Що дозволило збільшити ємність DVD-диска при тому ж розмірі носія

0 Comments

Використання двох променів дозволить записувати на DVD-диск петабайт даних

Близько 90% всієї цифрової інформації у світі було створено за останні два роки, що породжує природне запитання про те, як це все зберегти. Нова техніка дозволить збільшити ємність DVD-диска з 4,7 гігабайт до одного петабайта (1000 терабайт). Це еквівалентно 10,6 рокам відео високої роздільної здатності або 50 000 фільмів високої роздільної здатності.

У 1873 році німецький фізик Ернст Аббе опублікував закон, що обмежує ширину світлових променів.

Згідно з цим законом, діаметр променя, отриманого шляхом фокусування світла допомогою лінзи, не може бути менше половини довжини своєї хвилі – близько 500 нанометрів для видимого світла.

У своєму дослідженні вчені змогли обійти це фундаментальне обмеження за допомогою методу двох променів різних кольорів, який може прийти на зміну поширеному сьогодні однопроменевому методу.

При накладанні цих променів, вони нейтралізують один одного. Форму одного з цих променів можна описати як коло або пончик. Накладаючи його на промінь, що здійснює запис, від останнього залишається лише маленька крапка посередині.

Нова техніка дозволяє створювати крапку розміром 9 нанометрів. Цей оптичний прийом значно збільшить ємність диска, завдяки зменшенню розміру крапок, які виконують роль бітів, на диску.

Оскільки у даній техніці задіяні звичайні оптичні та лазерні елементи, то вона є економічно доцільною і портативною, дозволяючи розробляти оптичні пристрої зберігання інформації з довгим терміном служби і низьким енергоспоживанням. Ця платформа може стати ідеальним рішенням для великих датацентрів.

Що дозволило збільшити ємність DVD-диска при тому ж розмірі носія

Зовнішня пам’ять комп’ютера або ЗЗП – важлива складова частина електронно-обчислювальної машини, що забезпечує довгочасне зберігання програм і даних на різних носіях інформації. ЗЗП можна класифікувати із цілого ряду ознак: за видом носія (рис.13.1) , за типом конструкції, за принципом запису й зчитування інформації, за методом доступу і т.д. При цьому під носієм розуміється матеріальний об’єкт, здатний зберігати інформацію.

Рисунок 13.1 — Класифікація ЗЗП за типом носія інформації

Властивості зовнішньої пам’яті :

  • ЗЗП энергонезалежна, цілісність її вмісту не залежить від того, включений або виключений комп’ютер.
  • На відміну від оперативної пам’яті, зовнішня пам’ять не має прямого зв’язку із процесором.

До складу зовнішньої пам’яті входять:

  • НЖМД – накопичувачі на твердих магнітних дисках.
  • НГМД – накопичувачі на гнучких магнітних дисках.
  • НОД – накопичувачі на оптичних дисках (компакт-дисках CD-R, CD-RW, DVD).
  • НМЛ – накопичувачі на магнітній стрічці (стримеры).
  • Карти пам’яті.
  • Накопичувачі – це запам’ятовуючі пристрої, призначені для тривалого (тобто не залежного від електроживлення) зберігання великих обсягів інформації

Накопичувачі складаються із двох конструктивних елементів. Перший – носій, яий є, так званою, «базою зберігання». Другий – привод, який служить «зв’язковим елементом», завдяки чому ми можемо зчитувати або записувати інформацію на ЗЗП.

До того ж можна привести ще одну класифікацію, згідно з якою ЗЗП діляться на два класи, залежно від доступу до даних:

В інформатиці послідовний доступ означає, що доступ до групи елементів (наприклад, дані в пам’яті, на диску або на магнітній стрічці) здійснюється в заздалегідь заданому порядку. Послідовний доступ іноді є єдиним способом звернутися до даних, як, наприклад, до записів на магнітній стрічці. Крім того, іноді це може бути всього лише одним з методів доступу до даних, наприклад, ми можемо віддати перевагу цей спосіб якщо ми хочемо обробити послідовність елементів даних по порядку.

Прямий доступ до пам’яті – режим обміну даними між пристроями або ж між пристроєм і основною пам’яттю (RAM) без участі Центрального Процесора (ЦП). В результаті швидкість передачі збільшується, так як дані не пересилаються в ЦП і назад.

13.2 Стримери

Стримери (Tape Drive) – пристрій зберігання даних на магнітній стрічці, є розповсюдженим засобом архівації даних (рис.13.2). Вони належать до категорії пристроїв зберігання Off-Line, для них характерним є дуже великий час доступу, обумовлений послідовним методом доступу, середня швидкість обміну й велика ємність носія – від сотень мегабайт до декількох гігабайт.

Рисунок 13.2 — Стример

13.2.1. Базові способи запису

Існує два базових методи занесення інформації на магнітну стрічку в стримерах :

  • лінійний магнітний запис;
  • похило – рядковий магнітний запис.

Лінійний магнітний запис. При використанні даного методу, дані записуються на стрічку у вигляді декількох паралельних доріжок. Стрічка має можливість рухатися в обох напрямках. Зчитуюча магнітна головка під час читання нерухома, також як і записуюча під час запису. По досягненні кінця стрічки зчитуюча/записуюча головка зсувається на наступну доріжку, а стрічка починає рухатися в протилежному напрямку. Технологія по суті аналогічна побутовому аудіомагнітофону. Можливе застосування декількох головок, які працюють з декількома доріжками одночасно (багатодоріжковий стример). У сучасних пристроях цей метод домінує.

Похило – рядковий магнітний запис. Якщо використовується даний метод, то блок головок запису/відтворення (БГЗВ) розміщується на барабані, що обертається, повз якого механізм протягує стрічку, при читанні і запису. Запис при цьому ведеться в одному напрямку. Залежно від формату запису стрічка проходить навколо БВГ під деяким кутом, причому вісь самого циліндра БГЗВ також нахилена під невеликим кутом до стрічки. Стрічка при записі/читанні рухається в одному напрямку. Даний спосіб запису припускає наявність похилих доріжок на поверхні стрічки. Аналогічна технологія застосовується в відеомагнітофонах. Похило – рядковий метод був винайдений, щоб домогтися більш високої щільності запису, ніж при лінійному методі, без необхідності зменшення зазору в голівках і збільшення швидкості руху стрічки (проте в даний час ці технічні обмеження подолані і в рамках лінійного методу).

13.2.2. Сучасні стандарти

Існують стандарти: QIC, TRAVAN, DDS, DAT і DLT.

QIC (Quarter Inch Cartridge) відрізняється низькою швидкодією, тому що підключається до інтерфейсу накопичувачів на гнучких дисках. Існують касети обсягом від 40 Мб до 13 Гб.

TRAVAN розроблений на основі QIC, залежно від обсягу інформації, на яку розрахована касета (400-4000 Мб) використовує контролер накопичувача на магнітних дисках або SCSI-2 (для касет обсягом 4000 Мб).

DSS (Digital Data Storage) і DAT (Digital Audio Tape) стандарти розроблені фірмою Sony і використовуються для цифрового аудио й відео запису.

DLT – найсучасніший стандарт, з’явився в середині 90-х років. Накопичувачі, що використовують цю технологію, можуть зберігати 20-40 Гб даних. Сумарна ємність стрічкових бібліотек побудованих на основі Dlt-Касет може досягати 5 Тб.

13.3 Магнітооптика

Магнітооптичний привод являє собою накопичувач інформації, в основу якого покладений магнітний носій з оптичним (лазерним) керуванням. Існують наступні формати магнітооптичних дисків: Однобічні 3,5”, Двосторонні 5,25”, 2.5” диски MD Data, розроблені фірмою Sony, 1.2” диски фірми Maxell

Звичайно, оптичні накопичувачі значно випереджають магнітооптичні у швидкості запису й обсягах збережених даних але, на жаль, значно програють їм у надійності зберігання даних.

Нагрівання носія відбувається сфокусованим променем лазера , а запис – магнітної голівкою. Зчитування даних виконується при звичайній температурі також за допомогою променя лазера , але вже меншої потужності.

МО- накопичувачі використовують інтерфейс SCSI або SCSI- 2; випускаються у вбудованому та зовнішньому варіанті, крім звичайних дисководів існують так звані «оптичні бібліотеки» з автоматичною зміною дисків. Важливою особливістю магнітооптичних накопичувачів є підвищена надійність зберігання даних, у тому числі за тривалістю – не менше 10 років без перезапису (для звичайних магнітних накопичувачів вона обмежується п’ятьма роками). При цьому кількість допустимих перезаписів даних на один носій становить один мільйон разів. Це робить їх вельми перспективним засобом архівації і тривалого зберігання даних.

В якості носіїв інформації в МО використовуються магнітооптичні диски. Магнітооптичний диск складається з декількох шарів різних матеріалів. Основними з них є магнітооптичний шар, що складається з матеріалу з вищеописаними властивостями, і відображаючий шар, який підвищує відбивну здатність диска. Як матеріал підкладки використовується прозорий полікарбонат. Підкладка є основою диска і зверху покривається прозорим захисним шаром , який оберігає диск від механічних пошкоджень. Товщина підкладки складає 1,2 мм. Магнітний шар створюється на основі порошку з сплаву кобальту , заліза і тербия . З двох сторін він оточений діелектричними шарами , які виконуються з прозорого полімеру і захищають диск від перегріву , а також збільшують ефект поляризації при зчитуванні . Далі йдуть відображаючий шар (створюється шляхом нанесення матеріалу з алюмінію або золота) і захисний шар.

13.4 Оптична технологія

13.4.1. CD-диски

Найпоширенішим представником цього сімейства є СD-ROM. Його характерезують такі показники. У порівнянні з вінчестером він надійніше в транспортуванні. CD-ROM має більшу ємність, порядку 700Мб. CD-ROM практично не зношується.

CD-ROM є, в основному, адаптацією компакт-дисків цифрових аудіозаписуючих систем. Цифрові дані записуються на диск, використовуючи спеціальний записуючий пристрій, який наносить мікроскопічні ямки на поверхні диска. Інформація, закодована за допомогою цих ямок, може бути прочитана просто шляхом реєстрації зміни відображення (ямки будуть темніше, чим поверхня блискучого сріблястого диска). Як тільки CD-ROM буде відштампований за допомогою пресів, дані вже не можуть бути змінені, поглиблення будуть вічні.

Активний шар виготовляють із органічних сполук: цианіну (Cyanine) і його похідній – фталоцианіну (Phtalocyanine).

Вимоги до світловідбиваючого шару CD-R, у порівнянні зі штампованими дисками, досить високі через наявність шару, що реєструє. Тому для виготовлення шару, що відбиває, використовуються більш дорогі матеріали – промислове золото й срібло, – а також складні сплави.

У цей час для виготовлення світловідбиваючого шару використовують срібло, тому що цей матеріал дешевше й має більш високий коефіцієнт відбиття. Найчастіше робоча поверхня буває прозорої, темно-синього або ясно-зеленого кольору. Термін служби таких дисків, залежно від матеріалу виготовлення, становить від 10 до 100 років.

На противагу незмінним дискам (CD-R), перезаписувані оптичні пристрої (CD-RW) виконують саме те, що випливає з їхньої назви. Дані можуть бути записані на такі диски у формі, яка дозволяє їхнє оптичне зчитування. Ідея оптичних перезаписуваних носіїв змусила різних виробників почати розвиток, принаймні, трьох технологій – барвних полімерів, фазових змін і магнітооптики, дві з яких дозволили забезпечити високу щільність зберігання, можливу тільки на оптичних носіях, а третя дала потенційну можливість розбудовувати ці носії в напрямку забезпечення перезаписи збережених даних. У системах з барвним полімером підфарбований внутрішній шар знебарвлюється від нагрівання лазером. У системах зі зміною фази, матеріал, який використовується для запису, може бути у вигляді правильних кристалічних ґрат або у вигляді хаотично розташованих молекул, при цьому його відбивна система змінюється. Недолік перезаписуваних дисків, заснованих на перших двох принципах – старіння робочого матеріалу, третього – невисока швидкість запису.

Під час «прожигу» ( запису диска) промінь лазера нагріває ділянки проміжного шару. При наступному охолодженні ці ділянки переходять із кристалічної форми в аморфну. Якщо інформацію з CD-RW необхідно стерти, промінь лазера нагріває проміжний шар менш інтенсивно, і аморфні ділянки кристалізуються.

13.4.2. DVD-диски

Компакт-диск стандарту DVD має такі ж розміри (4,75”), як і CD, але має більшу ємність. Для того щоб досягтися шести-семиразового збільшення щільності зберігання даних у порівнянні з CD-R(RW), потрібно було змінити дві ключові характеристики записуючих пристроїв: довжину хвилі записуючого лазера й відносний отвір об’єктива, який його фокусиує. У технології CD-R застосовується інфрачервоний лазер з довжиною хвилі 780 нанометрів (нм), у той час як DVD-R(RW) використовує червоний лазер з довжиною хвилі або 635, або 650 нм. У той же час, відносний отвір об’єктива типового пристрою CD-R(RW) рівно 0,5, а пристрою DVD-R(RW) – 0,6. Такі характеристики апаратури дозволяють наносити на диски DVD-R(RW) мітки розміром усього лише 0,40 мкм, що набагато менше мінімального розміру мітки CD-R(RW) – 0,834 мкм.

DVD є носієм, який може містити будь-який тип інформації, який звичайно розміщається на дисках, що масово випускаються, DVD: відео, аудио, зображення, файли даних, мультимедійні додатки і так далі. Залежно від типу записаної інформації диски DVD-R і DVD-RW можна використовувати на стандартних пристроях відтворення DVD, включаючи більшість дисководів DVD-ROM і програвачів Dvd-video.

13.4.3. Blu-Ray

Blu-Ray – це формат оптичного носія, що використовується для зберігання відео і комп’ютерних ігор у форматі високої чіткості. Диски Blu-ray, що прийшли на зміну DVD, забезпечують якість зображення рівня Full HD. За основу технологічної розробки був прийнятий новий стандарт , що передбачає зчитування інформації за допомогою синього лазера (рис.13.3). Для технології DVD стали застосовувати лазер з коротшою довжиною хвилі 650 або 635 нм, і це дозволило збільшити ємність. У стандартному вигляді було досягнуто рекордне на той час значення в 4,38 Мб.

Рисунок 13.3 — Ілюстрація відмінностей в технологіях оптичних носіїв

Двошаровість досягається за рахунок впровадження напівпрозорого шару, який прозорий для світла з одного довжиною хвилі і відбиває світло іншої довжини хвилі. При цьому геометричні розміри DVD- дисків залишилися такими ж як і у CD , що дозволило випускати гібридні пристрої, здатні відтворювати як звичайні компакт -диски , так і DVD. Рекордна ємність DVD- дисків стала дорівнювати 15,9 Гб (по 7,95 Гб на кожну сторону двошарового диска).

Ємність таких носіїв інформації складає 1 Гб. Ця розробка призначається для користувачів портативних пристроїв і мобільних телефонів. Але якщо ми зараз говоримо про Blu- Ray- диску (BD) , то маємо на увазі прийнятий стандарт – розміри як у CD ( 120 мм у діаметрі) , ємність – 27 Гб.

13.5 Флэш-пам’ять

З появою флэш-пам’яті виробники електроніки одержали можливість без особливих проблем і витрат оснастити свої пристрої новим типом накопичувачів. Були наявними вигоди – низьке енергоспоживання, висока надійність (через відсутність деталей, що рухаються ), довготривале збереження інформації (від 20 до 100 років), і стійкість до зовнішніх впливів і навантаженням.

13.5.1. Флеш-память

Флеш- пам’ят ь (рис.13.4) зберігає інформацію в масиві польових транзисторів, що звуться комірками (англ. cell). Розрізняють два типи комірок: однорівневі (англ. single-level cell, SLC) — кожна з них може зберігати лише один біт, і багаторівневі (англ. multi-level cell, MLC) — можуть зберігати більше одного біта, використовуючи різний рівень електричного заряду на плаваючому затворі транзистора.

Рисунок 13.4 — Flash-накопичувач

Відмінності між SLC і MLC є не лише в об’ємі інформації, що зберігається, але й в циклах перезапису. Сьогодні типова кількість циклів запису в SLC складає близько 100 тисяч. Але якщо ви вважаєте, що SLC = 2MLC, і життєвий цикл MLC в районі 50 тисяч, то помиляєтесь. Це було б вірно для пам’яті з довільним доступом, але флеш-память не є такою. У результаті MLC витримують всього 10 тисяч циклів запису, після чого будуть доступні лише для читання. Є, прав­да, відхилення в обидві сторони, а найбільш зносостійкі чіпи сьогодні (20 тисяч гарантованих циклів запису) виробляє Toshiba.

Окрім відмінностях в типах комірок існує і два види архітектури пам’яті, побудованих за різними принципами.

NOR архітектура — в основі цього типа флеш-пам’яті лежить елемент АБО—НІ (англ. NOR), В NOR-архітектурі до кожного транзистора необхідно підвести індивідуальний контакт, що збільшує розміри схеми. Ця проблема вирішується за допомогою новішої NAND-архітектури.

NAND архітектура — в основі NAND-типа лежить елемент І-НІ (англ. NAND). Принцип роботи такий же, від NOR типа відрізняється лише розміщенням комірок і їх контактами. В результаті вже не потрібно підводити індивідуальний контакт до кожної комірки, так що розмір і вартість NAND-чіпа може бути істотно менша. Також запис і стирання відбуваються скоріше. Проте ця архітектура не дозволяє звертатися до довільної комірки.

Флеш-пам`ять може бути вмонтована в мобільний пристрій, а може бути переносною (це і є карта пам’яті, flash-накопичувач) і використовуватися в декількох пристроях (наприклад, флеш-карта мобільного телефону може бути прочитана на звичайному комп’ютері). В даний час мікросхеми флеш-пам’яті випускають більше 50 компаній по всьому світу.

13.5.2. Карти пам’яті

Відрізняються від флеш-карт ще більш компактним розміром, та типом роз’єму підключення (рис.13.5) :

Рисунок 13.5 — Основні типи карт пам’яті

1 = MMC Plus (Multimedia Card)

2 = SD Mini (Secure Digital)

3 = SD Micro (Secure Digital)

4 = MMC Mobil (Multimedia Card)

5 = MS Pro (Memory Stick Pro)

6 = MS Pro Duo (Memory Stick Pro Duo)

7 = RS MMC (Multimedia Card)

8 = SM (Smart Media)

9 = CF (Compact Flash)

10 = SD (Secure Digital)

У технічному описі будь-якого мобільного пристрою зараз вказується тип використовуваної флеш-пам’яті. При придбанні мобільного пристрою (або переносної флеш-карты до мобільного пристрою) має сенс купувати найпоширеніші на ринку флеш-карти (інакше можуть виникнути проблеми сумісності флеш-карт з яким-небудь пристроєм). Для найпоширеніших типів флеш-карт існують адаптери, які дозволять застосовувати флеш-карту в ширшому спектрі пристроїв.

При всьому різноманітті карт флеш-пам’яті, можна виділити 7 основних типів :

CompactFlash, скорочено CF, випускаються двох типів – CF type I і CF type II. Завдяки тому, що швидкісна межа інтерфейсу карт CompactFlash досить висока, і, що найпривабливіше, легко і просто піддається збільшенню, а також тому, що у них фактично немає конкурентів по ємкості і за ціною, цей стандарт залишається найпопулярнішим і перспективнішим, не дивлячись на більший в порівнянні з іншими картами розмір (42*36*4 мм.). На думку фахівців, CompactFlash є зараз найбільш універсальним типом флеш-карт і може використовуватися в багатьох пристроях.

IBM Microdrive – ще один пристрій, що є не зовсім “картою” пам’яті, формату Compact Flash type II власне, це повноцінний жорсткий диск об’ємом до гігабайта. Така “карта” стоїть дешевше звичайних за рахунок дешевшого носія, проте через це ж її надійність нижча, та і енергії Microdrive потрібна більше звичайного, що є причиною його обмеженої сумісності – він працює далеко не у всіх пристроях, нехай навіть і з роз’ємом CF type II.

SmartMedia – дуже дешева і ультратонка (завтовшки всього три чверті міліметра) флеш-карта. Низька ціна досягається за рахунок граничний простій конструкції, проте і мінуси в наявності – не настільки висока захищеність інформації від випадкового стирання.

Multimedia Card (MMC) – основна вигідність цього типа – мініатюрність і максимально низьке енергоспоживання, але при цьому досить низька швидкість читання і запису. Розмір стандартної карти 24x32x1,4 мм, укороченою 24x18x1,4 мм. Використовується в мобільних телефонах і інших мініатюрних пристроях.

SecureDigital (SD) – її розмір дещо більше MMC, але швидкість читання і ємкість значно вищі. Ціна, відповідно, дорожче.

MICROSD – основна відмінність від SD – це крихітний розмір. Останнє як в SD.SD і MMC зворотньо сумісні, тобто картки MMC можна вставити і використовувати в роз’ємі для карт SD, а ось навпаки зробити знову не вийде. Втім, зараз майже всі пристрої обладнані саме роз’ємом SD (найчастіше він навіть називається SD/MMC).

MemoryStick – розробка фірми Sony. Розмір 24*32/1,4 (2,1) мм, досить високий захист інформації, швидкість читання і запису порівнянні з SecureDigital (SD), але ємкість невисока.

13.6 Голографічні пристрої

Голографічний запис, занонсований ще в 2001 році компанією Inphase Technologies, дозволяє записати на диск стандартного розміру до 1,6 терабайта даних. Для запису промінь лазера розділяється на опорний і сигнальний потоки, останній обробляється за допомогою просторового світлового модулятора (Spatial Light Modulator — SLM). Цей пристрій перетворить призначені для зберігання дані, що полягають із послідовностей 0 і 1, в “шахове поле” світлих і темних крапок – кожне таке поле містить близько мільйона біт інформації.

Після перетинання опорного променя й проекції ” шахової дошки” утворюється голограма, і на носій проводиться запис інтерференційної картини. Змінюючи кут нахилу опорного променя, а також довжину його хвилі або положення носія, на ту саму площу можна записати кілька різних голограм одночасно – цей процес називається мультиплексуванням . Для читання даних досить освітити диск відповідним опорним променем і “прочитати” зріз голограми за допомогою сенсора. Так і відновлюються вихідні біти інформації. Крім обсягів зберігання, у технології вражають і інші характеристики. Так, наприклад, заявлена швидкість передачі даних становить 960 мегабит у секунду.

Звичайно ж, Maxel і Inphase Technologies – далеко не єдині компанії, що працюють на ниві голографічного запису даних. У Японії подібні пристрої збирається випускати фірма Optware. До речі, мешканці Країни Висхідного Сонця навіть сформували для просування цього стандарту альянс (HVD Aliance), до складу якого входять такі гіганти, як Fujifilm.