единицы надежнее оказалось использовать переход лунка-площадка или площадка-лунка, а отсутствие перехода — для нуля.

Лунки и площадки записываются по спирали. Запись начинается на некотором расстоянии от отверстия в центре диска и продвигается к краю, занимая 32 мм диска. Спираль проходит 22 188 оборотов вокруг диска (примерно 600 на 1 мм). Если спираль распрямить, ее длина составит 5,6 км. Спираль изображена на рис. 2.20.

Чтобы музыка звучала нормально, лунки и площадки должны сменяться с постоянной линейной скоростью. Следовательно, скорость вращения компакт-диска должна постепенно снижаться по мере продвижения считывающей головки от центра диска к внешнему краю. Когда головка находится на внутренней стороне диска, то, чтобы достичь желаемой скорости 120 см/с, частота вращения должна составлять 530 оборотов в минуту. Когда головка находится на внешней стороне диска, частота вращения падает до 200 оборотов в минуту, что позволяет обеспечить такую же линейную скорость. Этим компакт-диск, вращающийся с постоянной линейной скоростью, отличается от магнитного диска, вращающегося с постоянной угловой скоростью независимо от того, где в этот момент находится головка. Кроме того, частота вращения компакт-диска (530 оборотов в минуту) совершенно не соответствует частоте вращения магнитных дисков, которая составляет от 3600 до 7200 оборотов в минуту.

Рис. 1. Схема записи компакт-диска

DVD

Компакт-диски основных форматов (CD и CD-ROM) использовались с 1980 года. С тех пор технологии продвинулись вперед, оптические диски большой емкости сейчас вполне доступны по цене и пользуются большим спросом. Голливуд с радостью переходит с аналоговых видеокассет на цифровые видеодиски, поскольку они лучше по качеству, их дешевле производить, они дольше служат, занимают меньше места на полках магазинов, их не нужно перематывать. Компании, выпускающие бытовую технику, только рады появлению нового массового продукта, а многие компьютерные компании с удовольствием добавляют к своему программному обеспечению мультимедиа.

Такое развитие технологий, а также спроса на продукцию трех чрезвычайно богатых и мощных отраслей промышленности, и стали причиной рождения DVD-дисков. Изначально аббревиатура DVD расшифровывалась как Digital Video Disk (цифровой видеодиск), сейчас она официально превратилась в Digital Versatile Disk (цифровой многоцелевой диск). DVD-диски в целом похожи на компакт-диски. Как и обычные компакт-диски, они имеют 120 мм в диаметре, создаются на основе поликарбоната и содержат лунки и площадки, которые освещаются лазерным диодом и считываются фотодетектором. Однако существует несколько различий:

• меньший размер лунок (0,4 микрона вместо 0,8 микрона, как у обычного компакт-диска);

• более плотная спираль (0,74 микрона между дорожками вместо 1,6 микрона);

• красный лазер (с длиной волны 0,65 микрона вместо 0,78 микрона).

В совокупности эти усовершенствования дали семикратное увеличение емкости (до 4,7 Гбайт). Считывающее устройство для DVD 1х работает со скоростью 1,4 Мбайт/с (скорость работы считывающего устройства для компакт-дисков составляет 150 Кбайт/с). К несчастью, из-за перехода к красному лазеру потребовались DVD-проигрыватели с двумя лазерами или сложной оптической системой, позволяющей читать существующие музыкальные и компьютерные компакт-диски. Поскольку не все DVD-проигрыватели оснащаются такими системами, не все они могут работать со старыми компакт-дисками. Кроме того, не всегда удается читать диски CD-R и CD-RW.

Достаточно ли 4,7 Гбайт? Может быть. Если использовать формат сжатия MPEG-2 (стандарт IS 13346), DVD-диск объемом 4,7 Гбайт может вместить полноэкранную видеозапись длительностью 133 минуты с высокой разрешающей способностью 720 х 480) вместе со звуком на 8 языках и субтитрами на 32 других языках. Около 92 % фильмов, снятых в Голливуде, по длительности меньше 133 минут. Тем не менее для некоторых приложений (например, мультимедийных игр или справочных изданий) может понадобиться больше места, к тому же Голливуд не прочь записывать по несколько фильмов на один диск. В результате появилось 4 формата DVD-дисков:

1. Односторонние однослойные диски (4,7 Гбайт).

2. Односторонние двухслойные диски (8,5 Гбайт).

3. Двухсторонние однослойные диски (9,4 Гбайт).

4. Двухсторонние двухслойные диски (17 Гбайт).

Зачем так много форматов? Если говорить кратко, основная причина —политика. Компании Philips и Sony считали, что нужно выпускать односторонние диски с двойным слоем, a Toshiba и Time Warner хотели производить двухсторонние диски с одним слоем. Philips и Sony думали, что покупатели не захотят переворачивать диски, a Time Warner полагала, что если поместить два слоя на одну сторону диска, он не будет работать. Компромиссное решение —удовлетворить все пожелания, а рынок уже сам определит, какой из вариантов выживет.

При двухслойной технологии на нижний отражающий слой помещается полуотражающий слой. В зависимости от того, где фокусируется лазер, он отражается либо от одного слоя, либо от другого. Чтобы обеспечить надежное считывание информации, лунки и площадки нижнего слоя делаются чуть большими по размеру, поэтому его емкость немного меньше, чем верхнего.

Двухсторонние диски создаются путем склеивания двух односторонних дисков толщиной 0,6 мм каждый. Чтобы толщина всех версий была одинаковой, односторонний диск толщиной 0,6 мм приклеивается к пустой подложке (возможно, в будущем эта подложка будет содержать 133 минуты рекламы, в надежде, что покупатели заинтересуются, что на ней).

DVD-диск был разработан корпорацией, объединяющей 10 компаний по пропроизводству бытовой техники (семь из них японские), в тесном сотрудничестве с главными студиями Голливуда (владельцами некоторых из этих студий являлись японские компании). Ни компьютерная, ни телекоммуникационная промышленность не была вовлечена в разработку, в результате упор был сделан на использование DVD для проката и продажи фильмов. Перечислим некоторые стандартные особенности DVD: возможность исключать непристойные сцены из фильма (чтобы родители могли превратить фильм типа NC171 в фильм, который можно смотреть детям), шестиканальный звук, широкие возможности масштабирования. Последняя особенность позволяет DVD-проигрывателю решать, как обрезать правый и левый края рамки изображения у таких фильмов, у которых соотношение ширины и высоты составляет 3:2, чтобы их можно было без ущерба для качества воспроизводить на экранах современных телевизоров (соотношение ширины и высоты 4:3). Еще одна особенность, которая, вероятно, никогда не пришла бы в голову создателям компьютерных технологий, — намеренная несовместимость стандартов дисков для Соединенных Штатов, для европейских стран. Голливуд ввел такую систему, потому что новые фильмы всегда сначала выпускаются на экраны в Соединенных Штатах и только после выпуска видеокассет отправляются в Европу. Это делается для того, чтобы европейские магазины видеопродукции не могли покупать видеозаписи в Америке слишком рано (вследствие этого мог сократиться объем продаж новых фильмов в Европе). Вероятно, если бы Голливуд стоял во главе компьютерной индустрии, в Америке дискеты были бы размером 3,5 дюйма, а в Европе — 9 см.

Blu- Ray

Ничто не вечно в компьютерном бизнесе, особенно технологии хранения. Стоило только появиться стандарту DVD, как тут же у него обнаружился серьезный конкурент. Преемником DVD можно считать технологию Blu-Ray, предусматривающую применение синего лазера вместо красного. Синий лазер отличается более короткой длиной волны, а значит, повышенной точностью; за счет этого обстоятельства он позволяет уменьшать размеры лунок и площадок. На односторонних дисках Blu-Ray умещается около 25 Гбайт данных; на двухсторонних — 50 Гбайт. Скорость передачи данных составляет 4,5 Мбит/с, что очень неплохо для оптических дисков, хотя по-прежнему несопоставимо с магнитными (напомним, стандарт ATAPI-6 предусматривает передачу данных на скорости 100 Мбит/с, a Ultra4 SCSI позволяет поднять скорость до 320 Мбит/с). Ожидается, что диски Blu-Ray в конечном счете вытеснят и CD-, и DVD-диски, но на это, конечно, уйдет не один год.