Журнал `Компьютерра` №757

ТЕХНОЛОГИИ: Красный, синий, голубой…

Автор: Юрий Ревич

Возможно, как и винчестеры на основе магнитной записи, оптические диски будут постепенно вытесняться твердотельными носителями. Но до их полного ухода в отставку еще далеко: по крайней мере в одной области - тиражирования музыки и кино - они пока вне конкуренции. В общем-то, и конкуренции никакой нет: если не считать прямых продаж через Интернет, альтернатива оптике здесь попросту отсутствует.

Поэтому развитие оптических технологий хранения информации издавна находилось под присмотром медиаиндустрии, хотя киностудии и лейблы всегда меньше влияли на техническую сторону дела, чем им хотелось бы. Вознамерившись исправить ситуацию и целиком поставить функциональность новых носителей Blu-ray и HD DVD под свой контроль, медиабизнес добился лишь беспрецедентной задержки выхода этих технологий на рынок - как минимум на два года. Есть мнение, что индустрия вообще промахнулась: подобно тому, как высококачественный звук в формате DVD-Audio остался уделом исчезающе малого процента меломанов, а всеобщую популярность завоевал "ущербный" MP3 и его аналоги, так и суперкачественные фильмы с высоким разрешением на носителях Blu-ray вполне могут остаться лишь дорогой игрушкой для ценителей кино. Особенно если учесть, с одной стороны, ограничения на копирование, дискриминацию по зонам и прочие сложности, которые медиаиндустрия упорно продвигает в рамках взятого ей курса на "борьбу с пользователями", а с другой - все расширяющийся сектор интернет-продаж, где компактность играет не последнюю роль.

Попытаемся отвлечься от всех этих надуманных проблем и подойти к вопросу с чисто технической стороны: а что, собственно, нам предлагают и как это работает? Для начала посмотрим, как вообще устроены оптические носители и каковы их основные потребительские свойства.

При чтении луч лазера по-разному отражается от впадин и выпуклостей, что фиксируется чувствительным фотодатчиком через фокусирующую линзу. Последняя находится на подвижной оси, аналогично головкам жесткого диска, и может, подобно им, подстраивать свое положение по максимуму сигнала. Скорость работы системы управления фокусирующей линзы такова, что эффективно отслеживаются вертикальные биения диска даже при значительных скоростях вращения. Однако свыше 4000–5000 об./мин. (что соответствует скоростям чтения 48–52х) диски раскручивать нецелесообразно: из-за неизбежной при массовом производстве несбалансированности дисков и возникающих при этом вибраций, качество чтения начинает падать в среднем уже при скоростях выше 40х. Периодическое "завывание" скоростных приводов обусловлено тем, что они ищут оптимальный режим чтения: свыше некоторой скорости процесс замедляется из-за того, что приходится делать слишком много повторов для исправления ошибок. Так что если у вас есть возможность, то лучше сразу ограничивать "аппетиты" привода с помощью программ ограничения максимальной скорости (приблизительно до 32–40х) - "завываний" станет значительно меньше, а время готовности диска даже снизится.

Простейший оптический способ хранения информации, когда нули-единицы кодируются выпуклостями и впадинами на прозрачном (первоначально стеклянном) диске придуман голландским физиком Классом Компааном в 1969 году. В следующем году Компаан совместно с инженером Питом Крамером из компании Philips завершил изготовление прототипа, и инженеры пришли к необходимости использования лазерного луча для чтения информации. Привычный пластмассовый компакт-диск родился позднее - в 1977 году Mitsubishi, Hitachi и Sony представляют на Токийской выставке первый прототип аудиодиска, а в следующем году Philips предлагает в качестве основы компакт-диска применять и поныне используемый поликарбонат. В 1981 году с подачи Sony и Philips был принят первый Compact Disk Standard, известный ныне как CD-DA.

Первые компакт-диски были предназначены исключительно для распространения музыки. Согласно легенде, емкость аудио-CD (74 минуты 33 секунды звучания), выпущенного на рынок совместно компаниями Sony и Philips в 1982 году, была обусловлена вкусами супруги исполнительного директора Sony, очень любившей классическую музыку: именно столько длится 9-я симфония Бетховена. Разумеется, это не более чем легенда: емкость скорее всего выбиралась так, чтобы соответствовать времени звучания стандартных музыкальных альбомов, выпускавшихся тогда на виниловых пластинках.

Компакт-диски унаследовали от винила не только объем, но и способ записи: единой концентрической дорожкой, только от центра к краям, а не так, как на виниле (и, заметим, на магнитных дисках), - от края к центру. При этом читающий лазер следует за дорожкой, подобно игле звукоснимателя на традиционном проигрывателе.

Далее сходство заканчивается: в отличие от винила, на компакт-диск записываются цифровые данные. Согласно стандарту так называемого CD-качества, которое, говорят, устраивает абсолютное большинство слушателей, звук оцифровывается с частотой 44,1 тысяча отсчетов в секунду, каждый из которых записывается в двухбайтном формате (то есть с 65536 градациями уровня сигнала). Проделав элементарные арифметические операции, вы обнаружите, что для передачи такого потока данных нужен канал не менее 86 Кбайт/с, а для стерео - более 170 Кбайт/с. Так что формальная величина "однократной" (1х) скорости для CD, равная 150 Кбайт/с, на самом деле означает 176400 байт/с - именно с такой скоростью данные записываются, а также поступают из привода в программу воспроизведения. Легко также подсчитать, что аудиодиск должен содержать около 750 Мбайт "чистых" данных.

Реально же количество информации на CD еще много больше, так как данные пишутся не напрямую: каждые 8 бит кодируются специальным 14-битным кодом EFM (Eight-to-Fourteen Modulation - кодировка 8 в 14). 24 таких "символа" данных образуют звуковой кадр, содержащий 6 отсчетов (сэмплов) левого канала и 6 отсчетов правого канала (по 16 бит каждый). К каждому кадру добавляется 8 бит коррекции ошибок (используется так называемый помехозащитный код Рида-Соломона) и один служебный, что в сумме дает 33-битный кадр. С учетом того, что каждый "символ" разделяется тремя битами, общее число "символов" в кадре составляет 588. Такие кадры, как легко подсчитать, исходя из частоты дискретизации 44,1 кГц, идут со скоростью 7350 раз в секунду. 98 кадров образуют единовременно считываемую единицу: звуковой сектор, содержащий 2352 байта данных. Общий поток "физических" данных при скорости 1х, с учетом кодов коррекции и служебных байт, составляет 4,3 Мбит/с.

Такой подход позволяет не очень заботиться об ошибках при записи и чтении. Так, наличие царапин на традиционном аудио-CD до некоторого предела никак не сказывается ни на качестве звука, ни на стабильности воспроизведения: использование кодов коррекции позволяет исправить до 3500 групповых ошибок подряд (занимающих на диске зону около 2,5 мм вдоль дорожки). Другое дело - диски с данными (Data CD), где ошибки недопустимы, и количество полезной информации еще меньше. Величина 650 Мбайт полезной информации, характерная для дисков с данными, получается потому, что в них используется еще один дополнительный в сравнении с аудиодиском уровень коррекции ошибок, на который приходится тратить часть дискового пространства: из упомянутых 2352 байт в каждом секторе аудиодиска, Data CD использует лишь 2048 байт (величина, кратная 512 байтам, образующим сектор на жестком диске).

Заметим, кстати, одно свойство аудиодисков: информация с них должна поступать с совершенно определенной, точно заданной скоростью, зависящей в первую очередь от скорости вращения, которую приходится повышать в областях, расположенных ближе к центру диска, и снижать к краям (полный диапазон изменения угловой скорости - примерно вдвое). Упреждающее чтение с накоплением информации в буфере, что позволило практически избавиться, в частности, от джиттера (заметных на слух дефектов воспроизведения из-за неравномерности поступления цифровой информации), стали использовать позднее - сначала приводы еле успевали воспроизводить то, что поступало в реальном времени. Первые приводы CD вообще не "умели" читать аудиоданные с диска в цифровой форме с точностью до бита, ведь небольшие сбои и пропуски в аудиопотоке на слух незаметны. Так что копию "бит в бит" аудиодиска с помощью этих приводов было сделать невозможно, что очень устраивало производителей.

Заметим в скобках, что истоки монополии лейблов, за которую они так яростно сражаются и по сей день, именно оттуда: при почти полном отсутствии средств качественного копирования музыки[ В этом отличие ситуации 1960–80-х годов за рубежом и в нашей стране, где рынок в области поп- и рок-музыки, по сути, отсутствовал и большинство записей у нас распространялось путем аналогового копирования - вполне незаконного с сегодняшней точки зрения. Большинство же зарубежных бытовых моделей магнитофонов-плееров вообще линейного входа для записи не имели; к тому же процедура довольно сложна с точки зрения рядового зарубежного "чайника" и приводит к заметному снижению качества, так что в условиях насыщенного западного рынка попросту была нецелесообразна. По этим причинам наличие на рынке некоторого количества моделей магнитофонов с возможностью записи лейблы тогда совершенно не беспокоило.] пользователь был вынужден покупать что дают - например, целый альбом ради одного хита. Странно только, что лейблы посчитали такую ситуацию вечной и были страшно удивлены, когда с распространением цифровых средств копирования пользователи стали поголовно отказываться покупать музыку "оптом", предпочитая набирать "синглы" по собственному вкусу.

Существует два режима записи дисков: DAO и TAO. Название первого расшифровывается как "диск за один раз" (Disk-at-once). Такие диски еще называют односессионными, так как весь диск записывается за один прием, без выключения лазера. Одна сессия, впрочем, не означает наличие только одной звуковой дорожки - в современных дисках дорожек (треков, Tracks) обычно столько, сколько записывается отдельных аудиокомпозиций. Это удобно и при записи, и при обратном преобразовании (каждый файл оригинала соответствует своему треку), и с точки зрения контроля за пользователями, которые вечно норовят все куда-нибудь скопировать (для каждого трека можно проконтролировать длительность и составить контрольную сумму, с помощью которой ее легко в дальнейшем "отловить" в пиринговых сетях). Естественно, какой-нибудь концерт может быть растянут и на весь объем диска - тогда и трек всего один.

В процессе записи в режиме DAO важно, чтобы поток данных, поступающих в привод, не прерывался, иначе "болванка" (даже перезаписываемая) может быть испорчена навсегда. Не все старые компьютеры справлялись с таким требованием, да и по сей день при записи на высоких скоростях не рекомендуется в процессе работы привода запускать другие приложения. На ПК последних моделей (с большим количеством оперативки и особенно использующих скоростные интерфейсы приводов типа SATA) можно, впрочем, об этом не задумываться.

Чтобы обойти жесткие ограничения на равномерность поступления данных, был придуман режим TAO - "дорожка за один раз" (Track-at-once). В этом режиме, называемом еще мультисессионным, лазер выключается каждый раз, когда записывается очередная дорожка. С этим связаны потери - примерно 12–14 Мбайт лишних данных на каждую сессию, плюс два ghost-сектора в конце каждой сессии (предназначенных для исключения проблем при стыковке сессий)[Отметим, что в разное время пытались придумывать "безразрывные" технологии записи с промежуточной остановкой лазера, в основном для предотвращения порчи болванок при записи на больших скоростях. Типичные примеры - Burn-Proof от Sanyo или Safe Burn от Yamaha. Они, однако, не прижились - слишком сложны в реализации, в то время, как страховка от исчерпания буфера при записи ныне обеспечивается просто возросшим быстродействием компьютеров.]. Кроме того, не все старые приводы могут воспринимать мультисессионные диски. Зато гораздо меньше проблем с записью - в случае чего испорченную дорожку можно просто исключить из рассмотрения, пожертвовав некоторым объемом диска, да и процесс записи можно растянуть хоть на несколько дней, дописывая очередные треки.

Каждая сессия помечается при записи на диске специальными метками, lead-in в начале, и lead-out - в конце. Если метка lead-out не стоит, то такая сессия называется незакрытой, и на диск можно дописывать данные в других сессиях. Чтобы мультисессионный диск корректно проигрывался во всех устройствах, последнюю сессию надо закрыть (для аудиоформата это обязательное условие). Естественно, штампованные диски выпускаются всегда записанными в режиме DAO.

CD представляет собой диск из поликарбоната диаметром 120 мм и толщиной около 1,2 мм, с отверстием диаметром 15 мм в центре. Существует и стандарт на 80-миллиметровые мини-диски. Простейший незаписываемый компакт-диск фабричного производства изготавливается по технологии, во многом напоминающей производство виниловых пластинок. Сначала делается эталонный диск из стекла, рисунок будущих дорожек на котором вытравливается плавиковой кислотой, что очень похоже на изготовление печатных плат. Со стеклянного эталона методом гальванопластики изготавливают никелевые матрицы, с помощью которых путем литья под давлением штампуют копии.

Отдельные биты при этом получаются в виде углублений (pits, часто их по-русски так и называют питами), соответствующих логической единице, и промежутков между ними (иногда их называют выпуклостями - bumps), соответствующих логическому нулю. Расположена дорожка питов на верхней стороне прозрачной подложки из поликарбоната, на которую напылением затем наносят отражающий слой (из алюминия или золота). Длина питов 0,83…3,1 мкм, ширина 0,4 мкм, глубина 0,12…0,2 мкм, расстояние между витками спиральной дорожки 1,6 мкм (часто упоминают, что это примерно в 50 раз меньше толщины человеческого волоса). Отражающий слой сверху покрывают защитным лаком и надпечатывают или наклеивают картинку. Штампованные CD - самые долговечные (особенно "золотые"), считается, что они могут хранить информацию более тридцати лет.

Чуть сложнее устроен однократно перезаписываемый диск CD-R: между прозрачной основой-подложкой и отражающим слоем (для последнего здесь часто используют серебро, как компромисс между недолговечностью алюминия и дороговизной золота) находится специальный информационный слой из вещества, которое под действием нагревания становится непрозрачным. В процессе записи в приводе используют тот же лазер, что и при чтении: его мощность повышают так, чтобы он прогревал нужный участок до достаточной температуры там, где на диске должна записаться логическая единица. Для облегчения формирования дорожки при записи на CD-R в процессе изготовления болванки осуществляется предварительная разметка - рельеф, содержащий метки кадров и биты синхронизации, записанные с пониженной амплитудой и впоследствии перекрываемые записываемым сигналом.

С проигрыванием CD-R (и тем более CD-RW, о которых далее) на бытовых плеерах долгое время возникали проблемы, связанные как с мультисессионным режимом записи (см. врезку), так и с физикой: с меньшей разницей в количестве отраженного света между прозрачными-непрозрачными участками, чем у системы выпуклостей-впадин традиционного штампованного диска. Это происходило потому, что чувствительность фотодатчиков дешевого плеера или привода настраивалась один раз на заводе, на "среднепотолочное" значение контраста отражающего слоя (иногда такие приводы отказывались читать даже штампованные "золотые" диски - из-за меньшего коэффициента отражения золота в сравнении с алюминием). Читающие системы современных плееров "умеют" адаптироваться под нужный контраст, и проблемы эти возникают разве что при использовании совсем уж некачественных болванок.

Разумеется, стойкость CD-R будет меньше, чем у штампованного диска: информация может стираться как при нагревании или при прямом действии солнечных лучей, так и при воздействиях различных химических веществ. Впрочем, все оптические диски имеют слабую стойкость к "химии": агрессивные пары, например, кислот, особенно охотно "пожирают" алюминий, а растворители могут повреждать подложку (поэтому не вздумайте стирать надписи фломастером с поверхности диска жидкостью для снятия лака с ногтей - только чистым бензином или спиртом). И если вы хотите, чтобы данные хранились долго, то храните диски в темноте, удаленными от нагревательных приборов и возможного воздействия химических веществ.

Еще менее стойкими получаются перезаписываемые диски - CD-RW. Это происходит в силу самого принципа их устройства: для изготовления информационного слоя используются вещества, которые под действием нагревания могут менять состояние с кристаллического на аморфное и обратно. Простейшими примерами таких веществ в быту служат мед или густое варенье - в начальном, аморфном, состоянии они прозрачны, а с течением времени в сиропе начинают расти кристаллы, отчего продукт "засахаривается". Мед или варенье можно вернуть в аморфное состояние нагреванием, прокипятив баночку с продуктом на водяной бане. Точно так же "работают" и вещества, используемые в информационном слое CD-RW, только с прозрачностью у них обстоит дело наоборот: в кристаллическом (исходном) состоянии они прозрачны, а под действием интенсивного теплового излучения лазера с последующим быстрым охлаждением мутнеют, переходя в аморфную фазу. При этом для них оказывается необходимой специальная операция стирания, когда пит нагревается (но не так сильно, как при записи), и медленно охлаждается, отчего вещество успевает закристаллизоваться.

Из этого описания видно, что CD-RW должны быть не слишком долговечными. И действительно, для долговременного хранения данных (больше четырех-пяти лет) их не рекомендуется использовать - процессы кристаллизации в информационном слое у них самопроизвольно идут даже в темноте. Процессы эти гарантированно замедляются при охлаждении - но рекомендаций хранить RW-диски в холодильниках, подобно магнитным лентам, я что-то не встречал, видимо потому, что это никому не нужно, для долговечных архивов можно попросту использовать более стойкие CD-R-болванки.

Продолжение следует