Эволюция носителей информации, часть 2: оптические накопители
Всем привет! Это вторая часть материала об эволюции носителей информации. Напомню, что в первой статье мы рассказали о первых запоминающих устройств — перфокартах, а также уделили внимание магнитным плёнкам и дискетам. Сегодня же речь пойдет о более привычных для нас девайсах, а именно — об оптических накопителях.
Когда на дворе стоял 1969 год, компания IBM еще упорно трудилась над созданием первой дискеты, а инженеры голландского производителя электроники Philips уже завершали работу над оптическим носителем под названием LaserDisc. Многие ошибочно полагают, что LaserDisc был первой в мире технологией оптической записи, однако это не совсем так. За 10 лет до этого события, в 1958 году, братья Пол и Джейм Грегг уже создавали похожую технологию. Отличие этих оптических носителей заключалось в том, что разработка братьев Греггов работала в режиме пропуска света, тогда как технология Philips использовала отраженный свет.
В 1961 году Грегги запатентовали свою технологию, но так и не смогли сделать из нее коммерческий продукт, впоследствии продав права на оптический носитель компании MCA в 1968 году. Philips и MCA посчитали, что конкуренция им ни к чему, и решили объединить свои усилия. Плодом их работы стал коммерческий запуск LaserDisc в 1972 году.
К моменту появления Laserdisc кассетные форматы VHS и Betamax уже снискали успех. Несмотря на то что Laserdisc имел множество преимуществ над кассетами, он так и не смог стать востребованным. В Европе его встретили довольно прохладно, и основными для этой технологии стали рынки США и Японии. Первым фильмом, выпущенным на носителе Laserdisc, были «Челюсти». Это случилось в 1978 году. А последним — картина «Воскрешая мертвецов» в 2000 году. Интересно, что производство Laserdisc проигрывателей продолжалось вплоть до 2009 года, когда компания Pioneer выпустила последнюю партию таких девайсов.
Намного более успешной альтернативой Laserdisc стал стандарт Compact Disc (CD), выпущенный в 1982 году. Разработкой этого формата занимался альянс компаний Sony и Philips. Изначально предполагалось, что компакт-диски будут использоваться только для хранения аудиозаписей в цифровом виде, однако со временем их начали использовать для хранения файлов любых типов. Во многом это стало возможным благодаря усилиям компаний Apple и Microsoft, которые начали устанавливать CD-приводы в свои компьютеры с 1987 года.
Что касается устройства компакт-диска, то оно достаточно простое. Сам CD представляет собой поликарбонатную подложку, которая покрыта тонким слоем металла. Этот слой защищен лаком, на который наносятся изображения, надписи и другие внешние опознавательные знаки диска.
Информация, записанная на компакт-диск, имеет вид спирали из углублений, или «питов», нанесенных на обратную поверхность диска. Размер одного пита обычно составляет около 500 нм в ширину и от 850 до 3500 нм в длину. При этом глубина пита достигает отметки в 100 нм. Расстояние от каждого пита до соседних обычно равняется около 1,6 мкм. Это расстояние называется лэндом. Считывание информации с компакт-диска происходит с помощью лазерного луча, который образует световое пятно с диаметром около 1,2 мкм, что на 0,4 мкм меньше расстояния между соседними питами. В том случае, если луч «упирается» в лэнд, приемный фотодиод фиксирует сигнал максимальной интенсивности и распознает его как логическую единицу. При попадании лазера на пит, свет рассеивается и поглощается, а затем он отражается от поликарбонатной подложки. В таком случае фотодиод фиксирует свет меньшей интенсивности, и он распознается как логический нуль.
Долгие годы после появления CD его максимальный объем держался на отметке 650 Мбайт. На диске такой ёмкости можно было хранить около 74 минут качественного аудио. Лишь в 2000-х объем CD увеличился до 700 Мбайт. Также в продаже можно было найти 800-мегабайтные «болванки».
Когда технология CD только появилась, компакт-диски предназначались только для чтения: еще на стадии производства информация записывалась на диск путем нанесения питов на подложку. И уже затем поверх подложки наносился отражающий слой и защитный лак. Однако вскоре после появления CD пользователям захотелось самим записывать на диски информацию. Это подтолкнуло Philips и Sony на разработку стандарта CD-R (Compact Disc-Recordable). Так, первые компакт-диски, предназначенные для однократной записи, появились в 1988 году.
По своей конструкции диски CD-R отличались от предшественников лишь наличием еще одного слоя между подложкой и отражателем. Это слой был изготовлен из органического прозрачного красителя. У красителя было интересное свойство: под воздействием тепла он разрушался и темнел. Собственно, эти физические характеристики органического слоя и позволили реализовать возможность записи информации на диск. Во время записи лазер специального пишущего привода менял свою мощность, выжигая в слое красителя отдельные точки. При последующем чтении эти потемневшие зоны воспринимались фотодиодом как питы, или логический нуль.
Как уже говорилось выше, записать информацию на диск CD-R можно было лишь однократно. И это было главным недостатком этого формата. Многократная запись информации стала возможна в 1997 году с выходом стандарта CD-RW (Compact Disc-Rewritable).
Конструкция CD-RW полностью совпадала с устройством CD-R, за исключением слоя между подложкой и отражателем. На смену органическому красителю пришел неорганический активный материал — сплав халькогенидов. Так же как и органическое вещество, под воздействием мощного лазерного луча сплав темнел. Затемнение происходило в результате перехода вещества из кристаллического агрегатного состояния в аморфное. В отличие от органического вещества, сплав халькогенидов мог возвращаться в исходное кристаллическое состояние, что и обеспечило возможность многократной записи на диск.
За год до появления формата CD-RW свет увидели диски стандарта DVD (Digital Versatile Disc). История создания DVD довольно занимательна. Она берет свое начало в начале 90-х годов, когда компании Philips и Sony занимались разработкой технологии MMCD (Multimedia Compact Disc), а альянс, в который входили компании Toshiba, Time Warner, Hitachi, Pioneer и некоторые другие, трудились над созданием стандарта SD (Super Density). Обе коалиции активно рекламировали свои технологии, но под давлением компании IBM, в которой опасались повторения «войны форматов» между VHS и Betamax, они пошли на компромисс. Так появилась технология DVD.
Особенностью формата DVD было то, что первоначально он разрабатывались как замена устаревающим видеокассетам. Поэтому первое время аббревиатуру DVD было принято расшифровывать как Digital Video Disc. Однако позже оказалось, что DVD-диски идеально подходят для хранения любого рода данных, и предыдущее название быстро сменили на Digital Versatile Disc.
По своей конструкции DVD-диск не так сильно отличается от предшествующего стандарта CD. В технологии DVD уменьшился размер питов, поэтому для чтения таких дисков стало возможным использование красного лазера с длиной волны 635 или 650 нм. Для сравнения: чтение CD-дисков осуществлялось лазером с длиной волны 780 нм. Кроме этого, дорожки питов стали располагаться ближе друг к другу. Это позволило значительно увеличить плотность записи, и по итогу однослойный DVD вмещал 4,7 Гбайт данных — в 6,5 раз больше, чем CD. Также нужно отметить, что конструкция DVD предусматривает использование двух пластин толщиной 0,6 мм каждая вместо одной 1,2-миллиметровой у CD. Благодаря этому появилась возможность записывать информацию на DVD в два слоя — в обычный нижний слой и в верхний полупрозрачный.
Для того чтобы считать информацию с двухслойного диска лазеру требовалось менять фокусировку путем изменения длины волны. Главным преимуществом таких «болванок» стал вдвое увеличенный объем — 8,5 Гбайт. Кроме этого, спустя некоторые время появились двухсторонние DVD-диски, в том числе и двухслойные. Емкость таких девайсов достигла внушительных 17 Гбайт.
В 1997 году в продаже появились первые диски, предназначенные для однократной записи информации. Они получили маркировку DVD-R. А уже в 1999 году в продаже можно было увидеть девайсы DVD-RW, на которые информацию можно было записывать многократно. При создании этих двух форматов использовались те же принципы, что лежали в основе CD-R и CD-RW дисков: между подложкой и отражателем располагался слой органического или неорганического вещества, который под воздействием лазера умел имитировать питы.
Оба эти стандарта, DVD-R (W) были предложены альянсом DVD Forum. Кроме них, эта организация также разработала формат DVD-RAM, который выгодно отличался от DVD-RW более высокой скоростью чтения и большим количеством циклов перезаписи (до 100 тысяч, тогда как DVD-RW диск можно было перезаписать лишь 10 тысяч раз). Однако формат DVD-RAM не был совместим с DVD-RW, и поэтому обычные DVD-приводы не умели читать такие диски. По этой причине технология не получила особого распространения.
В 2002 году компании Sony и Philips, которые не входили в организацию DVD Forum, представили обратно совместимую с DVD-R (W) технологию DVD+R (W). От «минусового» варианта новый формат отличался разметкой, которая значительно упрощала позиционирование считывающей головки, и иным материалом отражающего слоя. Кроме этого, на DVD+R (W) информация записывалась поверх старой, как на видеокассеты, тогда как для записи на DVD-R (W) требовалось предварительно стереть все имеющиеся на диске данные. Это также положительно сказалось на скорость записи DVD+R (W) девайсов.
На этом потенциал технологии DVD был исчерпан, и следующим шагом в индустрии стал выпуск оптических накопителей нового поколения: Blu-ray и HD DVD. Они увидели свет в 2006 году. Формат Blu-ray был разработан консорциумом Blu-ray Disc Association, в который входили такие крупные компании, как Sony, Panasonic, Samsung, LG и многие другие. А созданием технологии HD DVD занимались японские производители: NEC, Toshiba и Sanyo. Оба формата использовали сине-фиолетовый лазер с длиной волны 405 нм, что позволило в очередной раз значительно увеличить ёмкость дисков. Так, однослойный Blu-ray диск вмещает в себе 25 Гбайт данных, а HD DVD — 15 Гбайт.
В целом, характеристики Blu-ray и HD DVD были очень схожи. Но американские киностудии дали понять, что они не будут поддерживать обе технологии одновременно. «Война форматов» продлилась два года. За это время подавляющее большинство киностудий отдали предпочтение стандарту Blu-ray, и в феврале 2008 году компания Toshiba объявила о прекращении разработки и дальнейшей поддержки HD DVD.
С тех пор Blu-ray остается единственным игроком на рынке оптических накопителей. За это время появились диски BD-R и BD-RE для однократной и многократной записи. Кроме этого, в 2009 году была представлена технология Blu-ray 3D, предназначенная для хранения и воспроизведения трехмерного видеоконтента. А в начале следующего года состоится запуск первых 4К-фильмов на оптических дисках формата Ultra HD Blu-ray. Новый стандарт обеспечивает поддержку разрешения 3840×2160 пикселов, звуковых форматов Dolby Atmos и DTS: X, технологии HDR и высокой частоты развертки (до 60 кадров в секунду). Емкость таких дисков составит 50, 66 или 100 Гбайт.
(Продолжение следует…)
