24. Оптические цифровые носители информации. Флэш-память

Оптический принцип записи и считывания информации

Применение оптического, или лазерного, способа записи информации началось в 1980-х годах. Его появление связано с изобретением квантового генератора – лазера, источника очень тонкого (толщина порядка микрона) луча высокой энергии. Лазерный луч способен выжигать на поверхности плавкого материала двоичный код данных с очень высокой плотностью.

Считывание происходит в результате отражения от такой «перфорированной» поверхности лазерного луча с меньшей энергией («холодного» луча).

Данные записываются на спиральную дорожку, которая раскручивается от центра диска к его краю. Информация кодируется чередованием углублений и промежутков между ними на дорожке. Углубления не отражают лазерный луч (логический 0), а промежутки между углублениями его отражают (логическая 1).

Отраженные световые импульсы преобразуются с помощью фотоэлементов в электрические импульсы и по магистрали передаются в оперативную память.

При соблюдении правил хранения (хранения в футлярах в вертикальном положении) и эксплуатации (без нанесения царапин и загрязнений) оптические носители могут сохранять информацию в течение десятков лет.

Оптические диски

CD- и DVD-диски

Оптические CD-диски рассчитаны на использование инфракрасного лазера с длиной волны 780 нм и имеют информационную емкость 700 Мбайт.

Оптические DVD-диски рассчитаны на использование красного лазера с длиной волны 650 нм. Они имеют большую информационную емкость по сравнению с CD-дисками (4,7 Гбайт) за счет меньшей ширины и более плотного размещения оптических дорожек. DVD-диски могут быть двухслойными (емкость 8,5 Гбайт), при этом оба слоя имеют отражающую поверхность, несущую информацию.

В 2006 году на рынок поступили оптические диски (HP DVD и Blu-Ray), информационная емкость которых в 3-5 раз превосходит информационную емкость DVD-дисков за счет использования синего лазера с длиной волны 405 нанометров.

CD-ROM и DVD-ROM

На дисках CD-ROM и DVD-ROM хранится информация, которая была записана на них в процессе изготовления. Запись на них новой информации невозможна, что отражено во второй части их названий: ROM (Read Only Memory — память только для чтения). Производятся такие диски путем штамповки на дорожке микроскопических физических углублений (участков с плохой отражающей способностью).

CD-R и DVD±R

На дисках CD-R и DVD±R (R — recordable, записываемый) информация может быть записана, но только один раз. Данные записываются на диск лучом лазера повышенной мощности, который разрушает органический краситель записывающего слоя и меняет его отражательные свойства. Управляя мощностью лазера, на записывающем слое получают чередование темных и светлых пятен, которые при чтении интерпретируются как логические 0 и 1.

CD-RW и DVD±RW

На дисках CD-RW и DVD±RW (RW — Rewritable, перезаписываемый) информация может быть записана и стерта многократно. Записывающий слой изготавливается из специального сплава, который можно нагреванием приводить в два различных устойчивых агрегатных состояния — аморфное и кристаллическое. При записи (или стирании) луч лазера нагревает участок дорожки и переводит его в одно из устойчивых агрегатных состояний, которые характеризуются различной степенью прозрачности. При чтении луч лазера имеет меньшую мощность и не изменяет состояние записывающего слоя, а чередующиеся участки с различной прозрачностью интерпретируются как логические 0 и 1.

Оптические дисководы

Оптические CD- и DVD-дисководы используют лазер для чтения или записи информации. Скорость чтения/записи информации в оптических дисководах зависит от скорости вращения диска.

Первые CD-дисководы были односкоростными и обеспечивали скорость считывания информации 150 Кбайт/с. В настоящее время широкое распространение получили CD-дисководы, которые обеспечивают в 52 раза большую скорость чтения и записи дисков CD-R (до 7,8 Мбайт/с).

Запись CD-RW дисков производится на меньшей скорости (например, 32-кратной), поэтому CD-дисководы маркируются тремя числами «скорость чтения х скорость записи CD-R х скорость записи CD-RW» (например, «52x52x32»).

Первое поколение DVD-накопителей обеспечивало скорость считывания информации примерно 1,3 Мбайт/с. В настоящее время широкое распространение получили DVD-дисководы, которые обеспечивают в 16 раз большую скорость чтения (примерно 21 Мбайт/с), в 8 раз большую скорость записи DVD+R дисков и в 6 раз большую скорость записи DVD+RW дисков. DVD-дисководы маркируются тремя числами (например, «16x8x6»).

Флэш-память

Флэш-память — особый вид полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти:

• полупроводниковая (твердотельная) — не содержащая механически движущихся частей (как обычные жесткие диски или CD), построенная на основе полупроводниковых микросхем;

• энергонезависимая — не требующая дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи);

• перезаписываемая — допускающая изменение (перезапись) хранимых в ней данных.

Название флэш-памяти было дано во время разработки первых микросхем (в начале 1980-х годов) как характеристика скорости стирания флэш-памяти (от англ. «in а flash» — в мгновение ока).

Принцип записи и считывания информации на картах флэш-памяти. Во флэш-памяти для записи и считывания информации используются электрические сигналы. В простейшем случае каждая ячейка флэш-памяти хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора.

Карты флэш-памяти

Флэш-память представляет собой микросхему, помещенную в миниатюрный плоский корпус. Микросхемы флэш-памяти могут содержать миллиарды ячеек, каждая из которых хранит 1 бит информации. Информационная емкость карт флэш-памяти может достигать нескольких Гбайт.

Информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (от 20 до 100 лет) и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в 5-10 раз превышающие предельно допустимые для жестких дисков). Флэш-память компактнее и потребляет значительно меньше энергии (примерно в 10-20 раз), чем магнитные и оптические дисководы.

Благодаря низкому энергопотреблению, компактности, долговечности и относительно высокому быстродействию, флэш-память идеально подходит для использования в качестве носителя информации в портативных устройствах: цифровых фото- и видеокамерах, сотовых телефонах, портативных компьютерах, МРЗ-плеерах и цифровых диктофонах.

Для считывания или записи информации карта памяти вставляется в специальные накопители (картридеры), встроенные в мобильные устройства или подключаемые к компьютеру через USB-порт.

USB флэш-диски (флэшки, флэш-брелоки)

Накопители на флэш-памяти представляет собой микросхему флэш-памяти, дополненную контроллером USB, и подключаются к последовательному порту USB. USB флэш-диски могут использоваться в качестве внешнего сменного носителя информации.

USB флэш-диски могут содержать переключатель защиты от записи, поддерживать парольную защиту, а также могут быть загрузочными. Некоторые USB флэш-диски имеют кроме индикатора работы жидкокристаллический экранчик, на котором отображается, сколько свободного места осталось на диске.

В последние годы активно ведутся работы по созданию еще более компактных носителей информации с использованием нанотехнологий, работающих на уровне атомов и молекул.