Филигранно точный лазер, бешено вращающийся шпиндель, способность считать десять фильмов с одного носителя — все это свойственно оптическому приводу. Жесткий диск заставляет восхититься гением инженерной мысли, но начинка оптического привода не менее сложна и уникальна. Требуется высококачественная система линз для правильного наведения лучика над «болванкой», стабильно функционирующие электронные схемы, которые следят за прожигом диска и считыванием информации, и многое другое.

В век транзисторов размером в несколько десятков нанометров и гигабайтных флэш-карт с ноготь громоздкие оптические приводы по-прежнему очень популярны. Лазерный диск — недорогой универсальный способ передачи информации. Портативные мини-винчестеры и флэш-карты все активнее заполняют прилавки, но 9,4 Гбайт DVD-диск обходится раз в сто дешевле гигабайтной «флэшки».

Еще одна весомая причина — музыкальные альбомы и новинки кино появляются исключительно на CD- и DVD-дисках. Отдельные компании пытаются продавать мультимедиа записи на специально защищенных от копирования флэш-картах, однако энтузиазма среди покупателей это не вызывает.

Как все начиналось

Принцип работы оптического привода и — отдаленно — жесткого диска и магнитофона позаимствован у фонографа.

Фонограф Эдисона: барабан с восковым покрытием — предок компакт-диска. Вместо лазера используется иголка.

Первый в мире прибор для записи и воспроизведения звука, если не считать музыкальных шкатулок, был представлен общественности Томасом Эдисоном 21 ноября 1877 года. Звук сохранялся на поверхности цилиндра в виде спиральной дорожки; глубина бороздки при этом пропорциональна силе звука. Считывающая игла движется по канавке и другой стороной давит на мембрану. Механические колебания преобразуются в электрические импульсы, которые проходят через усилитель и превращаются в звук.

Скорость вращения барабана достигала 78 об/мин. В действие он приводился вручную или с помощью пружины. Бороздки наносили сначала на фольгу, которая выдерживала от силы десяток циклов, а затем на более долговечное восковое покрытие. Длительность записи не превышала пары минут.

Изобретение Эдисона усовершенствовал в том же 1877 году Эмиль Берлинер. Он создал граммофон, где впервые носителем информации выступила эбонитовая пластинка — древний прообраз лазерного диска. Граммофоны получили огромное распространение. Появился портативный вариант — патефон. Следом был создан электрофон, который преобразовывал механические колебания в звук с помощью электрических импульсов.

Электрофон способен воспроизводить моно-, стерео- и квадрофонические записи. Поколение 60-80-х годов прошлого века еще слушало на нем альбомы Beatles и Rolling Stones. Сегодня электрофоны продолжают использовать в музыкальных клубах и студиях записи.

История невидимки

Методы считывания и записи информации с помощью лазера разработали сразу несколько исследовательских групп, но мир покорился Sony и Philips в начале 1980-х.

История не всегда бывает справедлива: ежегодно продается оптических приводов и дисков на сумму в несколько миллиардов долларов, но изобретатели не получают ни копейки. Так, физик Джим Рассел на десяток лет опередил обе компании. Ученый разработал фундамент оптической цифровой технологии хранения информации и даже создал прототипы.

В 1953 году были сделаны первые шаги — Джим в рамках работы на General Electric ввел в эксплуатацию компьютерную систему контроля ядерного реактора и электронно-лучевой сварочный аппарат. В 1965 году он использовал предыдущие достижения и объявил о начале работ над оптическим накопителем. Уже через год на счету Джима было 25 патентов в области цифровой оптической записи.

Первый образец оптического привода представили научной общественности в 1973 году. Затем последовала демонстрация технологии потенциальным покупателям. Джим записал на 78- и 127-миллиметровые диски со стеклянной основой несколько трансляций телешоу. По словам физика, представители Sony и Philips активно заинтересовались разработкой, однако отказались от дальнейших переговоров.

В 1977 году Sony и Philips объединились для создания единого цифрового оптического формата. Через два года началось создание цифрового аудиодиска. Продажи компакт-дисков начались в 1982 году с подачи Sony.

Потенциал инновации заметили сразу. За продвижение нового стандарта взялись гиганты вроде Microsoft и Apple Computer. Результат оправдал самые смелые прогнозы — в 1985 году с прилавков смели не 10 млн. носителей, как предполагалось, а все 59 млн. В 2002 же году ушло более 8 млрд. болванок.

Но вернемся к Джиму Расселу. Его затею спонсировал предприниматель Ели Якобс. В 1980 году бизнесмен создал компанию Digital Recording и пригласил Джима на работу. Ученый считал, что Sony и Philips использовали его запатентованные разработки для создания лазерных дисков. Однако юрист компании не видел шансов выиграть дело, и судебная тяжба так и не началась.

Век Digital Recording был короток, в 1985 году предприятие разорилось. Компанию приобрела фирма Optical Recording из Торонто. Джим остался в штате, а новые юристы охотно принялись терзать Sony и Philips. В 1988 году Optical Recording стала получать неплохие «отступные» от лидеров рынка, но звездный час Джима так и не пробил — его контракт истек годом раньше, и изобретатель подался в вольные хлеба.

Другой известный ученый — Дэвид Пол Грегг — запатентовал в 1961 году оптический диск для записи видео. Как и изобретения Джима, разработки Дэвида предвосхитили время. Компания MCA намеревалась использовать патенты Дэвида для создания нового стандарта. Но, как и у вышеупомянутой Digital Recording, судьба у MCA печальна.

Это вовсе не глаз Терминатора, а оптическая система. Лазерный диод испускает лазерный луч, падающий на компакт-диск.

Компания начала сотрудничество с Philips в 1975 году. Спустя три года публике представили долгожданный Laserdisc. MCA производила носители, Philips — плееры. Рынок холодно отреагировал на оптическую технологию, и затея быстро провалилась.

А что же Советский Союз? Неужели самая большая страна в мире могла оказаться не впереди планеты всей? Создание оптических дисков началось в 1975 году в ВНИИРПА им. C.А. Попова. Перед группой исследователей поставили задачу создать оптические технологии записи и воспроизведения звуковой информации студийного качества.

В стране было туго с «тонкой» техникой, в частности, с полупроводниковыми лазерами. Соотечественникам пришлось использовать 200-мм газовый лазер ЛГ-75. Перемещать махину было затруднительно, поэтому применили моторы, которые перемещали картридж с самим лазерным диском.

Прототип оптического проигрывателя Луч-002 представили на ВДНХ в 1980 году — раньше, чем Sony и Philips начали серийное производство. На диске советские ученые записали музыку из кинофильма «Мой ласковый и нежный зверь».

Производить приводы в СССР так и не начали. Ни у одного из предприятий не нашлось базы для выпуска полупроводниковых лазеров и необходимых механических компонентов. Финансирование проекта прекратилось.

Компакт-диск

Сегодня компакт-диски выглядят так же, как и двадцать лет назад. Изготавливаются носители из прозрачного поликарбоната, который покрывают тонким отражающим напылением алюминия, серебра или золота. Затем наносят защитный слой лака, чтобы полностью защитить от контактов с внешней средой и случайных повреждений.

На заметку: диаметр дисков — 120 мм, толщина — 1,2 мм. Выпускают также небольшие «болванки» (80 мм). Любой современный привод читает оба типа дисков.

Существует несколько версий, почему диаметр обычно компакт-диска равен именно 120 мм. По одной из них, директор Sony Акио Морита решил, что лазерные диски отлично подойдут ценителям классической музыки. В Японии провели опрос и выяснили, что наиболее популярное произведение — девятая симфония Бетховена, которая длится ровно 74 минуты. Любопытен вариант, следуя которому диаметр лазерного диска равен диагонали аудио-кассеты, символизируя преемственность. Но право на жизнь есть и у более жизненной версии — компакт-диск должен был помещаться в карман рубашки.

Стандартный компакт-диск вмещает 650 Мбайт (те самые 74 минуты) цифровой информации. В настоящее время широко распространены 700-мегабайтные (80 минут аудио) диски, выпускаются модели и по 800 Мбайт (90 минут аудио).

Формат хранения данных на аудиодиске называется Red Book (Красная книга). Его предложили специалисты из Philips. В этом формате можно записать двухканальный звук с 16-битной импульсно-кодовой модуляцией и частотой дискретизацией стереоканалов 44,1 КГц.

Всего разработали два режима считывания. Первый применялся для программных носителей и требовал запись избыточных битов кода Рида-Соломона. Они позволяют воспроизвести данные даже с поврежденного диска. Второй режим использовался с аудиодисками и справлялся без защитного кода.

Скорость считывания информации в первом режиме — 150 Кбайт/с; для обозначения скорости записи ввели параметр 1x. Привод со скоростью 36x считывает данные на 36x150 Кбайт/с (5400 Кбайт/с). Для сравнения — односкоростной DVD-диск считывается на скорости 1,32 Мбайт/с.

Постепенно компакт-диски стали использовать для видеофильмов, закодированных в MPEG, графических изображений и аудиодисков с текстовой информацией о композициях. Появились спецификации, которые описывают перезаписываемые и единожды записываемые диски.

Смену CD начали уже готовить в начале 1990-х. Развернулась борьба среди двух форматов — Multimedia Compact Disc от Sony и Philips, а также Super Disk, творения восьми участников, в числе которых были Toshiba и Time Warner. На помощь враждующим форматам пришла компания IBM. Повторение войны видеокассет VHS и Betacam не повторилось.

О совершенно новом формате лазерных дисков стало известно в сентябре 1995 года. В ноябре следующего года в Японии начались продажи DVD, через год диски пришли и на рынок США. Производители упорно разрабатывали собственные форматы, и в итоге появились «плюсовые» и «минусовые» диски — DVD+R и DVD-R, DVD-RAM и DVD-ROM. К счастью, проблемы совместимости были решены относительно быстро.

Внутри оптического привода

Информация на диске записана в виде спиральной дорожки на отражающем (железном) слое, который несет информацию в двоичном коде в виде ямок (pits) и участков ровной поверхности (flats). Данные считываются лазерным лучом.

Лазер может попадать на участки «flat» или «pit». В первом случае фотодектор регистрирует отраженный от поверхности металла луч, во втором — ничего. Для диска глубина ямки должна быть не больше одной шестой длины волны лазера (измеряется в сотнях нанометров). Соотносятся «pit» с компакт-диском — примерно как песчинка и стадион.

Анатомия оптического привода напоминает внутренности жесткого диска. На борту та же буферная память, шпиндель, электронные схемы и область, где записана прошивка — программа управления приводом. Подключение к системной плате происходит с помощью тех же интерфейсных кабелей (IDE, SATA) и стандартных шлейфов питания.

На лицевой панели любого привода в обязательном порядке находятся лоток механизма загрузки диска и неприметная дырочка. Предназначено отверстие для высвобождения диска, в случае если отключилось электричество или привод заклинило. Достаточно вставить иголку и надавить — лоток откроется.

Основные механические элементы: сервопривод отвечает за загрузку диска; движок служит для перемещения лазерной оптической системы, ну а шпиндель раскручивает компакт-диск. Лоток с диском заходит внутрь привода так, что шпиндель может встать в отверстие в середине компакт-диска. Оптическая система с лазером находится под диском.

Итак, шпиндель раскручивает носитель, и луч лазера начинает скользить по «питам» и «флэтам», считывая сохраненный двоичный код. Для переключения между дорожками используется движок. Оптическая система дополнительно регулируется четырьмя катушками и магнитами. При подаче тока на первую пару объектив оптической системы сдвигается вверх или вниз за счет магнитного поля. В результате меняется фокусировка. Вторые две катушки отвечают за горизонтальные смещения лазера, точно позиционируя систему на нужной дорожке компакт-диска.

«Блины» жесткого диска вращаются с постоянной угловой скоростью (CAV, Constant Angular Velocity). Компакт-диск же обычно раскручивают с переменной угловой скоростью, что обеспечивает фиксированную скорость считывания (CLV, Constant Linear Velocity), которая гарантирует постоянный поток данных. Считывание областей носителя у края диска проходит с уменьшенным числом оборотов, внутренних — с максимальной скоростью.

Современные приводы работают по-разному — могут крутить диск всегда с одной и той же частотой, что означает падение скорости при считывании дорожек у центра диска, а могут следовать фиксированной скорости считывания, регулируя частоту оборотов. Обретают популярность смешанные технологии (Zone-CAV) — диск разбивается на зоны, в каждой из которых соблюдается определенная частота вращения.

Если в характеристиках привода заявлена максимальная скорость CAV 32x, это означает, что производитель лукавит, — диск крутится всегда с одной и той же скоростью, максимальная скорость считывания 32x достижима лишь в некоторых областях. Если же в документации сказано, что чтение (или запись) ведется при CLV 16x, можно быть спокойным — скорость работы с данными будет 16x в любых областях.

Поступающего на устройство напряжения недостаточно для функционирования механических двигателей, поэтому все приводы включают чип усилителя напряжения. На «борту» присутствует флэш-память с записанной прошивкой — программой, которую использует микропроцессор привода для управления всеми элементами системы. Емкость микросхемы обычно не превышает 128 Кбайт. Повысить эффективность привода можно в домашних условиях, самостоятельно заменив прошивку. Скачать программку можно на веб-сайте производителя.

В любом оптическом приводе есть буфер. Он используется для временного хранения информации. Алгоритмы работы привода с собственной буферной памятью жизненно важны для прожига «болванок». Процесс записи диска должен идти непрерывно. Компьютер обязуется исправно поставлять идущую на запись информацию в буфер привода. Если случается казус и происходит опустошение буфера, то «испеченный» диск можно смело выкидывать. Впрочем, большинство современных приводов хвастаются фирменными технологиями защиты от опустошения буфера..

Выбираем привод

Сегодня выбрать привод не проблема. Практически любая современная модель способна считывать и прожигать все многообразие дисков. Тем не менее все еще можно увидеть обычные CD/DVD-приводы,

Внешние оптические приводы можно устанавливать как горизонтально, так и вертикально.

пишущие CD, комбо-приводы, которые прожигают обычные CD, но не умеют сохранять данные на DVD, большое распространение получили мультиформатные модели. Они способны записывать как CD, так и DVD, самые современные научились работать и с DVD-RAM.

В современных моделях используется ряд технологий для быстрого и надежного чтения и записи дисков. Приводы умеют гасить вибрации, самостоятельно выбирать стратегию прожига для каждой «болванки» и не боятся опустошения буфера. При выборе стоит присмотреться к заявленным технологиям. Каждый производитель называет технологию по-своему, на деле они различаются минимально. Любопытно, что некоторые приводы можно использовать для уничтожения дисков — лазер выжигает поверхность таким образом, что данные считать не удастся.

Появилась также уникальная возможность наносить рисунок на поверхность диска прямо в лотке. Для этого необходим Lightscribe-совместимый привод и диск с особым покрытием. Носитель вставляется этикеткой вниз, а лазер делает рисунок, который загружается из графического редактора. Стоимость таких приводов приемлема, но приобретать особого смысла нет — подобные «болванки» продаются не на каждом углу и стоят дороже. Проще использовать маркеры. Кстати говоря, на рынке присутствует аналог Lightscribe — технология Labelflash.

Внутренние приводы составляют в ширину стандартные 5,25 дюймов и стоят практически во всех ПК. Производят также приводы компактных размеров, которые отличаются меньшей толщиной, длиной и весом. Стоят они дороже, устанавливают их обычно в ноутбуки и компактные мультимедиа-центры. В последние годы распространение получили внешние приводы, которые можно подключать к включенному компьютеру через «горячие» порты USB, FireWire и eSATA. Внешние приводы требуют источник питания.

Дорогие и качественные оптические приводы выпускает компания Plextor. Производитель обещает долгий срок службы и выдающееся быстродействие. Отлично себя зарекомендовала компания NEC. Некоторые модели производителя оказались столь удачны, что интернет наводнили любительские сайты, которые описывают даже способы установки и преимущества различных прошивок! Внимания заслуживают приводы компаний BenQ, Lite-On, HP и LG. Несколько сдают позиции бывшие лидеры — Sony, Teac и ASUS.

Будущее сегодня

Не секрет, что на прилавки уже приходит новое поколение оптических дисков — Blu-ray и HD-DVD. Оба стандарта стали логичным развитием DVD. Диаметр дисков и толщина остались такими же — 120 мм и 1,2 мм. Не изменился и способ записи информации — «питы» и «флэты». Преимущества — значительно возросшая емкость носителей; 25 Гбайт для Blu-ray и 15 Гбайт для HD-DVD на один слой.

Новые форматы станут актуальны, как только пользователи перейдут на HD-телевизоры, поддерживающие разрешение вплоть до 1920x1080. Тут уже все огрехи и слабости современных DVD (MPEG2) станут различимы невооруженным глазом. На западном рынке уже началась продажа первых фильмов в высоком разрешении, в их числе, к примеру, все части «Матрицы» и «Миссия невыполнима-III».

Век голографии

Технологии оптической записи CD, DVD, Blu-ray и HD-DVD по сути одинаковы. Кардинально новое решение предлагает компания InPhase Technologies — способ голографического считывания и записи информации с помощью лазеров.

Главная особенность — невероятно высокая плотность записи

Новейшие приводы Philips способны прожигать и записывать три вида дисков — CD, DVD и Blu-ray.

(515 Гбит в 6,44 кв. см) и возможность использования носителей любых форм-факторов, хоть квадратных, хоть круглых. Чем толще диск — тем больше информации он вмещает.

InPhase Technologies продемонстрировала на выставке CES 2006 привод PolyTopic, способный считывать диск толщиной 1,5 мм с помощью 407-нм лазера. Скорость передачи информации варьируется от 20 Мбайт/c до 23 Мбайт/c. Откладывать дела в долгий ящик компания не намерена — к концу года в продажу должны поступить голографические приводы и диски емкостью от 300 Гбайт до 1,6 Тбайт. Стоить привод будет порядка 8000$.

Но будущее оптики не безоблачно. Человечество постепенно переходит к хранению информации в энергонезависимых микросхемах памяти, которые работают быстро, защищены надежным корпусом и не требуют много энергии. Устройства чтения и записи микросхем памяти прекрасно работают в условиях тряски и вибрации, в магнитных полях и при разных температурах. То есть в условиях, где жесткие диски и оптические приводы не способны работать в принципе.

Что касается архивного хранения информации, то и по сей день со своей задаче неплохо справляются магнитоленточные накопители и обычные винчестеры. Поэтому вполне возможно, что голография так и не найдет практического применения. Ну а пока мы понаблюдаем за битвой титанов — Blu-ray и HD-DVD!