ЧТО ЗАПИСАНО В ROM, НЕ ВЫРУБИШЬ ТОПОРОМ
Первые компьютерные компакт-диски, выпущенные в 1986 году, получили название CD-ROM (от англ. Read Only Memory - память только для чтения). Чтобы не путать компьютерные носители с появившимися ранее аудиодисками, последние стали именовать CD-DA (Digital Audio - цифровое аудио). Название CD-ROM указывало на то, что новый компакт-диск предназначался только для считывания уже записанной на него информации, стереть ее или записать что-то новое было невозможно. Емкость первого CD-ROM составляла 680 Мб - в те годы такой объем казался поистине огромным. Объем типичного жесткого диска (винчестера) был в несколько раз меньше. Не существовало программ, способных целиком заполнить компакт-диск. Сегодня ситуация изменилась: емкость жестких дисков в современных ПК составляет десятки гигабайт, многие мультимедийные приложения уже не помещаются на одном CD-ROM. Однако популярность компакт-дисков все еще велика.
Как же устроен обычный CD-диск? По своей структуре он напоминает слоеный пирог. Первый слой - основной - изготавливается из пластмассы (поликарбоната), второй - отражающий - выполнен из металла (алюминия, золота, серебра), третий - защитный - из прозрачного лака полиакрилата. Поверх лака часто наносятся рисунки, надписи и прочее декоративное оформление.
Основной слой содержит полезную информацию, закодированную в нанесенных на него микроскопических углублениях, называемых питами (от англ. pit - ямка, впадина). Питы, представляющие, по сути, битовые ячейки, располагаются вдоль спиральной дорожки, идущей от центра к периферии. Информация составляется чередованием питов (логических нулей) и промежутков между ними (логических единиц). При производстве компакт-дисков используются методы штамповки, или прессования. Эталонный диск изготавливается из очень чистого стекла и покрывается специальной пластиковой пленкой. Мощный записывающий лазер с программным управлением выжигает в пленке ямочки, содержащие закодированную информацию. Затем изготавливается металлическая матрица, с помощью которой штампуются серийные компакт-диски.
Отражающий слой компакт-диска служит для оптического считывания информации. Основной принцип системы считывания состоит в том, что лазерный луч направляется на поверхность компакт-диска, вращающегося с большой скоростью. Отраженны й от поверхности сигнал попадает на светоприем ник (фотодиод), который в зависимости от характеристик падающего на него света выдает слабые электрические импульсы различной величины. Свет, идущий от углублений, оказывается значительно более слабым, чем отраженный от плоских участков. Таким образом, двигаясь вдоль дорожки, система считывания "видит" последовательность темных и светлых участков. После фотоприемника электрический сигнал проходит через усилитель и далее преобразуется в цифровую информацию.
Чтение данных с компакт-диска осуществляет специальный дисковод, или привод, который многие называют так же, как и сам диск, - CD-ROM. Привод может быть внутренним (встроенным в системный блок) и внешним (в виде отдельного устройства). Типичный привод состоит из платы электроники, шпиндельного двигателя, системы оптической считывающей головки и системы загрузки диска. Двигатель служит для приведения диска во вращение с постоянной или переменной линейной скоростью, а также для его торможения. При установке диска в привод его положение фиксируется путем зажима между подставкой, закрепленной на оси двигателя, и шайбой, расположенной с другой стороны диска. Подставка и шайба притягиваются друг к другу постоянными магнитами. Система оптической головки включает в себя инфракрасный полупроводниковый лазер, систему фокусировки лучей, фотоприемник и предварительный усилитель сигнала, а также систему перемещения головки.
Важные характеристики CD-приводов - время доступа, показывающее, как быстро происходит поиск нужной информации на диске, и скорость чтения данных после того, как файл найден. Последнюю обычно измеряют в единицах, равных скорости считывания информации с аудио CD (около 150 килобайт в секунду). Тогда, например, параметр "52x" означает, что дисковод может вращать диск в 52 раза быстрее, чем это делает стандартный CD-плейер. Однако, если надежность считывания информации ухудшается, например из-за низкого качества самого диска, скорость автоматически снижается.
ЗАПИСЫВАЕМЫЕ И ПЕРЕЗАПИСЫВАЕМЫЕ CD
Первое время главным недостатком компакт-диска была невозможность записи на него данных в домашних условиях. Пользователи, привыкшие самостоятельно переписывать музыку с пластинок на магнитные ленты, ожидали аналогичных возможностей и от оптических дисков. Вскоре их ожидания оправдались - сначала появился однократно записываемый диск CD-R (CD-Recordable), а потом и диск для многократной перезаписи CD-RW (СD-ReWritable).
Хотя внешне записываемые диски очень похожи на обычный CD-ROM, их внутренняя структура и способ записи информационного сигнала заметно отличаются.
Пластиковая основа для CD-R не несет полезной информации - вместо питов на ней отпечатаны лишь пустые дорожки (они необходимы для ориентации привода головки). Сверху наносится тонкая пленка органических молекул, а затем диск покрывается слоем отражающего металла. Используемые органические молекулы (цианины, фталоцианины) способны необратимо менять свои оптические свойства при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки поверхности, они перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные питам. В результате на CD-R организуется та же информационная структура, что и на штампованных дисках. Таким образом при помощи соответствующего оборудования и программного обеспечения можно записывать различные диски, в том числе и звуковые, а затем использовать их в традиционых CD-приводах или в бытовых плейерах. Заметим, однако, что отражающая способность зеркального слоя и четкость питов у дисков CD-R немного хуже по сравнению со штампованными CD-ROM. Поэтому недостаточно качественные приводы CD-ROM либо вовсе не могут считывать с них данные, либо часто дают сбои.
В многократно перезаписываемых дисках СD-RW применяется иная технология. Вместо слоя органических молекул используется пленка металла (точнее, сплава редкоземельных металлов), способного обратимо менять свое фазовое состояние под воздействием лазерного облучения. При нагреве лазером выше критической температуры соответствующий участок металла переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания (достаточно быстрого). Так как аморфные участки хуже, чем кристаллические, отражают свет, они выглядят более темными и могут тем самым выполнять роль питов. Повторный нагрев до температуры значительно ниже критической восстанавливает исходное кристаллическое состояние, стирая тем самым записанную информацию. Таким образом, в отличие от CD-R, допускающего только однократную запись, информацию на СD-RW можно перезаписывать многократно: стандартный диск выдерживает порядка тысячи циклов перезаписи. Любопытно, что система многократной записи первоначально называлась не CD-RW, а CD-E (CD-Erasable). Однако производители решили сменить название, так как слово "erasable" - стираемый - могло ассоциироваться у пользователей с потерей данных.
Отражающая способность CD-RW существенно ниже по сравнению как с CD-ROM, так и с CD-R (легко заметить, что поверхность RW-диска выглядит более темной). Поэтому считывание многократно записываемых дисков в обычных приводах нередко проблематично, и все же те из них, которые имеют качественную оптическую систему, справляются с этой задачей.
Перезаписываемый диск может иметь такую же структуру дорожек и файловую систему, что и CD-R, но чаще на нем организуется специальная файловая система UDF (Universal Disk Format), позволяющая динамически создавать и уничтожать отдельные файлы на диске. В этом случае можно использовать CD-RW как обычный сменный диск и писать на него файлы прямо из приложений.
Устройство, способное записывать (и, конечно, читать) данные на компакт-диски, называется CD-рекордером. Современные CD-рекордеры могут работать как с дисками CD-R, так и с CD-RW, хотя раньше для использования CD-RW необходимо было специальное устройство.
DVD - УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ ДИСК
Сегодня, несмотря на огромную популярность дисков CD-ROM/R/RW, считается, что стандартный компакт-диск безнадежно устарел. Для многих современных приложений емкости 600-700 Мб уже недостаточно. В частности, это касается цифрового видео. Действительно, одна минута высококачественного цифрового видеофильма требует до 100 Мб памяти. Как правило, видеоданные компрессируются (сжимаются) согласно формату MPEG2, что уменьшает необходимый объем памяти до 30 Мб на минуту показа. Легко подсчитать, что при таком сжатии двухчасовой фильм займет 3,6 Гб памяти - это почти в шесть раз больше емкости стандартного CD-диска. Конечно, можно сжать видеофильм и так, что он поместится на один компакт-диск, однако при этом качество записи будет несколько ниже, чем на обычной видеокассете.
Поэтому в начале 90-х годов ряд фирм занялся разработкой оптических дисков большего по сравнению с CD объема. В результате создания объединенного консорциума, в который вошли такие компании, как Sony, Philips, Toshiba, Hitachi и др., родился формат DVD. Первоначально эта аббревиатура расшифровывалась как Digital Video Disc (цифровой видеодиск), однако ее быстро сменила более логичная расшифровка Digital Versatile Disc (цифровой универсальный диск). В самом деле, DVD - прекрасный носитель для данных любого типа.
Технология DVD совершила огромный скачок в области носителей информации. Диски DVD могут хранить от 4,7 до 17 Гб данных - такого объема вполне достаточно для высококачественной записи полнометражных видеофильмов, компьютерных игр, мультимедийных энциклопедий и т.п.
По внешнему виду и внутреннему устройству диски CD и DVD очень похожи. В DVD используется такая же технология нанесения на пластиковую основу углублений-питов, регистрации отраженного от металлического покрытия сигнала и его интерпретации в виде нулей и единиц. Принципиальное отличие состоит в плотности записи информации: если для CD минимальный размер пита составляет 0,83 микрона, а расстояние между соседними дорожками 1,6 микрона, то для DVD эти значения равны 0,4 и 0,74 микрона соответственно. Увеличение плотности записи стало возможным благодаря использованию полупроводникового лазера с меньшей длиной волны. В то время как длина волны лазера в CD-приводе равна 780 нм, устройства для считывания данных с DVD используют лазер с длиной волны 650 или 635 нм. Это позволяет записывать и считывать почти вдвое больше питов на одной дорожке и вдвое больше дорожек на одной поверхности. В итоге на самый простой DVD-диск можно записать до 4,7 Гб данных.
Кроме того, диски DVD могут быть двухслойными и двухсторонними. В первом случае два простых DVD-диска как бы последовательно соединяются друг с другом, образуя один диск с двумя информационными слоями - верхним и нижним. Чтобы лазер мог считывать данные с обоих слоев, верхнее отражающее покрытие делается полупрозрачным. Перефокусируя луч, можно регистрировать характеристики отраженного сигнала на разной глубине. На двухслойном DVD-диске можно разместить 8,5 Гб данных, то есть на 3,5 Гб больше, чем на обычном DVD. (Следовало бы ожидать увеличение емкости в два раза, однако, чтобы минимизировать препятствия, возникающие на пути лазера при прохождении через внешний слой, минимальный размер питов на двухслойном диске увеличен с 0,4 до 0,44 микрона.)
При создании двухстороннего DVD-диска опять же, по сути, соединяют два простых диска, но на этот раз тыльными сторонами друг к другу. В результате между двумя пластинками поликарбоната с отпечатанными на них питами оказывается общий отражающий слой металла. На двухстороннем DVD-диске помещается 9,4 Гб данных (по 4,7 Гб на каждой стороне). Однако, поскольку данные располагаются с двух сторон, придется либо переворачивать диск вручную, либо использовать специальное устройство, способное считывать данные с обеих сторон.
Комбинации двухслойной и двухсторонней технологий породили несколько типов DVD. Диски DVD-5 - односторонние и однослойные (цифра указывает примерный объем диска в гигабайтах); диски DVD-9 - односторонние и двухслойные; диски DVD-10 - двухсторонние однослойные; наконец, диски DVD-18 - двухсторонние двухслойные. Последний вариант - самый сложный. По сути, он представляет собой два сложенных вместе односторонних двухслойных диска и позволяет разместить на диске до 17 Гб данных - по 8,5 Гб на каждой стороне. (Заметим, что во всех приведенных выше значениях емкостей дисков гигабайт считался равным миллиарду байтов. Если перевести эти цифры в настоящие компьютерные гигабайты, получится 4,38; 7,95; 8,75 и 15,9 Гб соответственно.)
Естественно, что при уменьшении размеров отдельных информационных ячеек (питов) возрастает вероятность ошибок при считывании. Поэтому в DVD используется более совершенные по сравнению с CD механизмы представления данных и исправления ошибок. С помощью последнего возможно чтение звука или видеоизображения с поврежденных участков - царапин длиной до шести миллиметров - без заметной потери качества.
Для считывания данных с DVD-диска требуется специальное устройство - привод DVD (или DVD-ROM). Благодаря совместимости технологии DVD с технологией CD привод DVD также читает и старые диски CD-ROM, причем разных форматов. (К сожалению, обратное неверно: прочитать DVD с помощью CD-ROM не удастся.) Поэтому все производители понемногу сворачивают выпуск приводов CD-ROM и переходят на DVD-ROM. Для пользователей сдерживающим фактором пока остается довольно высокая цена на новые приводы. К тому же сейчас на отечественном рынке практически вся программная продукция, в том числе и мультимедийная, по-прежнему распространяется на компакт-дисках. На DVD можно найти разве что фильмы.
Стандарт DVD-ROM имеет подмножества DVD-Video и DVD-Audio. Диски DVD-Video специально предназначены для хранения видеозаписей, они проигрываются бытовыми DVD-плейерами, подключенными к видеовходу обычного телевизора. Предусмотрена возможность многоканального звукового сопровождения и отображения титров на нескольких языках. Диски DVD-Audio служат для записи только звука, но зато с высоким качеством, многоканальностью и возможностью размещения на диске различной сопутствующей информации.
Для записи видео- и звука на DVD применяется уже упоминавшаяся выше технология компрессии данных MPEG-2. Это следующее после MPEG-1 поколение стандарта на сжатие видео- и звуковых данных, разработанное Экспертной группой кинематографии (Moving Picture Experts Group, MPEG). Поскольку более 97% цифровых данных, представляющих собой видеосигнал, от кадра к кадру дублируются, алгоритм MPEG-2 (так же, как и MPEG-1) анализирует видеоизображение в поисках повторов и удаляет их без ущерба качеству изображения. Но главное новшество MPEG-2 заключается в применении переменного коэффициента сжатия: быстро меняющиеся сцены сжимаются с большими потерями, в то время как видеоинформация, фигурирующая в значительном количестве кадров, кодируется более качественно. Кроме того, MPEG-2 выигрывает и чисто количественно - разрешение в 500 телевизионных линий против 240 у MPEG-1.
Звук на DVD может быть записан в стандарте АС-3 (он же Dolby Digital 5.1) раздельно для шести каналов - центр, два фронтальных, два тыловых канала и сабвуфер, воспроизводящий только самые низкие частоты.
Уже существуют однократно записываемые диски DVD-R, использующие адаптированную для DVD технологию CD-R. Они могут быть прочитаны большинством приводов и проигрывателей DVD. Для многократной перезаписи разработан стандарт DVD-RAM, допускающий около ста тысяч циклов стирания-записи. Диск DVD-RAM так же, как и CD-RW, поддерживает файловую систему UDF и потому может использоваться как обычный сменный носитель. К сожалению, современные DVD-RAM не читаются большинством стандартных DVD-приводов. Однако в следующем поколении перезаписываемых дисков этот недостаток будет исправлен.
ЧТО ДИСК ГРЯДУЩИЙ НАМ ГОТОВИТ?
Прогресс в области цифровых технологий идет бешеными темпами. С каждым годом потребность во все более совершенных и емких носителях информации увеличивается. Если еще совсем недавно возможность хранить на диске DVD до 17 Гб данных казалась фантастической, то сегодня производители уже всерьез обеспокоены разработкой оптических дисков нового поколения - еще более емких, быстрых и, конечно же, дешевых.
Как повысить емкость оптических носителей? Наиболее очевидный путь - увеличивать плотность записи информации, то есть уменьшать размер питов и расстояние между соседними дорожками. Однако плотность записи на оптических дисках ограничена длиной волны считывающего лазера: дифракция не позволяет сфокусировать луч на поверхности в пятно диаметром меньше длины волны. Именно поэтому переход к более высокочастотному (коротковолновому) лазеру позволил сделать скачок от CD к DVD. Таким образом, следующий шаг - создание полупроводникового лазера, излучающего в синей или фиолетовой области спектра (450-400 нм). Ожидается, что в этом случае емкость одного информационного слоя составит 14-20 Гб. Разработки по созданию "голубого лазера" активно ведут многие компании. Уже имеются действующие прототипы, но до массового производства технология пока не дошла.
Другой способ увеличения емкости - наращивание числа информационных слоев. Однако попытки создать DVD с числом слоев больше двух (с каждой стороны) пока не увенчались успехом - многократная интерференция и рассеяние лучей в толще материала портят качество сигнала до неприемлемого уровня, а использование сверхточных детекторов слишком дорого и нерентабельно. Таким образом, на пути к многослойности традиционная технология, основанная на использовании отражающих покрытий, столкнулась с непреодолимыми трудностями.
Компания Constellation 3D (C3D) решила пойти другим путем и, похоже, совершила революцию. Идея была проста: вместо того, чтобы регистрировать сигнал за счет отражения, можно заставить материал, содержащий информацию, сам излучать свет. В итоге был разработан флуоресцентный многослойный диск (Fluorescent Multilayer Disk, FMD) - самый емкий на сегодняшний день носитель информации. Так, созданный компанией 10-слойный прототип FMD способен хранить до 140 Гб данных. А, вообще, как заявляют разработчики, число информационных слоев может быть увеличено до ста и более - тогда на одной 5-дюймовой пластинке поместится до терабайта информации!
Внешне флуоресцентный диск очень похож на обычный компакт-диск или DVD, если не считать того, что он совершенно прозрачен (из-за отсутствия отражающих свет металлических покрытий). Каждый информационный слой FMD, изготовленный из поликарбоната, содержит ячейки-питы, заполненные органическим материалом (фотохромом). Молекулы фотохрома можно переводить во флуоресцентное (то есть способное испускать свет) состояние и обратно с помощью записывающего лазера определенной длины волны и мощности. Это свойство используется для записи и стирания информации.
Записанная на диск информация читается устройством, похожим на обычный привод CD-ROM. При освещении считывающим лазером флуоресцентные питы испускают свет, причем их излучение оказывается немного сдвинутым в красную область по отношению к излучению лазера (на 30-50 нм). Благодаря этому удается легко различить рассеяный сигнал лазера и флуоресценцию материала диска. Последняя улавливается фотоприемником и принимается за логическую единицу.
Разработчики FMD-технологии поддерживают ее совместимость с форматами CD и DVD, используя ту же систему распределения данных на каждом слое. Кроме того, многие этапы производства флуоресцентных дисков унифицированы под уже давно существующие методы производства CD/DVD, хотя, конечно, введены и существенные технологические новшества, связанные с отсутствием металлического покрытия и необходимостью заполнения питов флуоресцентным материалом. Вероятно, в будущем устройства для чтения FMD будут поддерживать DVD как подмножество своих функций.
Важная особенность новой технологии - возможность параллельного считывания данных. Если записывать последовательность битов не вдоль дорожки, а вглубь по слоям, то можно значительно повысить скорость выборки информации. Таким образом, создание FMD - это, по сути, шаг к объемной записи информации. Не случайно новый носитель часто называют "трехмерный диск".
По-настоящему объемная запись информации возможна при использовании трехмерной голографии. В этом случае в кристалле размером с сахарный кубик поместилось бы около терабайта данных. Запись может производиться освещением фоточувствительного материала опорным лучом и лучом, несущим полезную информацию. А восстановление - повторным освещением опорным лучом. Меняя при записи длину волны и угол падения опорного луча, можно на одном и том же носителе сохранить огромное число голографических изображений. При считывании данных угол падения и длина волны опорного сигнала служат адресом информации. Голографический носитель, скорее всего, уже не будет похож на диск, так как вращать его при чтении данных необязательно. Хотя идея голографической памяти известна с 60-х годов прошлого века, ее применение в компьютерах еще впереди.
СТАРЫЙ ДРУГ ЛУЧШЕ НОВЫХ ДВУХ
Казалось бы, перед лицом столь многообещающих технологий старый добрый компакт-диск уже совсем ни на что не годится. И тем не менее сегодня СD остается самым дешевым и популярным оптическим носителем информации. Более того, многие производители считают, что компакт-диски рано выбрасывать на помойку, так как возможности этой технологии далеко не исчерпаны.
Например, компании TDK и Calimetrics Inc. создали принципиально новый тип CD-дисков. Технология, получившая название Multilevel Recording, основана на многоуровневом способе записи данных. Если на обычном компакт-диске все питы имеют одинаковую глубину, то в данном случае она может принимать несколько значений. Луч лазера, отраженный от питов различной глубины, создает на фотоприемнике электрические сигналы разного уровня. Сегодня уже созданы диски, имеющие питы с семью градациями глубины, а также приводы для их чтения. На такой диск можно записать до 2 Гб данных. При этом в три раза возрастает не только плотность записи, но и скорость ее чтения. Новая технология применяется также для однократно и многократно записываемых дисков CD-R/RW - при этом создаются питы с несколькими градациями изменения оптических свойств.
По мнению разработчиков, совершенствование компакт-дисков только начинается. В ближайшие несколько лет они надеются увеличить емкость CD до десятков и даже сотен гигабайт.
