Компакт-диски (CD-ROM - compact disk read only memory) давно уже стали привычным предметом компьютерного обихода. На них записана музыка, игрушки, тексты, программы - все, что угодно. Сейчас компакт-диск - наиболее дешевое и удобное средство архивации данных (хотя DVD уже наступает компактам на пятки). Однако, несмотря на внешнюю простоту, компакт-диск несет в себе массу красивых технических решений, с которыми мы и познакомимся. Опять же, оптические носители следующих поколений - DVD и BluRay/HD-DVD - во многом основываются на наработках, полученных при создании CD-ROM, так что, поняв принцип работы одного из них, с остальными разобраться будет уже не сложно.

Генезис

Начнем мы, как водится, с краткой истории создания оптических дисков. Собственно, работу по целенаправленному созданию оптических видеодисков начала еще в 1969 году компания Philips. Прототипы подобной технологии создавались и до этого, так что Philips начинала отнюдь не на пустом месте. Впрочем, первая идея - печатать на диске миниатюрные кадры (как на кинопленке) посредством фотографического или литографического процесса - была быстро забракована. После этого разработчики обратились к другой, уже существовавшей, технологии, грампластинкам, и попытались записывать видеоданные при помощи колебаний спиральной дорожки. Данные при этом записывались, конечно, уже не кадрами, а отдельными строками телевизионной развертки. Однако снимать сигнал механически, иглой - как на проигрывателе, было уже нельзя - при микронных размерах дорожки диск мгновенно изнашивался. Тогда разработчики и пришли к идее бесконтактного съема информации с диска при помощи лазерного луча, благо, примерно в это время были созданы компактные полупроводниковые лазеры. Тогда же было принято решение записывать данные в цифровой форме. Чуть позже проекты разделились - в недрах Philips отдельно от лазерного видеодиска началась разработка лазерного аудиодиска, позднее получившего название Compact Disk по аналогии с магнитной компакт-кассетой. В 1978 году инженеры Philips представили первый прототип CD-плеера. Само устройство получилось относительно небольшим, но для его работы требовался почти кубометр различной электроники. Именно с этим прототипом специалисты из Philips отправились к японцам из Sony - вырабатывать окончательный стандарт нового аудионосителя.

В результате совместной работы двух монструозных корпораций в 1980 году вышла так называемая "красная книга" - спецификация аудио-CD, действующая до сих пор. В числе прочих в ней была стандартизована и длина записи на компакт-диске: 74 минуты. Первоначально Philips сделала диск длиной 1 час. Откуда же взялась эта цифра? Директор проекта со стороны Sony - Норио Ога (Norio Ohga) - был любителем классической музыки и предложил, чтобы размер диска позволял полностью уместить на него девятую симфонию Бетховена. Самый длинный вариант исполнения, найденный в архивах, играл как раз в течение 74 минут. Так что диаметр диска пришлось увеличить с 11.5 до 12 см. После принятия спецификации дело оставалось за малым - надо было только выпустить законченный коммерческий продукт. Первый CD-плеер от Sony - CDP-101 - появился в 1982 году и стоил по тем временам немало: целых $900.

Ну а до прихода компакт-дисков в компьютерную индустрию было уже рукой подать. В компьютерном мире быстро поняли, что компакты могут стать уникальным хранилищем любой информации, а не одной только музыки. После чего в 1983 году был принят стандарт "желтая книга" - для дисков с данными. Однако этот стандарт оказался не очень "стандартным", так как диски разных производителей были несовместимы друг с другом. Вся эта неразбериха в конечном итоге привела к принятию спецификаций (ISO 9660 или High Sierra - в 1985 году) на цифровые диски, практически покончивших с проблемой несовместимости. Поначалу продукт этот тоже был не из дешевых и массовых. Автор в свое время был счастливым обладателем Multimedia Kit от Creative, состоявшего из звуковой карты SoundBlaster и двухскоростного CD-ROM'а. Причем драйв подключался к специальному разъему на звуковой карте, а вставлялась вся эта роскошь в могучий по тем временам IBM PC 286. Стоило такое удовольствие $300.

Устройство

А теперь от воспоминаний о временах не столь отдаленных перейдем к техническим подробностям. Как же устроен компакт-диск? Основа - обычный диск из прозрачной пластмассы (она называется поликарбонатом). На нее напылен слой металла (в большинстве случаев алюминия) толщиной 50-100 нанометров. Сверху металл покрыт лаком (слой примерно в 10-30 микрон), на котором напечатано название диска и прочая полиграфия. Для чего нужен лак? Чтобы защитить металлическую пленку от окисления. Ведь окислившись, она перестанет отражать свет - и диск можно выбрасывать. Поэтому на дисках не рекомендуется писать маркерами с едкими чернилами, наклеивать метки клеем (особенно на основе ацетона) и, естественно, царапать. Последнее относится не только к верхней части диска, но и к ребру - там слой лака герметично "запечатывает" металлизацию. Нижнюю поверхность не рекомендуется царапать по другой причине - это может вызвать сбои в системе фокусировки лазера, и диск не будет читаться или будет читаться с ошибками.

Информация на диске представлена в виде последовательности "ямок", или питов (pit), и горок (land). Луч лазера по-разному отражается от них, и в результате мы получаем цепочку нулей и единиц - двоичное представление информации (на самом деле это не совсем правильно, но об этом позже). Весь этот рельеф штампуется на диск со стеклянной матрицы, а уже потом на него напыляют отражающий слой. Ямки и горки образуют одну спиральную дорожку - как на грампластинке, только намного длиннее (около 5 километров). Ширина такой дорожки определяется шириной ямок и составляет 0.5 микрона. Длина ямок варьируется от 0.8 до 3.6 микрон. Расстояние между соседними оборотами дорожки - 1.6 микрона. Чтобы лучше почувствовать размеры, представьте себе компакт-диск, увеличенный до размеров стадиона. Так вот, в этом случае отдельная ямка по размеру будет не крупнее песчинки. Вся поверхность диска, не являющаяся ямкой, будет одной большой горкой. Плотность записи при этом получается порядка 1 килобайта на сантиметр длины дорожки и примерно 600 дорожек на миллиметр радиуса. При всем том, мелкие повреждения поверхности не приводят к потере информации, что говорит об очень высокой помехоустойчивости записи.

Работает все это следующим образом. Чтение данных производится с помощью полупроводникового инфракрасного (длина волны - 780 нм) лазера. Лазер светит на диск, и его луч отражается от металлического слоя. После этого отраженный свет попадает на фотодиодный приемник, который преобразует свет в напряжение. Так мы получаем нужную нам последовательность нулей и единиц. Тут надо отметить, что широко распространенное мнение о том, что ямки на диске соответствуют нулям, а горки - единицам (или наоборот), неверно. На самом деле единица кодируется как переход от ямки к горке или от горки к ямке. Это делается следующим образом: длина волны лазера в поликарбонате (пластмассовой основе диска с показателем преломления 1.55) составляет примерно 500 нм. Глубина ямки около 25 нм. Вспомните оптику: если две когерентные волны приходят в противофазе, то они интерферируют и ослабляются. Глубина ямки как раз равна четверти длины волны, значит свет, отразившийся от ямки, ослабит свет, отразившийся от горки (деструктивная интерференция, однако). В результате яркость отраженного света резко упадет - значит, здесь логическая единица. Если же луч отражается нормально (не важно, от горки или от ямки), то получаем ноль. Такой способ записи требует специальной кодировки, о чем немного позже. Кстати, диаметр луча на поверхности диска составляет 800 микрон (такому пятну не страшны мелкие царапины и загрязнения), а на поверхности металла он "ужимается" до 1.7 микрон (этого вполне достаточно, чтобы различить отдельные ямки).

Чтобы лазерный луч мог правильно передать информацию, записанную на диске, он должен быть точно сфокусирован на металлическом слое. Фокусное расстояние объектива в считывающей головке постоянное (несколько миллиметров), значит, надо все время следить за шириной промежутка между объективом и диском. Система автофокусировки в CD-накопителях решена весьма изящно, но останавливаться на ней мы не будем. Вообще, устройство современного CD-накопителя является своего рода инженерным шедевром. Он прост (а значит, дешев и надежен), надежен (то есть может долго работать отнюдь не в лабораторных условиях с самыми разными дисками) и при том обеспечивает хорошую плотность записи. Наверное, у людей такое же чувство в свое время вызывали первые механические часы.

Итак, с физической стороной записи и чтения мы, можно считать, разобрались. Но если вы думаете, что на этом все сложности кончаются, то глубоко ошибаетесь. Логическая сторона записи, то есть подготовка и кодирование данных, здесь важнее, чем физическая основа. Дело в том, что как бы ни были хороши диск и накопитель, ошибки все равно будут встречаться. Причем не единичные - для аудиокомпактов нормальным считается уровень до 200 ошибок в секунду. Так что логическая сторона записи данных занимает в стандартах намного большее место, чем физическая.

Продолжатели традиций

Однако перед тем как окунуться в дебри кодирования 14-на-8 и алгоритмов коррекции ошибок, посмотрим, чем принципиально отличаются от старого заслуженного CD-ROM современный носитель DVD. А, в общем-то, на физическом уровне отличается он не так уж сильно. Принципы записи и чтения остаются теми же (штамповка ямок и отражение лазерного луча). Одинаковые размеры и материал - диаметр 120 мм, толщина 1.2 мм, прозрачный пластик поликарбонат (правда, в случае DVD диск склеен из двух слоев пластика толщиной 0.6 мм - это обеспечивает дополнительную защиту рабочему слою и дает возможность делать двусторонние диски). Главное отличие - в длине волны лазера и, соответственно, в характерном размере элементов записи. В CD, как уже говорилось, используется инфракрасный 780-нанометровый лазер. В DVD же применяется красный лазер (650 нм). Меньшая длина волны позволяет плотнее размещать информацию на DVD-диске. Посмотрите на рисунок. Это микрофотография поверхностей CD- и DVD-дисков в одинаковом масштабе. Результат, как видите, налицо. В числовом же выражении (см. таблицу) разница выглядит следующим образом (для DVD: SL обозначает однослойный диск, DL - двухслойный): то есть, только за счет уменьшения линейных размеров элементов записи (которое, в свою очередь, получилось за счет уменьшения длины волны лазера и более точной фокусировки) получается повышение плотности записи примерно 4.5 раза. Если добавить к этому другие технические хитрости, то мы как раз и получим современный объем DVD-диска.

Что касается BluRay, то главная разница, опять же, в лазере. В новом приводе используется тот самый полупроводниковый синий лазер, за создание которого последние годы боролись разработчики оптических дисков следующего поколения. Длина волны лазера составляет 405 нанометров, а размеры элементов записи, соответственно, приведены в таблице. Между BluRay, DVD и HD DVD имеются и другие отличия, но их сравнение заслуживает отдельной статьи.

(Продолжение следует)

Константин АФАНАСЬЕВ