Технологии оптических дисков

Как сообщает New Scientist, в основе технологии -- идея использования для хранения информации наноструктур -- участков, имеющих размеры, меньшие, чем длина волны лазерного излучения. При этом на поверхности диска при записи данных формируются участки, угол наклона которых слегка отличается. Для его определения анализируется характер распределения отраженного света. Благодаря наличию ориентированных под различными углами «наплывов», размеры которых меньше длины волны используемого лазера, емкость носителя удалось повысить на два порядка.

Если современный DVD может вместить до 8,5 ГБ данных, то на диск AO-DVD теоретически можно записать до 800 ГБ. Более того -- специалисты Iomega заверяют, что новая технология позволит в 30 раз повысить скорость считывания. В настоящее время, по словам ведущего технолога Iomega Фреда Томаса (Fred Thomas), ведутся работы по созданию «массива механизмов, с помощью которых станет возможным прецизионно контролировать состояние фокусированного светового луча при его отражении». При этом, добавляет он, перспективы внедрения этой технологии в жизнь зависят от появления лазеров, работающих в более коротковолновой области спектра.

Компания D Data разрабатывает Digital Multilayer Disc (DMD) - диск для красного лазера, поддерживающий до 6 слоев и имеющий ёмкость 15 Гбайт. Принцип его действия - активный слой под действием сфокусированного луча лазера начинает светиться (эффект флуоресценции), тогда как в обычном состоянии абсолютно прозрачен. Вот почему количество слоев можно довести до шести и даже больше - главное, точно сфокусировать лазер на нужном слое. Идея красивая, на сайте производителя роадмап расписан до 2007 года с голубым лазером и емкостью 400 Гбайт. Но пока про эти диски ничего не слышно, да и поддержки у крупных кинокомпаний они теперь уже точно не найдут.

6.2 Флуоресцентный многослойный диск FMD-ROM

Относительно недавно, компанией C3D было объявлено о создании новейшего типа носителей информации, под общим названием FMD ROM (fluorescent multilayer disk), то есть флуоресцентный многослойный диск. Эта перспек-тивная разработка, как ожидают ее создатели, должна после своего выхода заменить все существующие на сегодняшний момент устройства хранения информации, причем не только устаревающие диски CD-ROM, но и относительно новые DVD-ROM.
Магнитные диски просуществовали более тридцати лет, CD-ROM чуть меньше двадцати, на смену CD совсем недавно пришел стандарт DVD и вот не прошло и три года, как появился преемник DVD.
Да, DVD, который на сегодняшний день является самым емким сменным носителем цифровой информации, в скором будущем уступит по всем показателям новому стандарту носителей FMD ROM.

По каким же параметрам FMD ROM будет превосходить DVD?
Первый параметр - соотношение размер/емкость. Тут "fluorescent multilayer disk" вне конкуренции. Разработчики заявляют, что уже сейчас первые прототипы способны вмещать при размере диска 12 см в диаметре, то есть на стандартном 5 дюймовом носителе до 140Гб. Это при десяти слоях. А в ближайших планах компании C3D есть желание, как минимум удесятерить число слоев. При этом становится вполне реальной возможность создания сменных носителей информации емкостью в десятки терабайт. Та емкость, которую на сегодняшний день можно получить лишь при использовании громадных дисковых массивов, занимающих подчас целые шкафы и даже комнаты, будет обеспечиваться компактным диском, который с легкостью умещается в кармане!
Насчет скорости доступа еще очень мало данных. Разработчики обещают, что этот параметр будет намного выше, нежели у DVD. Хотелось бы верить, ведь иначе, с существующими скоростями, при работе с терабайтными массивами информации даже простые операции, например, перечитка диска, может затянуться на несколько часов. Новые гигантские объемы требуют и соответствующих скоростей доступа.
Что же касается соотношения емкость/стоимость носителя, то и тут FMD ROM не имеет себе равных. Ведь он представляет собой практически кусок пластмассы, вернее полимерную матрицу с фотохромным веществом, но по стоимости, это просто пластиковый диск. И ни каких затрат по созданию дорогостоящих полупрозрачных слоев, как в DVD. Собственно и никаких слоев в привычном смысле этого слова нет. Диск совершенно прозрачный, хотя и имеет формат обычного CD или DVD диска. В отличие от обычного CD-ROM, в котором отражающий алюминиевый слой нанесен на выдавленную подложку из полимера, из-за чего он собственно и непрозрачен, диск FMD ROM монолитен и при этом разделен по вертикали на некоторые условные области названные разработчиками "слоями" (layer). Эти "слои" не являются слоями в привычном смысле, это скорее параметр форматирования диска, ближайший аналог - это сектора и дорожки для магнитных носителей. Толщина этих слоев строго фиксирована, и это не случайно. Чтобы понять, почему разработчики выбрали именно эту толщину каждого из слоев, надо рассмотреть принципы записи/считывания информации на FMD ROM.

В оптических носителях (CD, DVD, магнитооптика) во время чтения луч полупроводникового лазера отражается от слоя с записанной информацией.

Отраженный луч затем фиксируется детектором - приемником. Грубо говоря, считывание идет по принципу: попал или не попал луч в приемник. Максимальная удельная емкость диска определяется размером светового пятна от лазера, которое в свою очередь зависит от длины волны (у красных лазеров - 650нм). Можно использовать два слоя, причем сделать один из слоев прозрачным для излучения с определенной длиной волны, как это реализовано в DVD. Но два слоя - это предел, больше сделать очень сложно, так как нужны очень точные фокусирующие системы, которые будут работать только в лабораторных условиях. Разумеется, массовое производство таких систем является невероятно дорогим и нерентабельным. Да и вообще, технология отражающих слоев подошла к своему пределу развития.

Но вот создатели технологии многослойных дисков, компания C3D, нашли способ обошли проблему множественной интерференции между слоями и потери самого луча в многослойных дисках. И технологически это выглядит очень красиво и остроумно.

Разработчиками FMD было предложено следующее решение: материал, содержащий записанную информацию, не отражает, как подложка в DVD или CD, а излучает! Использовано явление флуоресценции, то есть, при освещении активирующим излучением (в данном случае полупроводниковым лазером с определенной длиной волны) вещество начинает излучать, сдвигая спектр падающего на него излучения в сторону красного цвета на определенную величину. Причем величина сдвига зависит от толщины слоя. Таким образом, выбрав такую толщину слоя, что бы спектр отраженного света получается смещенным относительно длины волны излучающего лазера на строго определенную величину, например на 30 или 50 нм, можно с высокой достоверностью записывать информацию вглубь диска и впоследствии считывать ее без потери данных.

Для FMD ROM разработчиками так же предложено название "трехмерный диск", и в данном случае это вполне оправдано.
Таким образом, плотность записи будет зависеть и от чувствительности регистрирующего детектора. Чем меньше то дополнительное излучение флюоресцирующего вещества, добавляющееся к частоте рабочего лазера, который удастся зафиксировать, тем большее число слоев можно вместить в один диск.
Излученный свет от флуоресцентного слоя некогерентен и хорошо контрастирует с отраженным светом лазера, что является дополнительной гарантией надежности считывания, ведь без отражений все равно не обойтись, они будут происходить от поверхности диска и других записанных слоев. Качественное ухудшение сигнала в обычных (отражающих) многослойных дисках нарастает с увеличением числа слоев, но вот в случае с флуоресцентными дисками это ухудшение происходит гораздо медленнее. По заявлению разработчиков FMD ROM, даже при количестве слоев больше сотни не будет происходить сильного искажения полезного сигнала. Используя синий лазер (480нм) можно увеличить плотность записи до десятков Терабайт на один FM диск. Вполне возможно создание диска с 1000 слоями - это уже субмолекулярные размеры. Теоретически возможно создание пятна размером в несколько молекул, проблема лишь в том, как зафиксировать столь малое флуоресцентное излучение.
Одна из главных особенностей этой разработки - возмож-ность параллельного чтения слоев (т.е. последователь-ность бит будет записана не по "дорожкам", а по слоям) - скорость выборки данных в этом случае должна быть очень высокой. Вот уж действительно "3-х мерный диск".

Принцип записи на FMD ROM основан на явлении фотохромизма. Фотохромизм - это свойство некоторых веществ под действием активирующего излучения обратимо переходить из одного состояния в другое, при этом изменяя свои физические свойства (например, такие как цвет, появление/исчезновение флюоресценции и т.д.). Материал, из которого состоит FMD ROM содержит специальную фотохромную субстанцию, которая циклизуется под воздействием лазерного луча определенной длины волны, превращаясь в необходимый устойчивый флуоресцент. Обратная реакция рециклизации, приводящая к исчезновению флуоресцентных свойств (операция стирания), происходит под действием лазера с другой длиной волны. Стирающая частота лазера выбирается с таким расчетом, чтобы она не встречалась в повседневной жизни, во избежание потери данных. Ну, и естественно читающий лазер, ни в коем случае не должен вносить изменения в данные, хранящиеся на диске.
Наиболее ценными фотохромными свойствами обладают соединения под названием фульгиды, поэтому можно предположить, что используемый в FMD ROM фотохром принадлежит именно к этому классу. Вообще идея использования фотохромов в качестве носителей информации не нова. Ей примерно тридцать лет. И лишь теперь эта идея была реализована на практике.

Какой же сделать прогноз? На данный момент силы конкурентов на поприще оптических накопителей сравнялись, и ближайшее будущее будет занято дальнейшим развитием и улучшением двух основных форматов - HD-DVD и Blu-ray. Появятся многослойные диски, вырастут скорости передачи данных, упадут цены. А потом придёт время новых технологий.

Интересных проектов со временем только прибавится. Часть из них отомрет, но выделятся два-три, которые заменят Blu-ray и HD-DVD и продолжат битву форматов. Не ради денег или господства. Но ради дальнейшего прогресса.

7. Вопросы :

1) Когда появились первые оптические компьютерные

диски?

- В 1984 году.

2) Какие оптические диски предшествовали первым

компьютерным дискам CD-ROM?

- Музыкальные компакт-диски CD Digital Audio (CD-DA).

3) Когда появились компакт-диски CD Digital Audio (CD-DA)?

- В 1982 году.

4) Какой была первоначальная емкость дисков CD-DA и

CD-ROM?

- 650 Мбайт - с точки зрения возможности записи 74 минут музыки.

5) Какой тип диска называется CD-ROM?

- Диск с одноразовой записью заводского изготовления.

6) Что является главной характеристикой накопителя CD-

ROM?

- Скорость чтения данных.

7) Какой тип диска называется CD-R?

- Диск с возможностью одноразовой записи на

записывающем оптическом приводе персонального

компьютера.

8) Какой тип диска называется CD-RW?

- Диск на котором возможна многократная перезапись

на записывающем оптическом приводе персонального

компьютера.

9) В каких еденицах обозначают скорости чтения - записи

CD - приводов?

- Скорсти 1Х соответствует 150 Кб/с, 2Х - 300 Кб/с и т. д.

10) В характеристиках приводах CD-RW указывается три

числа, что они обозначают?

- Первое - скорость записи, второе - перезаписи, третье -

чтения.

11) Чем была вызвана необходимость увеличения емкости оптических дисков и появления диков типа DVD?

- Предпосылкой для разработки оптических носителей

типа DVD послу-жило желание вслед за музыкой произво-

дить цифровую запись фильмов.

12) В чем заключается основное различие между

дисками DVD и CD?

- В первую очередь у DVD-дисков меньший диаметр углублений, на дорожке они расположены с меньшим «шагом» и самих дорожек на диске гораздо больше.

13) Чем отличаются параметры лазеров в CD - и DVD-

накопителях?

- Лазер в обычном устройстве CD имеет длину волны 780 нанометров, устройства DVD используют лазер с длиной волны 650 или 635 нм.

14) В каких еденицах обозначают скорости чтения -

записи DVD - приводов?

- Скорсти 1Х соответствует 1,32 Mб/с, 2Х - 2.64 Mб/с и т. д.

15) В чем принципиальное отличие диска FMD ROM от CD и DVD дисков?

- В диске FMD ROM материал, содержащий записанную информацию, не отражает, как подложка в DVD или CD, а излучает. Использовано явление флуоресценции, то есть, при освещении лазером с определенной длиной волны вещество начинает излучать, сдвигая спектр падающего на него излучения в сторону красного цвета на определенную величину.

8. Литература :

1. Р. Соболенко « Три взгляда на одну историю »

HARD'n'SOFT №5 2004г.

2. А. Жаров « Железо IBM 2004 »

3. Сайт http://www.3dnews.ru/storage/dvd-r/

4. Сайт http://www.3dnews.ru/storage/dvd/17.05.2005 г.

5. Сайт http://www.terralab.ru/print/storage/39182/

Олег Нечай 10.06.2005 г.

6. Сайт http://www.technograd.com/news 2.06.2005 г.

7. Сайт http://www.3dnews.ru/reviews/storage/fmd-rom/

8. Сайт http://www.ferra.ru/online/storage/25974/

Александр Радаев 21.07.2005 г.