114647 (Фізичні основи роботи комп’ютера), страница 8

Зараз компанія Samsung спільно з Microsoft готує проміжну ланку – гібридний диск (HHD, Hybrid Hard Disk). Накопичувач – звичайний жорсткий диск, а флеш-пам'ять виконує функцію буфера, знижуючи навантаження на механіку. Більшу частину часу шпіндель крутитиметься на знижених обертах, набираючи штатну швидкість лише в моменти перевантаження буфера. Можна чекати, що гібридний диск стане споживати значно менше енергії і працювати швидше за традиційні жорсткі диски [5].

Не дивлячись на явне технічне застарівання, HDD можуть супроводити нас ще впродовж багатьох десятиліть. Так, наприклад, котушкові накопичувачі на магнітних стрічках до цих пір активно застосовуються для архівації даних в крупних компаніях. Жорсткі диски цілком можуть прийти на зміну магнітній стрічці в галузі зберігання величезних масивів інформації...

2.4.8 Перпендикулярний Hitachi

Hitachi (рис. 2.18) не відстає від лідерів індустрії жорстких дисків. Компанія представила модель Travelstar 5K160 для ноутбуків місткістю 160 Гбайт і швидкістю шпінделя 5400 об/хв. Цей жорсткий диск використовує метод перпендикулярного запису для нанесення інформації на пластини, а також головку другого покоління, що знаходилася на стадії тестування з 2004 року.

Рисунок 2.18 – Hitachi Travelstar 5K160

Метод перпендикулярного запису повинен був стати перехідною технологією від старого методу запису до лазерних носіїв, але, судячи з усього, затримається. У перспективі цей метод дозволить нанести до 500 Гбайт даних на квадратний дюйм [5].

2.5 Прилади, в яких використовується лазер

2.5.1 Мирний лазер

Філігранно точний лазер; шпіндель, що скажено обертається; здатність зчитувати десять фільмів з одного носія – все це властиво оптичному приводу. Жорсткий диск примушує захопитися генієм інженерної думки, але начинка оптичного привода не менш складна і унікальна. Потрібна високоякісна система лінз (рис. 2.19) для правильного наведення промінця над «болванкою», стабільно функціонуючі електронні схеми, які стежать за пропаленням диска і зчитуванням інформації, і багато що інше. У століття транзисторів розміром в декілька десятків нанометрів і гігабайтних флеш-карт з ніготь, громіздкі оптичні приводи як і раніше дуже популярні. Лазерний диск – недорогий універсальний засіб передачі інформації. Портативні міні-вінчестери і флеш-карти все активніше заповнюють прилавки, але 9,4 Гбайт DVD-диск обходиться раз в сто дешевше гігабайтної «флешки». Ще одна вагома причина – музичні альбоми і новинки кіно з'являються виключно на СD- і DVD-дисках. Окремі компанії намагаються продавати мультимедіа записи на спеціально захищених від копіювання флеш-картах, проте ентузіазму серед покупців це не викликає [6].

Рисунок 2.19 – Оптична система: лазерний діод випускає промінь, котрий падає на компакт-диск

2.5.2 Як все починалося

Принцип роботи оптичного привода і – віддалено – жорсткого диска і магнітофона запозичений у фонографа. Перший в світі прилад для запису і відтворення звуку, якщо не враховувати музичних шкатулок (рис. 2.20), був представлений громадськості Томасом Едісоном 21 листопада 1877 року. Звук зберігався на поверхні циліндра у вигляді спіральної доріжки; глибина борозенки при цьому була пропорційна силі звуку. Читаюча голка рухається канавкою і іншою стороною тисне на мембрану. Механічні коливання перетворюються на електричні імпульси, які проходять через підсилювач, і перетворюються на звук. Швидкість обертання барабана досягала 78 об/хв. У дію він приводився уручну або за допомогою пружини. Борозенки наносили спочатку на фольгу, яка витримувала від сили десяток циклів, а потім на більш довговічне воскове покриття. Тривалість запису не перевищувала пари хвилин. Винахід Едісона удосконалив в тому ж 1877 році Еміль Берлінер. Він створив грамофон, де вперше носієм інформації виступила ебонітова пластинка – стародавній прообраз лазерного диска. Грамофони набули величезного поширення. З'явився портативний варіант – патефон. Услід був створений електрофон, який перетворював механічні коливання в звук за допомогою електричних імпульсів. Електрофон здатний відтворювати моно-, стерео- і квадрофонічні записи. Покоління 60-80-х років минулого століття ще слухало на ньому альбоми Beatles і Rolling Stones. Сьогодні електрофони продовжують використовувати в музичних клубах і студіях запису [6].

Рисунок 2.20 — Фонограф Едісона: барабан з восковим покриттям – предок компакт-диска. Замість лазера використовується голка

2.5.3 Історія невидимки

Методи зчитування і запису інформації за допомогою лазера розробили відразу декілька дослідницьких груп, але світ підкорився Sony і Philips на початку 1980-х. Історія не завжди буває справедливою: щорічно продається оптичних приводів і дисків на суму в декілька мільярдів доларів, але винахідники не отримують ні копійки. Так, фізик Джим Рассел на десяток років випередив обидві компанії. Вчений розробив фундамент оптичної цифрової технології зберігання інформації і навіть створив прототипи. У 1953 році були зроблені перші кроки – Джим в рамках роботи на General Electric ввів в експлуатацію комп'ютерну систему контролю ядерного реактора і електронно-променевий зварювальний апарат. У 1965 році він використав попередні досягнення і оголосив про початок робіт над оптичним накопичувачем. Вже через рік на рахунку Джима було 25 патентів в галузі цифрового оптичного запису. Перший зразок оптичного привода представили науковій громадськості в 1973 році. Потім відбулася демонстрація технології потенційним покупцям. Джим записав на 78- і 127-міліметрові диски з скляною основою декілька трансляцій телешоу. За словами фізика, представники Sony і Philips активно зацікавилися розробкою, проте відмовилися від подальших переговорів. У 1977 році Sony і Philips об'єдналися для створення єдиного цифрового оптичного формату. Через два роки почалося створення цифрового аудіодиска. Продажі компакт-дисків почалися в 1982 році з подачі Sony [6].

Потенціал інновації відмітили відразу. За просування нового стандарту узялися гіганти, такі як Microsoft і Apple Computer. Результат виправдав найсміливіші прогнози – в 1985 році з прилавків було зметено не 10 млн. носіїв, як передбачалося, а всі 59 млн. У 2002 ж році пішло більше 8 млрд. болванок. Але повернемося до Джима Рассела. Його дослідження спонсорував підприємець Єлі Якобс. У 1980 році бізнесмен створив компанію Digital Recording і запросив Джима на роботу. Вчений вважав, що Sony і Philips використали його запатентовані розробки для створення лазерних дисків. Проте юрист компанії не бачив шансів виграти справу, і судова тяжба так і не почалася. Вік Digital Recording був коротким, в 1985 році підприємство розорилося. Компанію придбала фірма Optical Recording з Торонто. Джим залишився в штаті, а нові юристи охоче почали терзати Sony і Philips. У 1988 році Optical. Recording стала отримувати непогані «відступні» від лідерів ринку, але зоряна година Джима так і не пробила – його контракт закінчився роком раніше, і винахідник подався на вільні хліби. Інший відомий учений – Девід Пол Грегг – запатентував в 1961 році оптичний диск для запису відео. Як і винаходи Джима, розробки Девіда випередили час. Компанія МСА мала намір використати патенти Девіда для створення нового стандарту. Але, як і у вище згаданого Digital Recording, доля у МСА сумна. Компанія почала співпрацю з Philips в 1975 році. Через три роки публіці представили довгоочікуваний Laserdisc. МСА виробляла носії, Philips (рис. 2.21) – плеєри. Ринок холодно відреагував на оптичну технологію, і вигадка швидко провалилася.

Рисунок 2.21 –Новітні приводи Philips ; вони здатні пропалювати і записувати три види дисків – CD, DVD та Blu-ray

А що ж Радянський Союз? Невже найбільша країна в світі могла опинитися не попереду всієї планети? Створення оптичних дисків почалося в 1975 році у ВНІІРПА ім. С.О. Попова. Перед групою дослідників поставили завдання створити оптичні технології запису і відтворення звукової інформації студійної якості. У країні було скрутно з «тонкою» технікою, зокрема, з напівпровідниковими лазерами. Співвітчизникам довелося використовувати 200-мм газовий лазер ЛГ-75. Переміщати махину було важко, тому застосували мотори, які переміщали картридж з самим лазерним диском. Прототип оптичного програвача Промінь-002 представили на ВДНГ в 1980 році – раніше, ніж Sony і Philips почали серійне виробництво. На диску радянські учені записали музику з кінофільму «Мій ласкавий і ніжний звір». Виробляти приводи в СРСР так і не почали. У жодного з підприємств не знайшлося бази для випуску напівпровідникових лазерів і необхідних механічних компонентів. Фінансування проекту припинилося [6].

2.5.4 Компакт-диск

Сьогодні компакт-диски виглядають так само, як і двадцять років тому. Виготовляються носії з прозорого полікарбонату, який покривають тонким напиленням алюмінію, срібла або золота, що відбиває. Потім наносять захисний шар лаку, щоб повністю захистити від контактів із зовнішнім середовищем і випадкових пошкоджень.

До уваги: діаметр дисків – 120 мм, товщина – 1,2 мм. Випускають також невеликі «болванки» (80 мм). Будь-який сучасний привод читає обидва типи дисків.

Існує декілька версій, чому діаметр компакт-диска зазвичай рівний саме 120 мм. За однією з них, директор Sony Акіо Моріта вирішив, що лазерні диски чудово підійдуть цінителям класичної музики. У Японії провели опитування і з'ясували, що найбільш популярний твір – дев'ята симфонія Бетховена, яка триває рівно 74 хвилини. Цікавий варіант, відповідно до якого діаметр лазерного диска дорівнює діагоналі аудіокасети, символізуючи спадкоємність. Але право на життя є і у більш життєвої версії – компакт-диск повинен був поміщатися в кишеню сорочки. Стандартний компакт-диск вміщає 650 Мбайт (ті самі 74 хвилини) цифрової інформації. Зараз широко поширені 700-мегабайтні (80 хвилин аудіо) диски, випускаються моделі і по 800 Мбайт (90 хвилин аудіо). Формат зберігання даних на аудіодиска називається Red Book (Червона книга). Його запропонували фахівці з Philips. У цьому форматі можна записати двоканальний звук з 16-бітовою імпульсно-кодовою модуляцією і частотою дискретизації стереоканалів 44,1 кГц. Всього розробили два режими зчитування. Перший застосовувався для програмних носіїв і вимагав запис надмірних бітів коду Ріда-Соломона. Вони дозволяють відтворити дані навіть з пошкодженого диска. Другий режим використовувався з аудіодисками і справлявся без захисного коду. Швидкість зчитування інформації в першому режимі – 150 Кбайт/с; для позначення швидкості запису ввели параметр 1х. Привод із швидкістю 36х прочитує дані на 36x150 Кбайт/с (5400 Кбайт/с). Для порівняння – одношвидкісний DVD-диск прочитується на швидкості 1,32x Мбайт/с. Поступово компакт-диски стали використовувати для відеофільмів, закодованих в MPEG, графічних зображень і аудіодисків з текстовою інформацією про композиції. З'явилися специфікації, які описують перезаписувані і один раз записувані диски. Зміну CD почали вже готувати на початку 1990-х. Розвернулася боротьба серед двох форматів – Multimedia Compact Disc від Sony і Philips, а також Super Disc, творіння восьми учасників, в числі яких були Toshiba і Time Warner. На допомогу ворогуючим форматам прийшла компанія IВМ. Повторення війни відеокасет VHS і Betacam не повторилось [6]. Про абсолютно новий формат лазерних дисків стало відомо у вересні 1995 року. У листопаді наступного року в Японії почалися продажі DVD, через рік диски прийшли і на ринок США. Виробники наполегливо розробляли власні формати, і у результаті з'явилися «плюсові» і «мінусові» диски – DVD+R і DVD-R, DVD-RAM і DVD-ROM. На щастя, проблеми сумісності були вирішені відносно швидко.

2.5.5 Усередині оптичного привода

Інформація на диску записана у вигляді спіральної доріжки на металевому шарі, що відбиває світло, який несе інформацію в двійковому коді у вигляді ямок (pits) і ділянок рівної поверхні (flats). Дані прочитуються лазерним променем.

Лазер може потрапляти на ділянки «flat» або «pit». У першому випадку фотодетектор реєструє відбитий від поверхні металу промінь, в другому – нічого. Для диска глибина ямки повинна бути не більше однієї шостої довжини хвилі лазера (вимірюється в сотнях нанометрів). Співвідносяться «pit» з компакт-диском – приблизно як піщинка і стадіон.

Анатомія оптичного привода нагадує нутрощі жорсткого диска. На борту та ж буферна пам'ять, шпіндель, електронні схеми і ділянка, де записана прошивка – програма управління приводом. Підключення до системної плати відбувається за допомогою тих же інтерфейсних кабелів (IDE, SATA) і стандартних шлейфів живлення.

На лицьовій панелі будь-якого привода (рис. 2.22) в обов'язковому порядку знаходяться лоток механізму завантаження диска і непримітна дірочка. Призначений отвір для вивільнення диска, у випадку якщо відключилася електрика або привод заклинило. Досить вставити голку і натиснути – лоток відкриється.

Основні механічні елементи: сервопривод відповідає за завантаження диска; повзун служить для переміщення лазерної оптичної системи, ну а шпіндель розкручує компакт-диск. Лоток з диском заходить всередину привода так, що шпіндель може встати в отвір в середині компакт-диска. Оптична система з лазером знаходиться під диском.

Отже, шпіндель розкручує носій, і промінь лазера починає ковзати по «пітам» і «флетам», прочитуючи збережений двійковий код. Для перемикання між доріжками використовується повзун. Оптична система додатково регулюється чотирма котушками і магнітами. При подачі струму на першу пару, об'єктив оптичної системи зрушується вгору або вниз завдяки магнітному полю. В результаті змінюється фокусування. Другі дві котушки відповідають за горизонтальні зсуви лазера, точно позиціонуючи систему на потрібній доріжці компакт-диска.

«Млинці» жорсткого диска обертаються з постійною кутовою швидкістю (CAV, Constant Angular Velocity). Компакт-диск же зазвичай розкручують зі змінною кутовою швидкістю, що забезпечує фіксовану швидкість зчитування (CLV, Constant Linear Velocity), яка гарантує постійний потік даних. Зчитування ділянок носія біля краю диска проходить із зменшеним числом обертів, внутрішніх, – з максимальною швидкістю.