Оптичні диски і їх історія

29

У загальному доступі оптичні компакт-диски з’явилися в 1982 році, прототип побачив світ ще раніше — в 1979. Спочатку компакти розробляли в якості заміни вініловим дисків, більш якісний і надійний носій. Вважається, що лазерні диски є результатом спільної роботи команд двох технологічних корпорацій — японської Sony і голландської Philips.
При цьому базова технологія «холодних лазерів», яка і зробила можливою появу лазерних дисків, була розроблена радянськими вченими Олександром Прохоровим і Миколою Басовим. За свій винахід вони були удостоєні Нобелівської премії. Надалі технологія розвивалася, і в 70-х роках Philips розробила спосіб запису компакт-дисків, який і поклав початок CD. Спочатку інженери компанії створили ALP (audio long play) в якості альтернативи вінілові платівки.
Діаметр ALP-дисків становив приблизно 30 сантиметрів. Трохи пізніше інженери зменшили діаметр дисків, час програвання при цьому знизилася до 1 години. Лазерні диски та відтворююче пристрій для них вперше були продемонстровані Philips в 1979 році. Після цього компанія почала шукати партнера для подальшої роботи над проектом — технологія бачилася розробникам як міжнародна, а розвинути її до необхідного рівня і популяризувати своїми силами було складно.
Початок всього
Керівництво прийняло рішення спробувати встановити контакти з технологічними компаніями з Японії, в той час ця країна знаходилася на вістрі hi-end технологій. Для цього в країну вирушили делегати Philips, їм вдалося зустрітися з президентом Sony, який зацікавився технологією.
Майже одразу була сформована команда інженерів Philips Sony, вони і розробили перші специфікації технології. Віце-президент Sony наполіг на збільшенні обсягу диска, йому хотілося, щоб компакт міг вмістити дев’яту симфонію Бетховена, для чого обсяг диска розшили з 1 години до 74 хвилин (є і думка, що це просто красива маркетингова історія). Обсяг даних, які поміщаються на такий диск, склав 640 Мбайт. Інженери розробили та параметри якості звуку. Наприклад, частота вибірки стереосигналов регламентувалася на рівні 44,1 кГц (для одного каналу 22,05 кГц) з розрядністю кожного в 16 біт. Так з’явився стандарт Red Book.
Назва нової технології з’явилося раптом — його вибрали з декількох варіантів, включаючи Minirack, Mini Disc, Compact Rack. В результаті розробники поєднали дві назви, отримавши гібридне Compact Disc. Не в останню чергу це назва була обрана з-за зростаючої популярності аудіокасет (технологія Compact Cassette).
Philips і Sony також зіграли найважливішу роль у розробці специфікації перших цифрових компакт-дисків, що отримала назву Yellow Book (CD-ROM. Нова специфікація дала можливість зберігати на дисках вже не тільки аудіо, але і текстові і графічні дані. Визначення типу диска проводився в автоматичному режимі при читанні заголовка. Проблема була в тому, що компакт-диск, що відповідає стандарту Yellow Book, міг працювати тільки з певним типом накопичувачів, які не були універсальними.
17 серпня 1982 року на фабриці Philips в німецькому Місті Лангенхаген був випущений перший CD. На ньому був записаний альбом The Visitors групи ABBA. Варто відзначити, що лакове покриття перших дисків було не дуже якісним, так що покупці компактів часто їх псували. З плином часу якість дисків покращився. Перші кілька років вони використовувалися виключно в hi-fi апаратури, їх використовували в якості заміни вініловим платівок і касет.

Починаючи з 2000 року у продажу стали з’являтися диски об’ємом 700 Мбайт, які давали можливість записувати аудіо з загальною тривалістю до 80 хвилин. Вони повністю витіснили з ринку диски об’ємом 650 Мбайт. Є й носії об’ємом 800 МБ, але вони не підходили для всіх приводів, тому що такі диски не набули особливого поширення. Збільшити обсяг доступної для зберігання даних простору вдалося завдяки зниженню відстані між доріжками. Так, наприклад, у дисків ємністю 650 МБ відстань між доріжками одно 1,7 мкм, а у 800 МБ дисків цей показник знижено до 1,5 мкм. Також у перших швидкість становить 1,41 м/с, а у других 1,39 м/с.

Як це працює
Диск складається з декількох шарів. Підкладка — полікарбонатна, її товщина 1,2 мм, діаметр — 120 мм. На підкладці розміщується ще один шар — метал (це може бути золото, срібло або, найчастіше алюміній). Далі металевий шар захищається за допомогою лаку, на який наноситься графіка. Підкладка надійно захищає металевий шар, так що зчитування заважають вже дуже глибокі подряпини. Діаметр отвори в диску — 15 мм.
Формат зберігання даних для дисків — Red Book (про нього йшлося вище). Помилки при зчитуванні коригуються за допомогою коду Ріда-Соломона, так що легкі подряпини не знижують читаність диска.
Дані на диск записуються у вигляді спіральної доріжки з так званих пітів (поглиблень), які видавлюються в полікарбонатній основі. Глибина кожного піта становить приблизно 100 нм, ширина — 500 нм. Довжина піта від 850 нм до 3,5 мкм. Піти відбивають або поглинають світло, підкладка — відображає. Таким чином, записаний диск є відмінним прикладом відбивної дифракційної решітки.
Зчитується диск за допомогою лазерного променя з довжиною хвилі 780 нм, який випромінюється напівпровідниковим лазером. Принцип зчитування полягає в реєстрації зміни інтенсивності відбитого світла. Так, лазерний промінь сходиться на інформаційному шарі, діаметр світлової плями в цьому випадку становить 1,2 мкм. Максимальний сигнал реєструється між пітами. У разі потрапляння на піт реєструється менша інтенсивність світла. Зміни інтенсивності перетворюються в електричний сигнал, з яким і працює апаратура.
А що щодо CD-RW?
CD-RW являє собою різновид компакт-диска, яка з’явилася в 1997 році. Спочатку стандарт називався CD-Erasable (CD-E, стирається компакт-диск).
Це був справжній прорив у сфері запису і зберігання інформації. Адже отримати недорогий і ємний носій інформації було мрією тисяч інженерів і користувачів. CD-RW схожий за структурою і принципом дії на звичайний CD, але ось записуючий шар іншого — це спеціалізований сплав халькогенідів. Найчастіше використовується срібло-індій-сурма-телур. При нагріванні вище температури плавлення такий сплав переходить з кристалічного стану в аморфне.
Фазовий перехід в даному випадку звернемо, що є основою для процесу перезапису. Товщина активного шару диска складає всього 0,1 мкм, так що лазером легко впливати на речовину. Процес запису відбувається при впливі лазерного променя, активний шар в цьому випадку переходить у розплав (ті її області, на які вплинув лазер). Далі тепло дифундує в підкладку, і розплав переходить в аморфний стан. У аморфних відрізків змінюються такі характеристики, як діелектрична проникність, коефіцієнт відбиття і, отже, інтенсивність відбитого світла. Вона несе інформацію про запис на диску. Зчитування здійснюється за допомогою лазера невеликої потужності, який не може вплинути на активний шар. При запису активний шар нагрівається до 200 градусів Цельсія, що дозволяє йому знову вчинити фазовий перехід в кристалічний стан.
Багаторазове використання CD-RW призводить до механічної втоми робочого шару. Тому інженери, що розробляли технологію, використовували речовини з низьким коефіцієнтом накопичення втоми. CD-RW може витримати близько тисячі циклів перезапису.
DVD — ще більше ємності!
Перші DVD з’явилися в Японії у 1996 році, вони з’явилися як відповідь на запит користувачів і бізнесу, яким потрібні були все більш ємкі носії. Спочатку диски високої ємності розроблялися відразу декількома компаніями. З’явилося два незалежних напрямки розробки: Multimedia Compact Disc (Philips і Sony), — Super Disc (8 великих корпорацій, включаючи Toshiba і Time Warner). Трохи пізніше обидва напрямки злилися в одне під впливом корпорації IBM. Вона переконала партнерів не повторювати події часів війни форматів», коли йшла битва за пріоритет між стандартами відеокасет «Video Home System» і «Бетамакс».

Технологія була анонсована у вересні 1995 року, в тому ж році розробники опублікували специфікації. Перший пишучий DVD-привід побачив світ у 1997 році.
Збільшити ємність запису при збереженні колишніх розмірів вдалося за рахунок використання червоного лазера з довжиною хвилі 650 нм. Крок доріжки при цьому в два рази менше, ніж у CD і становить 0,74 мкм.
Blu-Ray — самий сучасний оптичний носій
Ще один різновид оптичного носія з набагато більш високою щільністю запису даних, ніж у CD або DVD. Стандарт був розроблений міжнародним консорціумом BDA. Перший прототип з’явився в жовтні 2000 року.
Технологія передбачає використання короткохвильового лазера (довжина хвилі 405 нм), звідки й походить назва. Літеру «е» прибрали, оскільки вираз blue ray є загальновживаним в англійській мові і не може бути запатентовано. Використання синього (синьо-фіолетового) лазера дало можливість звузити доріжку до 0,32 мкм, збільшивши щільність запису даних. Швидкість зчитування носія збільшена до 432 Мбіт/с.
UDF — універсальний дисковий формат
UDF — це специфікація формату файлової системи, яка не залежить від ОС. Вона розроблена для зберігання файлів на оптичних носіях — як CD, так і DVD і Blu-Ray. У UDF немає обмеження в 2 і 4 ГБ для записуваних файлів, так що цей формат ідеально підходить для дисків підвищеної ємності — DVD і Blu-Ray.
Оптичні диски та інтернет
Технологічні компанії продовжують удосконалювати оптичні диски. Так, Sony і Panasonic ще в 2016 році змогли збільшити ємність оптичних носіїв до 3,3 ТБ. При цьому працездатність дисків зберігається, за словами представників Sony, аж до 100 років.
Тим не менш, всі типи оптичних дисків поступово втрачають популярність — з розвитком інтернету зникає потреба для користувачів у накопиченні даних на дисках. Інформацію можна зберігати у хмарі, що набагато зручніше (наскільки це безпечніше — інше питання). Компакт-диски вже далеко не так популярні, як кілька років тому, але повне забуття (як у випадку аудіокасет) їм, швидше за все, не загрожує — їх будуть використовувати для створення архівів важливою для бізнесу інформації.
Якщо терабайтні оптичні диски підуть в серію, то їх застосування буде обмежено — може бути, з їх допомогою будуть розповсюджувати фільми в 4К і сучасні ігри з набором різних бонусів. Але найактивніше вони будуть використовуватися для створення бекапів. І якщо в Sony говорять правду про віковий збереження записаних даних, то бізнес буде використовувати нову технологію досить активно.