Kas galėtų pagalvoti, kad mažas plastikinis diskas gali talpinti tūkstančius dainų ar ištisus filmus? CD ir DVD technologijos, kurios dar prieš porą dešimtmečių atrodė kaip mokslinė fantastika, šiandien gali atrodyti senoviškos, tačiau jų veikimo principai tebėra veikiantys. Šie optiniai diskai revoliucionizavo duomenų saugojimą ir iki šiol naudojami daugelyje sričių.
Optinio skaitymo pagrindai
CD ir DVD diskų širdyje slypi genialiai paprastas principas – informacija užkoduojama kaip mikroskopinės duobelės ir plokštumos polikarbonato paviršiuje. Šios duobelės, vadinamos „pitais”, išdėstyti spirale, kuri prasideda nuo disko centro ir vingiuoja link krašto. Jei ją ištiestumėte, CD disko spiralė būtų apie 5,77 kilometro ilgio!
Lazerio spindulys, nukreiptas į disko paviršių, atsispindi skirtingai nuo duobelių ir plokštumų. Kai spindulys pataiko į plokštumą (vadinamą „land”), jis atsispindi tiesiai atgal į jutiklį. Pataikius į duobelę, šviesa išsisklaido ir grįžta silpnesnė. Šis intensyvumo skirtumas ir formuoja skaitmeninį signalą – vienetus ir nulius.
Įdomu tai, kad duobelės nėra tikros duobelės fizine prasme. Jos formuojamos gamybos metu kaip iškilumai polikarbonato sluoksnyje, o „duobelėmis” vadinami todėl, kad žiūrint iš lazerio pusės (per skaidrų polikarbonatą), jos atrodo kaip įdubos.
CD technologijos evoliucija
Kompaktiniai diskai gimė 1982 metais kaip Philips ir Sony bendradarbiavimo rezultatas. Pirmieji CD buvo skirti tik muzikai ir galėjo sutalpinti 74 minutes garso įrašo – šis skaičius buvo pasirinktas ne atsitiktinai. Philips vadovas Kees Schouhamer Immink norėjo, kad viename diske tilptų visa Bethoveno 9-oji simfonija.
CD naudoja infraraudoną lazerį, kurio bangos ilgis yra 780 nanometrų. Duobelių plotis – vos 0,5 mikrometro, o atstumas tarp spiralės vijų – 1,6 mikrometro. Tokiu tikslumo lygiu viename kvadratiniame centimetre telpa apie 15 000 spiralės vijų!
Vėliau atsirado CD-R (įrašomi) ir CD-RW (perrašomi) diskai. CD-R naudoja organinį dažą, kuris keičia spalvą paveikus lazeriu – taip formuojamos „virtualios” duobelės. CD-RW diskuose naudojama fazės kaitos medžiaga, kuri gali keisti būseną iš kristalinio į amorfinį ir atgal, leisdama duomenis trinti ir perrašyti.
DVD proveržis ir technologiniai sprendimai
1997 metais pristatyti DVD (Digital Versatile Disc) diskai išsprendė pagrindinę CD problemą – ribotą talpą. Nors fiziškai DVD atrodo beveik identiškas CD, jo technologiniai sprendimai yra gerokai pažangesni.
Pagrindinis DVD pranašumas – mažesnis lazerio bangos ilgis (650 nm vietoj 780 nm). Tai leido sumažinti duobelių dydį iki 0,32 mikrometro pločio ir sutrumpinti atstumą tarp spiralės vijų iki 0,74 mikrometro. Rezultatas – septyniskart didesnė talpa nei CD.
DVD taip pat pristato daugiasluoksnę architektūrą. Vienpusis DVD gali turėti du duomenų sluoksnius, o dvipusis – net keturis. Antrajam sluoksniui pasiekti naudojamas tas pats lazeris, tik sufokusuojamas skirtingu atstumu. Apatinis sluoksnis yra pusiau skaidrus, todėl lazeris gali „prasiskverbti” iki viršutinio.
Skaitymo mechanizmo anatomija
DVD ar CD grotuvo širdyje veikia tikras precizijos mechanizmas. Lazerio diodas generuoja šviesą, kuri per prizmes ir lęšius nukreipiama į diską. Grįžtantis spindulys patenka į fotodetektorių, kuris konvertuoja šviesos intensyvumo pokyčius į elektros signalus.
Fokusavimo sistema nuolat koreguoja lazerio poziciją, kad spindulys būtų tiksliai sufokusuotas ant duomenų sluoksnio. Tai ypač svarbu DVD atveju, kur fokusavimo tikslumas turi būti mikrometrų lygmeniu. Sekimo sistema užtikrina, kad lazeris tiksliai seks spiralės liniją, kuri gali turėti mažus nukrypimus.
Disko sukimosi greitis nėra pastovus – jis keičiasi nuo 500 apsisukimų per minutę disko centre iki 200 apsisukimų krašte. Tai užtikrina pastovų duomenų skaitymo greitį visoje spiralės ilgyje. Šis metodas vadinamas CLV (Constant Linear Velocity) – pastovus linijinis greitis.
Klaidų taisymo sistemos
Optiniai diskai neišvengiamai susiduria su dulkėmis, įbrėžimais ir gamybos defektais. Todėl CD ir DVD naudoja pažangias klaidų aptikimo ir taisymo sistemas, kurios dažnai gali atkurti duomenis net iš gerokai pažeistų diskų.
CD naudoja dviejų lygių apsaugą: C1 ir C2 klaidų taisymą. Pirmasis lygis gali ištaisyti iki 220 iš eilės einančių pažeistų bitų, o antrasis – iki 3874 bitų. DVD sistema dar pažangesnė – ji naudoja Reed-Solomon klaidų taisymo kodą ir gali atkurti duomenis net praradus iki 2048 iš eilės einančių bitų.
Praktiškai tai reiškia, kad 1,2 mm ilgio įbrėžimas ant CD paviršiaus paprastai neturės jokio poveikio duomenų kokybei. DVD atveju tolerancija dar didesnė dėl mažesnių duobelių ir pažangesnės klaidų taisymo sistemos.
Gamybos technologijos ir kokybės aspektai
Komercinių CD ir DVD gamyba prasideda nuo stiklinio šablono kūrimo. Ant stiklo paviršiaus užpurškiamas fotojautrus sluoksnis, kuris eksponuojamas lazeriu pagal reikiamą duomenų šabloną. Po cheminio apdorojimo gaunamas šablonas su duobelių struktūra.
Šis šablonas naudojamas nikelio matricos kūrimui elektrolitinio nusėdimo būdu. Iš vienos matricos galima pagaminti tūkstančius diskų. Pats diskas formuojamas įpurškiant ištirpintą polikarbonatą į formą su matrica. Ant atvėsusio polikarbonato užpurškiama ploniausia aliuminio ar sidabro plėvelė, kuri atspindi lazerio šviesą.
Kokybės kontrolė apima duobelių geometrijos tikrinimą, atsispindėjimo koeficiento matavimą ir klaidų lygio analizę. Geri diskai turi turėti mažiau nei 220 C1 klaidų per sekundę ir praktiškai jokių C2 klaidų.
Praktinis panaudojimas ir ateities perspektyvos
Nors streaming technologijos iš dalies išstūmė optinius diskus iš kasdienio naudojimo, jie vis dar aktyviai naudojami archyvavimui, profesionaliam garso ir vaizdo įrašymui, programinės įrangos platinimui. Daugelis muzikos entuziastų teigia, kad CD kokybė vis dar pranoksta daugelį skaitmeninių formatų.
DVD technologija taip pat evoliucionavo į Blu-ray diskus, kurie naudoja mėlyną lazerį (405 nm bangos ilgis) ir gali sutalpinti iki 50 GB duomenų. Principas išlieka tas pats, tik dar labiau sumažinti duobelių ir padidintas tikslumas.
Archyvavimo srityje optiniai diskai išlieka svarbūs dėl ilgaamžiškumo – kokybiškas CD gali išlaikyti duomenis 50-100 metų, o tai pranoksta daugelį elektroninių saugojimo būdų. M-DISC technologija žada dar didesnį ilgaamžiškumą – iki 1000 metų.
Kodėl šie principai vis dar svarbūs
CD ir DVD technologijų supratimas atskleidžia, kaip genialūs inžinerijos sprendimai gali transformuoti informacijos saugojimą ir perdavimą. Šie principai – preciziškas optinis skaitymas, klaidų taisymas, daugiasluoksnė architektūra – formuoja pagrindą šiuolaikinėms technologijoms.
Holografiniai duomenų saugojimo metodai, kvantiniai skaitymo principai, net kai kurie dirbtinio intelekto algoritmai remiasi panašiais klaidų taisymo principais, kurie buvo išvystyti optiniams diskams. Lazerio fokusavimo technologijos, sukurtos CD grotuvams, šiandien naudojamos medicinos prietaisuose, pramonės įrenginiuose ir mokslinių tyrimų aparatūroje.
Suprasdami, kaip veikia šie „senoviški” diskai, geriau suvokiame ir šiuolaikines technologijas – nuo SSD diskų iki debesų saugyklų. Juk daugelis principų išlieka tie patys: duomenų kodavimas, klaidų taisymas, optimizuotas skaitymas. Tik vietoj lazerio ir duobelių naudojami elektronai ir tranzistoriai.