Магнітний запис інформації

2.4 Магнітний запис інформації

2.4.1 4,4 Мегабайта вагою в тонну

Не секрет, що жорсткі диски – найпоширеніші засоби зберігання інформації в сучасних комп'ютерах. Перший в світі жорсткий диск (рис. 2.14), RAMAC 350 Disk File – пристрій зберігання даних з довільним доступом – випустила компанія IBM у вересні 1956 року. Місткість вінчестера для тих часів була величезна – 4,4 Мбайт.

Дані записувалися на 50 залізних пластинах діаметром 24 дюйми. Швидкість обертання шпінделя складала 1200 об/хв, а середній час доступу – 1 секунду. Сьогодні виробники вінчестерів у всьому світі хваляться ще і таким параметром, як щільність запису. Якщо RАМАС характеризувався 2 Кбіт/кв. дюйм, то сучасні HDD – більше 100 Гбіт/кв дюйм.

Не дивлячись на революційність винаходу, розлучатися з перфокартами і магнітними стрічками публіка не поспішала. Вартість і громіздкість (як два великі холодильники) жорсткого диска були основними перешкодами. І, хоча попит на нову систему відразу ж з'явився (у банків, космічних агентств і авіакомпаній), вартість оренди 1 Мбайт була неприйнятною [5].

Розроблений RAMAC 350 Disk File був у Сан-Хосе, штат Каліфорнія. У 1953 році дослідницьку групу, яка працювала над створенням жорсткого диска, очолив старший інженер IBM Л’юіс Стівенс. Як частенько це бувало в період розвитку комп'ютерної індустрії, фінансувався проект з перебоями. Треба віддати ученим належне – перший в світі жорсткий диск був створений виключно на ентузіазмі.

Рисунок 2.14 – Перший в світі жорсткий диск; вартість оренди 3200 доларів в місяць

Це цікаво: достовірно невідомо, як і чому до жорстких дисків міцно пристала розмовна назва «вінчестер». За однією з версій, слово запропонував один із співробітників IBM – Кенет Хоутон. Річ у тому, що в 1973 році в продаж поступив двомодульний жорсткий диск (рис. 2.15), який працівники IBM між собою називали модель «30-30», що означало два модулі по 30 Мбайт. У цей же час на прилавки поступила гвинтівка «30-30». За іншою версією, назва пішла від одного з дослідницьких центрів IBM, розташованого в місті Вінчестері, у Великобританії. До речі, на Заході слово «вінчестер» вийшло з ужитку ще на початку дев'яностих, але в СНД прижилося і еволюціонувало до скороченого «винт» [5].

Рисунок 2.15 – Вінчестер IBM 3380. Поступив у продаж в жовтні 1981 року за 142000$. Ємність – 2,52 Гбайт, швидкість передачі даних 3 Мбайти/с

2.4.2 Механіка HDD

З часом швидкість обертання шпінделя зростала, підвищувалася точність позиціонування зчитуючої головки, додавалася «розумна» електроніка. Але основний принцип устрою жорстких дисків практично не змінився.

Жорсткий диск – це гранично точна електронно-механічна система. Всередині розташований шпіндель – це вісь, на яку жорстко нанизуються круглі пластини. Чим швидше маленький двигун шпінделя розкручує пластини, тим, в більшості випадків, жвавіше працює вінчестер. Для сучасних дисків характерні швидкості 5400 або 7200 обертів за хвилину. Шпінделі HDD для серверів і робочих станцій працюють швидше – на 10 і навіть 15 тисячах об/хв.

Як тільки вмикається комп'ютер, двигун починає розкручувати диски. Спочатку ненадовго активується форсований режим – вінчестер споживає максимум енергії, набираючи «крейсерську» швидкість. Працювати доводиться надзвичайно багато, без щонайменших відхилень, тому ресурс у механіки жорсткого диска величезний.

Пластин може бути декілька, а може бути всього одна: у більшості сучасних вінчестерів їх від однієї до п'яти. Виготовляються пластини з металу, покритого феромагнітним шаром завтовшки близько 10 мікрон. Раніше для цих цілей використовувався оксид заліза, сьогодні найчастіше кобальт. Всього в пластині чотири шари: перший – основа (залізо або кераміка), другий – магнітний (служить для запису інформації), третій – захисний (оберігає від розмагнічування), ну, і четвертий – особливе мастило, яке відповідає за відведення тепла і захист від корозії. Товщина захисного шару – 5 нм, а мастила – близько 2 нм.

До уваги: 1 нанометр (нм) – це одна тисячна мікрона, або ж  метра.

Інформація на пластини записується у вигляді намагнічених концентричних ділянок – доріжок. Оксид заліза, або будь-яке інше феромагнітне покриття, складається з ділянок, в кожному з яких вектора магнітних моментів диполів направлені в один бік. Візуально це можна уявити як велику кількість стрілок, напрямлених строго уперед або назад. Кожна стрілка – це біт інформації, одиниця або нуль.

Зчитуюча головка диска – непростий елемент. Спеціальний моторчик (привод головки) регулює положення головки над доріжкою диска з точністю до пари мікрон. За відсутності струму головка «спить» в особливій паркувальній зоні пластини – поряд з віссю. Звичайно, в цій ділянці “млинця” інформація не записується.

Як тільки шпіндель починає розкручувати диски, створюється потік повітря, яке тисне на аеродинамічну конструкцію – важіль головки. В результаті важіль головки, форма якого нагадує крило літака, в буквальному розумінні злітає. Зчитування даних відбувається на відстані декількох мікрон від поверхні, щонайменше торкання пластини викликає непоправну втрату даних і псування самої головки. Тому шпінделю і доводиться весь час обертатися.

Максимально наблизити головку до зчитуючої поверхні не так давно вдалося інженерам компанії Fujitsu, які розробили спеціальний змащувальний шар. Теоретична відстань між головкою і пластиною зменшилася до 8 нм. Чим ближче головка до пластини, тим меншого розміру магнітні ділянки можна використовувати. Отже, на одну концентричну доріжку поміститься більше біт інформації [5].

Якщо в жорсткому диску декілька «млинців», над кожним ширятиме власна головка. Всі головки переміщаються одночасно, і це не дивно, адже пластини нанизані на єдиний привод. Переміщатися головка в процесі зчитування може тільки горизонтально, по дузі.

У одному дюймі пластини знаходиться близько восьми тисяч доріжок. Для наведення головки на доріжку в даний час використовується акустичний мотор. Він складається з двох потужних магнітів і дротяної котушки. Конструкція нагадує звичайний динамік – звідси і назва «Акустичний мотор».

Котушка під дією струму створює електромагнітне поле, унаслідок чого починає зміщуватися у бік магнітів. Упевнитися, наскільки точно встановилася головка над пластиною, вінчестер може за допомогою зворотного зв'язку. Прочитуючи спеціальні службові мітки, записані на “млинці” в заводських умовах, привод головки повідомляє електроніку вінчестера про своє місцезнаходження. У разі потреби головка робить ще одну спробу добратися до мети. І тут дуже важливий параметр часу пошуку (seek time) – час, за який привод виводить головку на доріжку.

Для зчитування інформації досить часто використовуються індуктивні тонкоплівкові головки. Принцип дії схожий з магнітною головкою касетного магнітофона. Головка вінчестера проходить над «стрілками», які своїм магнітним полем генерують в обмотці головки електричний струм. Сигнал, що поступив, посилюється, пропускається через фільтри і потім розшифровується електронною «начинкою» вінчестера.

Сьогодні створюються якісніші головки. Один з нових типів активно застосовує компанія Seagate. Це магніто-резистивні головки, які використовують фізичний ефект, відкритий лордом Уїльямом Кельвіном в 1857 році. А саме, що магнітне поле міняє опір металевого провідника. Коли магніторезистивна головка потрапляє в магнітне поле, сила струму в ланцюзі змінюється, що і дозволяє відрізнити «одиницю» від «нуля». Зчитаний таким чином біт інформації тут же потрапляє в електронну схему. Основна перевага нового типу головок – можливість щільніше записувати інформацію, тому що роздільна здатність магніторезистивних головок вища, ніж у індуктивних. Крім того, електричний сигнал магніторезистивних головок чистий і практично не потребує додаткової фільтрації. Нарешті, нові головки не чутливі до швидкості обертання пластин, тоді як точність зчитування в індуктивних елементах залежить від швидкості проходження головки над поверхнею пластини.

Єдиний гнучкий елемент всієї конструкції жорсткого диска – це провідник, який пов'язує важіль головки з електронікою. Важіль весь час перебуває в русі, кидається від однієї доріжки до іншої, тому дріт повинен бути міцним, але таким, що не сковує рухи важеля [5].

2.4.3 Електроніка HDD

Як відомо, розбирати вінчестери зазвичай строго не рекомендується. Адже відстань між головкою (рис. 2.16) і пластиною – декілька мікрон, і достатньо всього однієї порошинки, щоб зіпсувати складне устаткування. А відновлення розгерметизованого жорсткого диска коштує у декілька разів дорожче, ніж покупка нового, і навіть сервісні центри зазвичай обмежуються тільки порятунком інформації.

Рисунок 2.16 – Головка яка зчитує: розміри передньої частини головки, яка зчитує – 0,3×1 мм. У центрі – нанесена літографією мідна котушка, яка використовується для запису даних. Пластини з боків виготовлені із золота

Електроніка вінчестера представлена на печатній платі (текстоліті) з нижнього боку пристрою. Тут знаходиться справжнісінький мініатюрний комп'ютер: центральний процесор, пам'ять і цифровий сигнальний процесор (Digital Signal Processor), що відповідає за сигнали читання/запису. Працює вінчестер під управлінням власної програми, записаної в мікросхему ПЗП або в службові ділянки жорсткого диска.

Спочатку запитані комп'ютером дані прочитуються з пластини, потім поступають в кеш-пам'ять і тільки потім прямують в ОЗП комп'ютера. На швидкодію вінчестера впливає швидкість обертання шпінделя, процесор і об'єм пам'яті. Бувають екзотичні випадки, коли жорсткі диски з 5400 об/хв працюють швидше, ніж моделі з 7200 об/хв, але це скоріше виключення з правил.

Об'єм буфера коливається в межах від 2 до 16 Мбайт. Чим більше пам'яті, тим більше даних головка може зчитати на випередження [5].

2.4.4 Різноманітність видів HDD

Вінчестери можна класифікувати за шириною. Форм-фактор 3,5 дюйма – стандарт для настільних систем. Жорсткі диски цього типу мають найбільшу продуктивність і місткість.

2,5-дюймові моделі традиційно застосовуються в ноутбуках, автомобільних ПК і різній побутовій техніці. Радіус «млинців» там менше, відповідно, і інформації міститься менше. Що ж до швидкості обертання шпінделя, вона тільки недавно наблизилася до швидкостей настільних моделей і складає 7200 об/хв. Місткість – до 500 Гбайт.

Існують також жорсткі диски (рис. 2.17) форм-факторів 1,8, 1 і 0,8 дюймів. Такі вінчестери не можуть похвалитися місткістю і швидкістю, зате частенько знаходять застосування в МР3-плеєрах, ультра портативних ноутбуках і переносних зовнішніх дисках.

Зовнішніми жорсткими дисками можуть бути вінчестери будь-якого форм-фактора. Вони випускаються з інтерфейсами USB 1.1/2.0, FireWire і eSATA. Основні їх переваги – мобільність і легкість підключення до ПК. Операційна система сама визначає диск і миттєво дозволяє працювати з ним. Мінус же більшості зовнішніх вінчестерів – невисока швидкість: приблизно у два рази нижче, ніж у вбудованих аналогів [5].

Рисунок 2.17 – Жорсткий диск у розібраному вигляді; якщо ви бачите важіль головки, шпіндель і пластину, це означає, що вашому жорсткому диску вже нічого не допоможе – він розгерметизований

Канал передачі інформації зазвичай обмежується інтерфейсами USB і FireWire. Але іноді швидкодія мобільних вінчестерів явно нижче із-за технологій захисту пластин від трясіння.

Внутрішні жорсткі диски, як для ноутбуків, так і для настільних ПК, обладнані або паралельним інтерфейсом PATA, або послідовним SATA. Перший відомий також як IDE і поки що присутній у всіх сучасних комп'ютерах. Але зараз стандарт вже вичерпав себе, і його активно витісняє SATA, пропонуючи в потенціалі швидкість до 300 МБ за секунду проти максимальних 133 Мбайт/с по каналу IDE.

З'єднується жорсткий диск з материнською платою двома кабелями. Один з них подає напругу, інший, інтерфейсний, відповідає за обмін даними. На відміну від IDE-вінчестерів, SATA працюють з напругою 3,3, 5 і 12 В замість 5 В. Новий тип інтерфейсних кабелів включає всього сім дротів, тоді як стандарт IDE вимагав 80-жильного дроту.

Паралельний інтерфейс РАТА здатний приймати на один порт два вінчестери. В цьому випадку номінальна швидкість, наприклад, 133 Мбайт/с, ділиться на два. З SATA цей номер поки не пройде. Щоб підключити два жорсткі диски, потрібно два незалежні порти (у так званому SATA 2.5 вже можна підчіплювати декілька дисків на канал). Кожен вінчестер отримує повноцінний канал обміну даних і не втрачає в швидкості. Відпадає і необхідність призначати жорстким дискам статусу master (той, що веде), і slave (ведений), що позбавляє від багатьох проблем, пов'язаних з сумісністю різних вінчестерів.

Це цікаво: теоретична швидкість інтерфейсу, як PATA, так і SATA, ще ніколи не вимагалася повною мірою. Навіть найновіший вінчестер навряд чи може задіювати 30 % пропускної спроможності SATA [5].

2.4.5 Гучні імена виробників HDD

Як відомо, компанія IBM, що свого часу була лідером на ринку жорстких дисків, до кінця дев'яностих розгубила минуле завзяття. Численні збої підірвали довіру, і IBM була вимушена продати свій бізнес. Придбала спадок компанія Hitachi.

У комп'ютерних магазинах сьогодні найчастіше доводиться бачити моделі Western Digital, Seagate, Hitachi і Samsung. Компанія Seagate випускає недорогі жорсткі диски з високою продуктивністю. На ринку цей виробник займає лідируюче положення і недавно скупував одного з конкурентів – компанію Maxtor. За статистикою саме вінчестери Seagate мають в Росії найбільший попит.

Продукція Western Digital славиться швидкодією, за яку, втім, доведеться платити. Справи компанії йдуть успішно, і Western Digital упевнено тримається на плаву.

До вінчестерів Samsung недавно відносилися скептично із-за їх невисокої надійності і низької продуктивності. Але сьогодні їх продукція вже не поступається конкурентам. Що стосується Hitachi, то і у неї справи йдуть непогано. Жорсткі диски не б'ють рекордів швидкості, але забезпечують високу стабільність.

Продукція компаній досить рівна в плані співвідношення ціна/якість. Хіба що зустрічаються окремі невдалі моделі, так що, підібравши симпатичну позицію в прайс-листі, не полініться зібрати про неї інформацію в Інтернеті [5].

2.4.6 Перпендикулярні перспективи запису

Щільність запису на пластини вінчестерів підходить до своєї межі. Як би низько виробники не опускали зчитуючу головку до поверхні “млинця”, до нескінченності зменшувати розмір магнітних ділянок неможливо. На певній стадії диполі магнітних ділянок починають самодовільно змінювати напрям магнітних ліній, і дані в цьому випадку безповоротно втрачаються.

Щоб вдихнути нові сили в жорсткі диски, інженери звернулися до давно відомої технології перпендикулярного магнітного запису, яку активно досліджували в 70-80-х роках минулого століття. Сенс її полягає в тому, щоб вектори (раніше згадані «стрілки») не лежали в площині пластини, а були перпендикулярні їй. При цьому магнітні ділянки займають менше місця, і до того ж не міняють напряму під дією супермагнетизма, оскільки різнойменні полюси не напрямлені один до одного. Інновація була навіть випробувана, що привело до випуску 2,88-мегабайтних «перпендикулярних» дискет. Правда, їх вартість була непомірною, і ємкі дискети не прижилися.

Для роботи з новими “млинцями” потрібні головки абсолютно іншої конструкції. Склад магнітного шару пластини також зазнав зміни: тепер це двошарова антиферомагнітна підкладка для стабільності магнітного поля і шар запису, який складається із сплавів кобальту, платини і хрому.

Жорсткі диски з перпендикулярним записом форм-факторів 3 і 2,5 дюймів вже поступили в продаж [5].

2.4.7 SSD проти HDD

Майбутнє жорстких дисків не безхмарне. У спину дихають твердотільні накопичувачі (SSD, solid-state disk), які побудовані на мікросхемах незалежної флеш-пам'яті NAND. Компанія Samsung вже запустила виробництво 32 Гбайт SSD у форм-факторі 2,5-дюймових вінчестерів. Зчитування даних з флеш-пам'яті відбувається в три рази швидше, ніж із звичайних пластин жорстких дисків, а запис – в півтора рази швидше.

Переваги твердотільних накопичувачів очевидні – вони легкі, невимогливі до живлення і не містять механічних деталей. А це і несприйнятливість до трясіння, і повна безшумність, і несхильність до магнітних полів. Проблем з сумісністю немає – SSD-накопичувачі підключаються до знайомих інтерфейсів SATA або РАТА.

Єдина перешкода до розповсюдження нової технології – вартість. Сьогодні 32 Гбайт SSD Samsung обійдеться в 1000$. Але вартість модулів NAND падає з кожним місяцем, так що вже через пару років ми напевно розпрощаємося з «механічним» жорстким диском, як би не було його шкода.

Зараз компанія Samsung спільно з Microsoft готує проміжну ланку – гібридний диск (HHD, Hybrid Hard Disk). Накопичувач – звичайний жорсткий диск, а флеш-пам'ять виконує функцію буфера, знижуючи навантаження на механіку. Більшу частину часу шпіндель крутитиметься на знижених обертах, набираючи штатну швидкість лише в моменти перевантаження буфера. Можна чекати, що гібридний диск стане споживати значно менше енергії і працювати швидше за традиційні жорсткі диски [5].

Не дивлячись на явне технічне застарівання, HDD можуть супроводити нас ще впродовж багатьох десятиліть. Так, наприклад, котушкові накопичувачі на магнітних стрічках до цих пір активно застосовуються для архівації даних в крупних компаніях. Жорсткі диски цілком можуть прийти на зміну магнітній стрічці в галузі зберігання величезних масивів інформації...

2.4.8 Перпендикулярний Hitachi

Hitachi (рис. 2.18) не відстає від лідерів індустрії жорстких дисків. Компанія представила модель Travelstar 5K160 для ноутбуків місткістю 160 Гбайт і швидкістю шпінделя 5400 об/хв. Цей жорсткий диск використовує метод перпендикулярного запису для нанесення інформації на пластини, а також головку другого покоління, що знаходилася на стадії тестування з 2004 року.

Рисунок 2.18 – Hitachi Travelstar 5K160

Метод перпендикулярного запису повинен був стати перехідною технологією від старого методу запису до лазерних носіїв, але, судячи з усього, затримається. У перспективі цей метод дозволить нанести до 500 Гбайт даних на квадратний дюйм [5].

2.5 Прилади, в яких використовується лазер

 

2.5.1 Мирний лазер

Філігранно точний лазер; шпіндель, що скажено обертається; здатність зчитувати десять фільмів з одного носія – все це властиво оптичному приводу. Жорсткий диск примушує захопитися генієм інженерної думки, але начинка оптичного привода не менш складна і унікальна. Потрібна високоякісна система лінз (рис. 2.19) для правильного наведення промінця над «болванкою», стабільно функціонуючі електронні схеми, які стежать за пропаленням диска і зчитуванням інформації, і багато що інше. У століття транзисторів розміром в декілька десятків нанометрів і гігабайтних флеш-карт з ніготь, громіздкі оптичні приводи як і раніше дуже популярні. Лазерний диск – недорогий універсальний засіб передачі інформації. Портативні міні-вінчестери і флеш-карти все активніше заповнюють прилавки, але 9,4 Гбайт DVD-диск обходиться раз в сто дешевше гігабайтної «флешки». Ще одна вагома причина – музичні альбоми і новинки кіно з'являються виключно на СD- і DVD-дисках. Окремі компанії намагаються продавати мультимедіа записи на спеціально захищених від копіювання флеш-картах, проте ентузіазму серед покупців це не викликає [6].

Рисунок 2.19 – Оптична система: лазерний діод випускає промінь, котрий падає на компакт-диск

2.5.2 Як все починалося

Принцип роботи оптичного привода і – віддалено – жорсткого диска і магнітофона запозичений у фонографа. Перший в світі прилад для запису і відтворення звуку, якщо не враховувати музичних шкатулок (рис. 2.20), був представлений громадськості Томасом Едісоном 21 листопада 1877 року. Звук зберігався на поверхні циліндра у вигляді спіральної доріжки; глибина борозенки при цьому була пропорційна силі звуку. Читаюча голка рухається канавкою і іншою стороною тисне на мембрану. Механічні коливання перетворюються на електричні імпульси, які проходять через підсилювач, і перетворюються на звук. Швидкість обертання барабана досягала 78 об/хв. У дію він приводився уручну або за допомогою пружини. Борозенки наносили спочатку на фольгу, яка витримувала від сили десяток циклів, а потім на більш довговічне воскове покриття. Тривалість запису не перевищувала пари хвилин. Винахід Едісона удосконалив в тому ж 1877 році Еміль Берлінер. Він створив грамофон, де вперше носієм інформації виступила ебонітова пластинка – стародавній прообраз лазерного диска. Грамофони набули величезного поширення. З'явився портативний варіант – патефон. Услід був створений електрофон, який перетворював механічні коливання в звук за допомогою електричних імпульсів. Електрофон здатний відтворювати моно-, стерео- і квадрофонічні записи. Покоління 60-80-х років минулого століття ще слухало на ньому альбоми Beatles і Rolling Stones. Сьогодні електрофони продовжують використовувати в музичних клубах і студіях запису [6].

Рисунок 2.20 — Фонограф Едісона: барабан з восковим покриттям – предок компакт-диска. Замість лазера використовується голка

2.5.3 Історія невидимки

Методи зчитування і запису інформації за допомогою лазера розробили відразу декілька дослідницьких груп, але світ підкорився Sony і Philips на початку 1980-х. Історія не завжди буває справедливою: щорічно продається оптичних приводів і дисків на суму в декілька мільярдів доларів, але винахідники не отримують ні копійки. Так, фізик Джим Рассел на десяток років випередив обидві компанії. Вчений розробив фундамент оптичної цифрової технології зберігання інформації і навіть створив прототипи. У 1953 році були зроблені перші кроки – Джим в рамках роботи на General Electric ввів в експлуатацію комп'ютерну систему контролю ядерного реактора і електронно-променевий зварювальний апарат. У 1965 році він використав попередні досягнення і оголосив про початок робіт над оптичним накопичувачем. Вже через рік на рахунку Джима було 25 патентів в галузі цифрового оптичного запису. Перший зразок оптичного привода представили науковій громадськості в 1973 році. Потім відбулася демонстрація технології потенційним покупцям. Джим записав на 78- і 127-міліметрові диски з скляною основою декілька трансляцій телешоу. За словами фізика, представники Sony і Philips активно зацікавилися розробкою, проте відмовилися від подальших переговорів. У 1977 році Sony і Philips об'єдналися для створення єдиного цифрового оптичного формату. Через два роки почалося створення цифрового аудіодиска. Продажі компакт-дисків почалися в 1982 році з подачі Sony [6].

Потенціал інновації відмітили відразу. За просування нового стандарту узялися гіганти, такі як Microsoft і Apple Computer. Результат виправдав найсміливіші прогнози – в 1985 році з прилавків було зметено не 10 млн. носіїв, як передбачалося, а всі 59 млн. У 2002 ж році пішло більше 8 млрд. болванок. Але повернемося до Джима Рассела. Його дослідження спонсорував підприємець Єлі Якобс. У 1980 році бізнесмен створив компанію Digital Recording і запросив Джима на роботу. Вчений вважав, що Sony і Philips використали його запатентовані розробки для створення лазерних дисків. Проте юрист компанії не бачив шансів виграти справу, і судова тяжба так і не почалася. Вік Digital Recording був коротким, в 1985 році підприємство розорилося. Компанію придбала фірма Optical Recording з Торонто. Джим залишився в штаті, а нові юристи охоче почали терзати Sony і Philips. У 1988 році Optical. Recording стала отримувати непогані «відступні» від лідерів ринку, але зоряна година Джима так і не пробила – його контракт закінчився роком раніше, і винахідник подався на вільні хліби. Інший відомий учений – Девід Пол Грегг – запатентував в 1961 році оптичний диск для запису відео. Як і винаходи Джима, розробки Девіда випередили час. Компанія МСА мала намір використати патенти Девіда для створення нового стандарту. Але, як і у вище згаданого Digital Recording, доля у МСА сумна. Компанія почала співпрацю з Philips в 1975 році. Через три роки публіці представили довгоочікуваний Laserdisc. МСА виробляла носії, Philips (рис. 2.21) – плеєри. Ринок холодно відреагував на оптичну технологію, і вигадка швидко провалилася.

Рисунок 2.21 –Новітні приводи Philips ; вони здатні пропалювати і записувати три види дисків – CD, DVD та Blu-ray

А що ж Радянський Союз? Невже найбільша країна в світі могла опинитися не попереду всієї планети? Створення оптичних дисків почалося в 1975 році у ВНІІРПА ім. С.О. Попова. Перед групою дослідників поставили завдання створити оптичні технології запису і відтворення звукової інформації студійної якості. У країні було скрутно з «тонкою» технікою, зокрема, з напівпровідниковими лазерами. Співвітчизникам довелося використовувати 200-мм газовий лазер ЛГ-75. Переміщати махину було важко, тому застосували мотори, які переміщали картридж з самим лазерним диском. Прототип оптичного програвача Промінь-002 представили на ВДНГ в 1980 році – раніше, ніж Sony і Philips почали серійне виробництво. На диску радянські учені записали музику з кінофільму «Мій ласкавий і ніжний звір». Виробляти приводи в СРСР так і не почали. У жодного з підприємств не знайшлося бази для випуску напівпровідникових лазерів і необхідних механічних компонентів. Фінансування проекту припинилося [6].

2.5.4 Компакт-диск

Сьогодні компакт-диски виглядають так само, як і двадцять років тому. Виготовляються носії з прозорого полікарбонату, який покривають тонким напиленням алюмінію, срібла або золота, що відбиває. Потім наносять захисний шар лаку, щоб повністю захистити від контактів із зовнішнім середовищем і випадкових пошкоджень.

До уваги: діаметр дисків – 120 мм, товщина – 1,2 мм. Випускають також невеликі «болванки» (80 мм). Будь-який сучасний привод читає обидва типи дисків.

Існує декілька версій, чому діаметр компакт-диска зазвичай рівний саме 120 мм. За однією з них, директор Sony Акіо Моріта вирішив, що лазерні диски чудово підійдуть цінителям класичної музики. У Японії провели опитування і з'ясували, що найбільш популярний твір – дев'ята симфонія Бетховена, яка триває рівно 74 хвилини. Цікавий варіант, відповідно до якого діаметр лазерного диска дорівнює діагоналі аудіокасети, символізуючи спадкоємність. Але право на життя є і у більш життєвої версії – компакт-диск повинен був поміщатися в кишеню сорочки. Стандартний компакт-диск вміщає 650 Мбайт (ті самі 74 хвилини) цифрової інформації. Зараз широко поширені 700-мегабайтні (80 хвилин аудіо) диски, випускаються моделі і по 800 Мбайт (90 хвилин аудіо). Формат зберігання даних на аудіодиска називається Red Book (Червона книга). Його запропонували фахівці з Philips. У цьому форматі можна записати двоканальний звук з 16-бітовою імпульсно-кодовою модуляцією і частотою дискретизації стереоканалів 44,1 кГц. Всього розробили два режими зчитування. Перший застосовувався для програмних носіїв і вимагав запис надмірних бітів коду Ріда-Соломона. Вони дозволяють відтворити дані навіть з пошкодженого диска. Другий режим використовувався з аудіодисками і справлявся без захисного коду. Швидкість зчитування інформації в першому режимі – 150 Кбайт/с; для позначення швидкості запису ввели параметр 1х. Привод із швидкістю 36х прочитує дані на 36x150 Кбайт/с (5400 Кбайт/с). Для порівняння – одношвидкісний DVD-диск прочитується на швидкості 1,32x Мбайт/с. Поступово компакт-диски стали використовувати для відеофільмів, закодованих в MPEG, графічних зображень і аудіодисків з текстовою інформацією про композиції. З'явилися специфікації, які описують перезаписувані і один раз записувані диски. Зміну CD почали вже готувати на початку 1990-х. Розвернулася боротьба серед двох форматів – Multimedia Compact Disc від Sony і Philips, а також Super Disc, творіння восьми учасників, в числі яких були Toshiba і Time Warner. На допомогу ворогуючим форматам прийшла компанія IВМ. Повторення війни відеокасет VHS і Betacam не повторилось [6]. Про абсолютно новий формат лазерних дисків стало відомо у вересні 1995 року. У листопаді наступного року в Японії почалися продажі DVD, через рік диски прийшли і на ринок США. Виробники наполегливо розробляли власні формати, і у результаті з'явилися «плюсові» і «мінусові» диски – DVD+R і DVD-R, DVD-RAM і DVD-ROM. На щастя, проблеми сумісності були вирішені відносно швидко.

2.5.5 Усередині оптичного привода

Інформація на диску записана у вигляді спіральної доріжки на металевому шарі, що відбиває світло, який несе інформацію в двійковому коді у вигляді ямок (pits) і ділянок рівної поверхні (flats). Дані прочитуються лазерним променем.

Лазер може потрапляти на ділянки «flat» або «pit». У першому випадку фотодетектор реєструє відбитий від поверхні металу промінь, в другому – нічого. Для диска глибина ямки повинна бути не більше однієї шостої довжини хвилі лазера (вимірюється в сотнях нанометрів). Співвідносяться «pit» з компакт-диском – приблизно як піщинка і стадіон.

Анатомія оптичного привода нагадує нутрощі жорсткого диска. На борту та ж буферна пам'ять, шпіндель, електронні схеми і ділянка, де записана прошивка – програма управління приводом. Підключення до системної плати відбувається за допомогою тих же інтерфейсних кабелів (IDE, SATA) і стандартних шлейфів живлення.

На лицьовій панелі будь-якого привода (рис. 2.22) в обов'язковому порядку знаходяться лоток механізму завантаження диска і непримітна дірочка. Призначений отвір для вивільнення диска, у випадку якщо відключилася електрика або привод заклинило. Досить вставити голку і натиснути – лоток відкриється.

Основні механічні елементи: сервопривод відповідає за завантаження диска; повзун служить для переміщення лазерної оптичної системи, ну а шпіндель розкручує компакт-диск. Лоток з диском заходить всередину привода так, що шпіндель може встати в отвір в середині компакт-диска. Оптична система з лазером знаходиться під диском.

Отже, шпіндель розкручує носій, і промінь лазера починає ковзати по «пітам» і «флетам», прочитуючи збережений двійковий код. Для перемикання між доріжками використовується повзун. Оптична система додатково регулюється чотирма котушками і магнітами. При подачі струму на першу пару, об'єктив оптичної системи зрушується вгору або вниз завдяки магнітному полю. В результаті змінюється фокусування. Другі дві котушки відповідають за горизонтальні зсуви лазера, точно позиціонуючи систему на потрібній доріжці компакт-диска.

«Млинці» жорсткого диска обертаються з постійною кутовою швидкістю (CAV, Constant Angular Velocity). Компакт-диск же зазвичай розкручують зі змінною кутовою швидкістю, що забезпечує фіксовану швидкість зчитування (CLV, Constant Linear Velocity), яка гарантує постійний потік даних. Зчитування ділянок носія біля краю диска проходить із зменшеним числом обертів, внутрішніх, – з максимальною швидкістю.

Рисунок 2.22 – Зовнішній оптичний привод; їх можна встановлювати як горизонтально, так і вертикально

Сучасні приводи працюють по-різному – можуть крутити диск завжди з однією і тією ж частотою, що означає падіння швидкості при зчитуванні доріжок біля центра диска, а можуть відповідати фіксованій швидкості зчитування, регулюючи частоту обертів. Знаходять популярність змішані технології (Zone-САV) – диск розбивається на зони, в кожній з яких дотримується певна частота обертання. Якщо в характеристиках привода заявлена максимальна швидкість САV 32х, це означає, що виробник лукавить, – диск крутиться завжди з однією і тією ж швидкістю, максимальна швидкість зчитування 32х досяжна лише в деяких ділянках. Якщо ж в документації сказано, що читання (або запис) ведеться при CLV 16х, можна бути спокійним – швидкість роботи з даними буде 16х в будь-яких ділянках.

Напруги, що поступає на пристрій, недостатньо для функціонування механічних двигунів, тому всі приводи включають чіп підсилювача напруги. На «борту» присутня флеш-пам'ять із записаною прошивкою – програмою, яку використовує мікропроцесор привода для управління всіма елементами системи. Місткість мікросхеми зазвичай не перевищує 128 Кбайт. Підвищити ефективність привода можна в домашніх умовах, самостійно замінивши прошивку. Викачати програмку можна на веб-сайті виробника. У будь-якому оптичному приводі є буфер.

Він використовується для тимчасового зберігання інформації. Алгоритми роботи привода з власною буферною пам'яттю життєво важливі для пропалення «болванок». Процес запису диска повинен йти безперервно. Комп'ютер зобов'язується справно поставляти інформацію, що йде на запис, в буфер привода. Якщо трапляється казус і відбувається спустошення буфера, то «випечений» диск можна сміливо викидати. Втім, більшість сучасних приводів хваляться фірмовими технологіями захисту від спустошення буфера [6].

2.5.6 Вибираємо привод

Сьогодні вибрати привод не проблема. Практично будь-яка сучасна модель здатна прочитувати і пропалювати все різноманіття дисків. Проте все ще можна побачити звичайні CD/DVD-приводи, CD, що пишуть, комбо-приводи, які пропалюють звичайні CD, але не уміють зберігати дані на DVD, великого поширення набули мультиформатні моделі. Вони здатні записувати як CD, так і DVD, найсучасніші навчилися працювати і з DVD-RAM.

У сучасних моделях використовується ряд технологій для швидкого і надійного читання і запису дисків. Приводи уміють гасити вібрації, самостійно вибирати стратегію пропалення для кожної «болванки» і не бояться спустошення буфера. При виборі варто придивитися до заявлених технологій. Кожен виробник називає технологію по-своєму, насправді вони розрізняються мінімально. Цікаво, що деякі приводи можна використовувати для знищення дисків – лазер випалює поверхню таким чином, що дані зчитати не вдасться.

З'явилася також унікальна можливість наносити малюнок на поверхню диска прямо в лотку. Для цього необхідний Lightscribe-сумісний привод і диск з особливим покриттям. Носій вставляється етикеткою вниз, а лазер робить малюнок, який завантажується з графічного редактора. Вартість таких приводів прийнятна, але купувати їх немає особливого сенсу – подібні «болванки» продаються не на кожному розі і стоять дорожче. Простіше використовувати маркери. До речі кажучи, на ринку присутній аналог Lightscribe – технологія Labelflash.

Внутрішні приводи складають завширшки стандартні 5,25 дюймів і стоять практично у всіх ПК. Випускають також приводи компактних розмірів, які відрізняються меншою товщиною, довжиною і вагою. Коштують вони дорожче, встановлюють їх зазвичай в ноутбуки і компактні мультимедіа-центри. Останніми роками поширення набули зовнішні приводи, які можна підключати до включеного комп'ютера через «гарячі» порти USB, FireWire і eSATA. Зовнішні приводи вимагають джерело живлення.

Дорогі і якісні оптичні приводи випускає компанія Plextor. Виробник обіцяє довгий термін служби і видатну швидкодію. Відмінно себе зарекомендувала компанія NEC. Деякі моделі виробника виявилися такими вдалими, що Інтернет наповнили аматорські сайти, які описують навіть способи установки і переваги різних прошивок! Уваги заслуговують приводи компаній BENQ, Lite-On, НР і LG. Трохи здають позиції колишні лідери – Sony, Теас і ASUS [6].

2.5.7 Майбутнє сьогодні

Не секрет, що на прилавки вже приходить нове покоління оптичних дисків – Blu-ray (рис. 2.24) і HD-DVD. Обидва стандарти стали логічним розвитком DVD. Діаметр дисків і товщина залишилися такими ж – 120 мм і 1,2 мм. Не змінився і спосіб запису інформації – «піти» і «флети». Переваги – значно збільшена місткість носіїв: 25 Гбайт для Blu-rау і 15 Гбайт для HD-DVD на один шар. Нові формати стануть актуальними, як тільки користувачі перейдуть на HD-телевізори, що підтримують розподіл аж до 1920x1080. Тут вже всі огріхи і слабкості сучасних DVD (MPEG2) стануть помітні неозброєним оком [6].