Как устроен cd диск
FAQ по звуковым компакт-дискам (CD-DA)
Все права в отношении данного текста принадлежат автору. При воспроизведении текста или его части сохранение Copyright обязательно. Коммерческое использование допускается только с письменного разрешения автора.
Как устроен компакт-диск?
Конструкция диска CD-DA (Compact Disk - Digital Audio, компакт-диск - цифровой звук) и способ записи звука на нем описывается стандартом предложивших его фирм Sony и Philips, изданным в 1980 году под названием Red Book (Красная Книга).
Стандартный компакт-диск (CD) состоит из трех слоев: основы, отражающего и защитного. Основа выполнена из прозрачного поликарбоната, на котором методом прессования сформирован информационный рельеф. Поверх рельефа напыляется металлический отражающий слой (алюминий, золото, серебро, другие металлы и сплавы). Отражающий слой покрывается сверху защитным слоем поликарбоната или нейтрального лака - так, чтобы вся металлическая поверхность была защищена от контакта со внешней средой. Общая толщина диска - 1.2 мм.
Информационный рельеф диска представляет собой непрерывную спиральную дорожку, начинающуюся от центра и состоящую из последовательности углублений - питов (pits). Промежутки между питами носят название lands. Чередованием питов и промежутков различной длины на диске записывается закодированный цифровой сигнал: переход от промежутка к питу и наоборот обозначает единицу, а длина пита или промежутка - длину серии нулей. Расстояние между витками дорожки выбирается от 1.4 до 2 мкм, стандарт определяет расстояние в 1.6 мкм.
Каким образом на диске представляется звуковой сигнал?
Исходный стереофонический звуковой сигнал подвергается оцифровке в 16-разрядные отсчеты (линейное квантование) с частотой дискретизации 44.1 кГц. Полученный цифровой сигнал носит название PCM (Pulse Code Modulation - импульсно-кодовая модуляция, ИКМ), так как каждый импульс исходного сигнала представляется отдельным кодовым словом. Каждые шесть отсчетов левого и правого каналов оформляются в первичные кадры, или микрокадры, размером 24 байта (192 бита), поступающие со скоростью 7350 штук в секунду, которые подвергаются кодированию при помощи двухуровневого кода CIRC (Cross Interleaved Reed-Solomon Code - избыточный код Рида-Соломона с перекрестным перемежением) по схеме: перемежение с задержкой на 1 байт, кодирование уровнем C2, перекрестное перемежение с переменной задержкой, кодирование уровнем C1, перемежение с задержкой на 2 байта. Уровень C1 предназначен для обнаружения и коррекции одиночных ошибок, C2 - групповых. В результате получается блок длиной 256 бит, данные в котором снабжены разрядами обнаружения и коррекции ошибок, и к тому же "размазаны" до блоку, что приводит к записи смежных звуковых данных в физически несмежных областях диска и снижает влияние ошибок на отдельные отсчеты.
Код Рида-Соломона имеет избыточность 25% и позволяет обнаруживать до четырех ошибочных байтов и корректировать до четырех потерянных или двух ошибочных байтов. Максимальная длина полностью исправляемого пакета ошибок - около 4000 бит (~2.5 мм длины дорожки), однако не любой пакет такой длины может быть полностью исправлен.
После второго перемежения к каждому полученному блоку добавляются разряды субкодов - P, Q, R, S, T, U, V, W; каждый блок получает восемь субкодных битов. Затем каждые 98 блоков с субкодами оформляются в один сверхкадр длительностью 1/75 сек (объем чистых звуковых данных - 2352 байта), называемый также сектором, в котором субкоды первых двух блоков служат признаком синхронизации, а оставшиеся 96 разрядов каждого субкода образуют P-слово, Q-слово и т.д. На протяжении всей дорожки последовательность субкодных слов называют также субкодными каналами.
Слова или каналы субкодов используются для управления форматом записи, индикации фрагментов фонограммы и т.п. - например, канал P служит для пометки звуковых дорожек и пауз между ними (0 - пауза, 1 - звук), а канал Q - для пометки формата дорожек и секторов, записи оглавления TOC (Table Of Contents - таблица содержимого) и временнЫх меток, по которым отслеживается время воспроизведения. Канал Q может использоваться также для записи информации в ISRC (International Standard Recording Code - международный стандартный код записи), предназначенном для представления сведений о производителе, времени выпуска и т.п., а также - для разделения дорожки на отдельные фрагменты (всего на звуковом диске может быть до 99 звуковых дорожек, каждая из которых может включать до 99 фрагментов).
В конце концов оформленные таким образом кадры подвергаются канальному кодированию в терминах "пит - промежуток" с использованием избыточного кода 8/14 (Eight to Fourteen Modulation - EFM), в котором исходные байты кодируются 14-битными словами, повышающими разборчивость сигнала. Между словами вставляется по три связующих бита для соблюдения ограничений на количество смежных нулей и единиц, что облегчает демодуляцию и уменьшает постоянную составляющую сигнала. В результате из каждого первичного микрокадра получается 588 канальных битов, и полученный битовый поток записываются на диск со скоростью 4.3218 (588 x 7350) Мбит/с. Поскольку EFM-кодирование дает цифровой поток, в котором нулей больше, чем единиц, и была выбрана система представления единиц границами пита и промежутка, а количества нулей между единицами - длиной пита или промежутка соответственно.
В начале диска располагается так называемая вводная (lead-in) зона, содержащая информацию о формате диска, структуре звуковых программ, адресах фрагментов, названиях произведений и т.п. В конце записывается выводная (lead-out) зона (дорожка с номером AA), выполняющая роль границы записанной области диска; бит P-кода в этой зоне изменяется с частотой 2 Гц. Ряд бытовых проигрывателей не может опознать диск без этой зоны, однако многие могут обходиться без нее. Между вводной и выводной зонами записывается программная область (Program Memory Area - PMA), содержащая собственно звуковые данные. Программная область отделена от вводной зоны участком из 150 пустых блоков (2 секунды), играющим роль зазора (pre-gap).
Общая длительность записи на компакт-диске - 74 минуты, однако при уменьшении стандартного шага дорожки и расстояния между питами можно достичь увеличения времени записи - за счет снижения надежности считывания в стандартном дисковом приводе.
Как записываются и изготавливаются компакт-диски?
Основной способ изготовления дисков - прессование с матрицы. Оригинал формируется с исходной цифровой мастер-ленты, содержащей уже подготовленный и закодированный цифровой сигнал, специальным высокоточным станком на стеклянном диске, покрытом слоем фоторезиста - материала, изменяющего свою растворимость под воздействием лазерного луча. При обработке записанного оригинала растворителем на стекле возникает требуемый рельеф, который методом гальванопластики переносится на никелевый оригинал (негатив), который может служить матрицей при мелкосерийном производстве, либо основой для снятия позитивных копий, с которых, в свою очередь, снимаются негативы для массового тиражирования.
Штамповка выполняется методом литья под давлением: с негативной матрицы прессуется поликарбонатная подложка с рельефом, сверху напыляется отражающий слой, который покрывается лаком. Поверх защитного слоя обычно наносятся информационные надписи и изображения.
Диски с возможностью записи (CD-R, "болванки") изготавливаются таким же методом, но между основой и отражающим слоем располагается слой органического вещества, темнеющего при нагревании. В исходном состоянии слой прозрачен, при воздействии лазерного луча образуются непрозрачные участки, эквивалентные питам. Для облегчения слежения за дорожкой при записи на диске в процессе изготовления формируется предварительный рельеф (разметка), дорожка которого содержит метки кадров и сигналы синхронизации, записанные со сниженной амплитудой и впоследствии перекрываемые записываемым сигналом.
Записываемые диски за счет наличия органического фиксирующего слоя имеют более низкий коэффициент отражения, чем штампованные, отчего некоторые проигрыватели (Compact Disk Player - CDP), рассчитанные на стандартные алюминиевые диски и не имеющие запаса по надежности чтения, могут воспроизводить диски CD-R менее надежно, чем обычные.
Как воспроизводятся компакт-диски?
Каковы параметры звукового сигнала на CD?
- Диапазон частот: 0..22050 Гц
- Динамический диапазон: 98 дБ
- Уровень шума: -98 дБ
- Коэффициент нелинейных искажений: 0.0015% (на максимальном уровне сигнала)
Что такое jitter?
Джиттер - быстрое по отношению к длительности периода дрожание фазы цифрового сигнала, когда нарушается строгая равномерность следования фронтов импульсов. Такое дрожание возникает из-за нестабильности тактовых генераторов, а также в местах выделения синхросигнала из комплексного сигнала методом PLL (Phase Locked Loop - петля с захватом фазы, или фазовая автоподстройка частоты - ФАПЧ). Такое выделение имеет место, например, в демодуляторе сигнала, считанного с диска, в результате чего образуется опорный синхросигнал, который путем коррекции скорости вращения диска "подгоняется" к эталонной частоте 4.3218 МГц. Частота синхросигнала, а следовательно - его фаза и фаза информационного сигнала - при этом непрерывно колеблются с различной частотой. Дополнительный вклад может вносить неравномерность расположения питов на диске, порожденная, например, некачественным прессованием или нестабильной записью.
Однако неравномерности сигнала с диска полностью компенсируются входным буфером декодера, так что любое дрожание и детонация, возникшие до помещения сигнала в буфер, на этом этапе уничтожаются. Выборка из буфера управляется стабильным генератором с фиксированной частотой, однако таким генераторам тоже присуща определенная, хотя и гораздо меньшая, нестабильность. В частности, она может быть вызвана помехами по цепям питания, которые, в свою очередь, могут возникать в моменты срабатывания САР и коррекции скорости диска или положения головки/линзы. На дисках низкого качества эти коррекции происходят чаще, давая ряду экспертов повод напрямую связывать стабильность выходного сигнала с качеством диска, хотя на самом деле причиной является недостаточно хорошая развязка систем CDP.
Что означают аббревиатуры AAD, DDD, ADD?
Буквы этой аббревиатуры отражают формы звукового сигнала, использованные при создании диска: первая - при исходной записи, вторая - при обработке и сведении, третья - конечный мастер-сигнал, с которого формируется диск. "A" обозначает аналоговую (analog) форму, "D" - цифровую (digital). Мастер-сигнал для CD всегда существует только в цифровой форме, поэтому третья буква аббревиатуры всегда "D".
И аналоговая, и цифровая формы сигнала имеют свои достоинства и недостатки. При записи и обработке сигнала в аналоговой форме наиболее полно сохраняются его "тонкие элементы", в частности - высшие гармоники, однако возрастает уровень шума и искажаются амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики (АЧХ/ФЧХ). При обработке в цифровой форме высшие гармоники принудительно обрезаются на половине частоты дискретизации, а часто и еще ниже, однако все дальнейшие операции выполняются с предельно возможной для выбранного разрешения точностью. Сигнал, прошедший аналоговую обработку, ряд экспертов оценивает, как более "теплый" и "живой", однако многие современные методы обработки сигнала приемлемо реализуются только в цифровом варианте.
Могут ли два одинаковых диска звучать по-разному?
- Недостаточно надежная система считывания и декодирования во многих дорогих CDP, преднамеренно рассчитанная на столь же редкие и дорогие диски. Это косвенно подтверждается тем, что нередко диски низкого качества, успешно считываемые дешевыми CDP, крайне плохо воспроизводятся проигрывателями класса High End.
- Применение в декодере CIRC стратегий, ориентированных на обнаружение ошибок, нежели на их исправление, в результате чего безошибочно считываются только очень качественные диски, а большая часть обычных порождает ошибки, маскируемые интерполятором.
- Недостаточно полное подавление помех, создаваемых механической системой CDP, которая при плохом качестве сигнала с диска работает с большей нагрузкой и создает помехи большей интенсивности.
- Различные коэффициенты отражения/преломления луча, глубина/форма питов, неровность дорожки, а также прочие особенности дисков, влияющие на интенсивность отраженного луча и форму сигнала, создаваемого им в фотоприемнике. Даже если восстановленный при декодировании цифровой сигнал в обоих случаях будет одинаковым, тем не менее электрические процессы, происходящие в CDP, в общем случае будут различны. Отголоски этих процессов в виде паразитных помех могут проникать в схему ЦАП и влиять на выдаваемый им звуковой сигнал.
High Definition Compatible Digital - "сверх-система" кодирования звука на CD, использующая стандартный формат CD-DA. Звуковой сигнал с более высокой разрядностью и частотой дискретизации подвергается цифровой обработке, в результате которой из него выделяется основная часть, кодируемая, как обычно, методом PCM, а дополнительная информация, уточняющая мелкие детали, кодируется в младших битах отсчетов (LSB) и маскируемых спектральных областях. При проигрывании диска HDCD на обычном CDP используется только основная часть сигнала, а при использовании специального CDP со встроенным декодером и процессором HDCD из цифрового кода извлекается вся информация о сигнале.
Как обращаться с компакт-дисками?
Избегая механического повреждения любой из поверхностей, попадания на диск органических растворителей и прямого яркого света, ударов и перегибов диска. Надписи на записываемых дисках допускается делать только карандашами или специальными фломастерами, исключая нажим и использование шариковых или перьевых ручек.
При извлечении диска из коробки следует остерегаться его перегиба. Один из удобных и безопасных методов требует участия двух рук - большой палец левой руки слегка нажимает на фиксатор, ослабляя его, в то время как другая рука снимает диск с фиксатора. Метод с использованием одной руки, когда указательный палец ослабляет фиксатор, а большой и средний снимают диск, требует более точного согласования усилий, без которого легко перегнуть диск или сломать лепестки фиксатора.
Загрязненный диск можно мыть теплой водой с мылом или неагрессивным поверхностно-активным веществом (шампунь, стиральный порошок), либо специально выпускаемыми жидкостями. Неглубокие царапины на прозрачном слое можно заполировать - полирующими пастами, не содержащими органических растворителей и масел, или обычной зубной пастой.
Что такое "зеленый фломастер" и зачем он нужен?
Это фломастер, наполненный специальным составом, хорошо поглощающим инфракрасное излучение. Им закрашивается внешняя кромка диска с целью ослабить отражения луча от ее внутренней поверхности, и тем самым снизить помехи от паразитных отражений на основной луч.
Многие пользователи и эксперты утверждают, что обработанный таким образом диск дает более чистое звучание в аппаратах высокого класса, приписывая это более точному считыванию цифровой информации с диска, который в своем исходном виде якобы не может быть достоверно считан в большинстве приводов. Однако тщательно выполненная система (привод и декодер) в состоянии правильно считывать не только необработанные диски, но и диски среднего качества, и даже слегка загрязненные и поцарапанные, поэтому возможные причины улучшения звучания следует искать не в диске. Наиболее вероятными объяснениями этого феномена представляются те же факторы, которые создают различное звучание совпадающих по цифровому содержимому экземпляров дисков.
В общем доступе оптические компакт-диски появились в 1982 году, прототип увидел свет еще раньше — в 1979. Изначально компакты разрабатывали в качестве замены виниловым дискам, как более качественный и надежный носитель. Считается, что лазерные диски являются результатом совместной работы команд двух технологических корпораций — японской Sony и голландской Philips.
При этом базовая технология «холодных лазеров», которая и сделала возможной появление лазерных дисков, была разработана советскими учеными Александром Прохоровым и Николаем Басовым. За свое изобретение они были удостоены Нобелевской премии. В дальнейшем технология развивалась, и в 70-х годах Philips разработала способ записи компакт-дисков, который и положил начало CD. Сначала инженеры компании создали ALP (audio long play) в качестве альтернативы виниловым пластинкам.
Диаметр ALP-дисков составлял примерно 30 сантиметров. Чуть позже инженеры уменьшили диаметр дисков, время проигрывания при этом снизилось до 1 часа. Лазерные диски и воспроизводящее устройство для них впервые были продемонстрированы Philips в 1979 году. После этого компания стала искать партнера для дальнейшей работы над проектом — технология виделась разработчикам как международная, а развить ее до необходимого уровня и популяризовать своими силами было сложно.
Начало всего
Руководство приняло решение попробовать установить контакты с технологическими компаниями из Японии, в то время эта страна находилась на острие hi-end технологий. Для этого в страну отправились делегаты Philips, им удалось встретиться с президентом Sony, который заинтересовался технологией.
Почти сразу была сформирована команда инженеров Philips-Sony, они и разработали первые спецификации технологии. Вице-президент Sony настоял на увеличении объема диска, ему хотелось, чтобы компакт мог вместить девятую симфонию Бетховена, для чего объем диска расшили с 1 часа до 74 минут (есть и мнение, что это просто красивая маркетинговая история). Объем данных, которые умещаются на такой диск, составил 640 Мбайт. Инженеры разработали и параметры качества звука. Например, частота выборки стереосигналов регламентировалась на уровне 44,1 кГц (для одного канала 22,05 кГц) c разрядностью каждого в 16 бит. Так появился стандарт Red Book.
Название новой технологии появилось не вдруг — его выбрали из нескольких вариантов, включая Minirack, Mini Disc, Compact Rack. В итоге разработчики совместили два названия, получив гибридное Compact Disc. Не в последнюю очередь это название было выбрано из-за растущей популярности аудиокассет (технология Compact Cassette).
Philips и Sony также сыграли важнейшую роль в разработке спецификации первых цифровых компакт-дисков, которая получила название Yellow Book или CD-ROM. Новая спецификация дала возможность хранить на дисках уже не только аудио, но и текстовые и графические данные. Определение типа диска производилось в автоматическом режиме при чтении заголовка. Проблема была в том, что компакт-диск, соответствующий стандарту Yellow Book, мог работать только с определенным типом накопителей, которые не были универсальными.
17 августа 1982 года на фабрике Philips в немецком Городе Лангенхаген был выпущен первый CD. На нем был записан альбом The Visitors группы ABBA. Стоит отметить, что лаковое покрытие первых дисков было не слишком качественным, так что покупатели компактов часто их портили. С течением времени качество дисков улучшилось. Первые несколько лет они использовались исключительно в hi-fi аппаратуре, их использовали в качестве замены виниловым пластинкам и кассетам.
Начиная с 2000 года в продаже стали появляться диски объёмом 700 Мбайт, которые давали возможность записывать аудио с общей продолжительностью до 80 минут. Они полностью вытеснили с рынка диски объемом 650 Мбайт. Есть и носители объемом в 800 МБ, но они подходили не для всех приводов, так что такие диски не получили особого распространения. Увеличить объем доступного для хранения данных пространства удалось благодаря снижению расстояния между дорожками. Так, к примеру, у дисков емкостью в 650 МБ расстояние между дорожками равно 1,7 мкм, а у 800 МБ дисков этот показатель снижен до 1,5 мкм. Также у первых скорость составляет 1,41 м/с, а у вторых 1,39 м/с.
Как это работает
Диск состоит из нескольких слоев. Подложка — поликарбонатная, ее толщина 1,2 мм, диаметр — 120 мм. На подложке размещается еще один слой — металл (это может быть золото, серебро или, чаще всего — алюминий). Далее металлический слой защищается при помощи лака, на который наносится графика. Подложка надежно защищает металлический слой, так что считыванию мешают уж очень глубокие царапины. Диаметр отверстия в диске — 15 мм.
Формат хранения данных для дисков — Red Book (о нем говорилось выше). Ошибки при считывании корректируются при помощи кода Рида-Соломона, так что легкие царапины не снижают читаемость диска.
Данные на диск записываются в виде спиральной дорожки из так называемых питов (углублений), которые выдавливаются в поликарбонатной основе. Глубина каждого пита составляет примерно 100 нм, ширина — 500 нм. Длина пита от 850 нм до 3,5 мкм. Питы рассеивают или поглощают свет, подложка — отражает. Таким образом, записанный диск является отличным примером отражательной дифракционной решетки.
Считывается диск при помощи лазерного луча с длиной волны 780 нм, который излучается полупроводниковым лазером. Принцип считывания заключается в регистрации изменения интенсивности отраженного света. Так, лазерный луч сходится на информационном слое, диаметр светового пятна в этом случае составляет 1,2 мкм. Максимальный сигнал регистрируется между питами. В случае попадания на пит регистрируется меньшая интенсивность света. Изменения интенсивности преобразуются в электрический сигнал, с которым и работает аппаратура.
Как создается диск
- Первый этап заключается в подготовке данных для запуска в серию;
- Фотолитография — второй этап, это процесс создания штампа диска. Сначала создается стеклянный диск, на который наносится слой фоторезистивного материала, на него и записывается информация. Материал изменяет физико-химические свойства под действием света;
- Запись данных производится с использованием лазерного луча. При увеличении мощности лазера (когда нужно создать пит) химические связи молекул фоторезистивного материала разрушаются, и он застывает;
- Фоторезист травят (разными способами, от плазмы до кислоты), с матрицы удаляются области, не затронутые воздействием лазера;
- Диск помещается в гальваническую ванну, где на его поверхность осаждается слой никеля;
- Диски штампуются литьем под давлением, в качестве исходника используется изначальный стеклянный диск;
- Далее на информационный слой напыляется металл;
- На внешнюю сторону наносится защитный лак, на котором уже наносят графическое изображение.
А что насчет CD-RW?
CD-RW представляет собой разновидность компакт-диска, которая появилась в 1997 году. Изначально стандарт назывался CD-Erasable (CD-E, стираемый компакт-диск).
Это был настоящий прорыв в сфере записи и хранения информации. Ведь получить недорогой и емкий носитель информации было мечтой тысяч инженеров и пользователей. CD-RW похож по структуре и принципу действия на обычный CD, но вот записывающий слой другой — это специализированный сплав халькогенидов. Чаще всего используется серебро-индий-сурьма-теллур. При нагреве выше температуры плавления такой сплав переходит из кристаллического состояния в аморфное.
Фазовый переход в данном случае обратим, что является основой для процесса перезаписи. Толщина активного слоя диска составляет всего 0,1 мкм, так что лазером легко воздействовать на вещество. Процесс записи происходит при воздействии лазерного луча, активный слой в этом случае переходит в расплав (те его области, на которые подействовал лазер). Далее тепло диффундирует в подложку, и расплав переходит в аморфное состояние. У аморфных отрезков меняются такие характеристики, как диэлектрическая проницаемость, коэффициент отражения и, следовательно, интенсивность отраженного света. Она несет информацию о записи на диске. Считывание производится при помощи лазера меньшей мощности, который не может оказать влияния на активный слой. При записи активный слой нагревается до 200 градусов Цельсия, что позволяет ему снова совершить фазовый переход в кристаллическое состояние.
Многократное использование CD-RW приводит к механической усталости рабочего слоя. Поэтому инженеры, разрабатывавшие технологию, использовали вещества с низким коэффициентом накопления усталости. CD-RW может выдержать около тысячи циклов перезаписи.
DVD — еще больше емкости!
Первые DVD появились в Японии в 1996 году, они появились как ответ на запрос пользователей и бизнеса, которым нужны были все более емкие носители. Изначально диски высокой емкости разрабатывались сразу несколькими компаниями. Появилось два независимых направления разработки: Multimedia Compact Disc (Philips и Sony), — Super Disc (8 крупных корпораций, включая Toshiba и Time Warner). Чуть позже оба направления слились в одно под влиянием корпорации IBM. Она убедила партнеров не повторять события времен «войны форматов», когда шла битва за приоритет между стандартами видеокассет «Video Home System» и «Бетамакс».
Технология была анонсирована в сентябре 1995 года, в том же году разработчики опубликовали спецификации. Первый пишущий DVD-привод увидел свет в 1997 году.
Увеличить емкость записи при сохранении прежних размеров удалось за счет использования красного лазера с длиной волны 650 нм. Шаг дорожки при этом в два раза меньше, чем у CD и составляет 0,74 мкм.
Blu-Ray — самый современный оптический носитель
Еще одна разновидность оптического носителя с гораздо более высокой плотностью записи данных, чем у CD или DVD. Стандарт был разработан международным консорциумом BDA. Первый прототип появился в октябре 2000 года.
Технология предусматривает использование коротковолнового лазера (длина волны 405 нм), откуда и произошло название. Букву «е» убрали, поскольку выражение blue ray является общеупотребительным в английском языке и не может быть запатентовано. Использование синего (сине-фиолетового) лазера дало возможность сузить дорожку до 0,32 мкм, увеличив плотность записи данных. Скорость считывания носителя увеличена до 432 Мбит/с.
UDF — универсальный дисковый формат
UDF — это спецификация формата файловой системы, которая не зависит от ОС. Она разработана для хранения файлов на оптических носителях — как СD, так и DVD и Blu-Ray. У UDF нет ограничения в 2 и 4 ГБ для записываемых файлов, так что этот формат идеально подходит для дисков повышенной емкости — DVD и Blu-Ray.
Оптические диски и интернет
Технологические компании продолжают совершенствовать оптические диски. Так, Sony и Panasonic еще в 2016 году смогли увеличить емкость оптических носителей до 3,3 ТБ. При этом работоспособность дисков сохраняется, по словам представителей Sony, вплоть до 100 лет.
Тем не менее, все типы оптических дисков постепенно теряют популярность — с развитием интернета пропадает потребность для пользователей в накоплении данных на дисках. Информацию можно хранить в облаке, что гораздо удобнее (насколько это безопаснее — другой вопрос). Компакт-диски уже далеко не так популярны, как несколько лет назад, но полное забвение (как в случае аудиокассет) им, скорее всего, не грозит — их будут использовать для создания архивов важной для бизнеса информации.
Если терабайтные оптические диски пойдут в серию, то их применение будет ограничено — может быть, с их помощью будут распространять фильмы в 4К и современные игры с набором самых разных бонусов. Но активнее всего они будут использоваться для создания бэкапов. И если в Sony говорят правду о вековой сохранности записанных данных, то бизнес будет использовать новую технологию весьма активно.
Моя предыдущая статья была посвящена внутреннему устройству чипа от Nvidia, да и, пожалуй, внутреннему устройству любого современного процессора. В этой статье мы перейдём к средствам хранения информации, и я расскажу, что представляют собой CD и HDD диски на микроуровне.
Начнём с CD диска. Наш подопытный — простой CD-R от Verbatim. Обычный диск с записанной (а точнее, напечатанной) информацией состоит из 3 основных слоёв. Слой А – поликарбонатный диск, который отвечает сразу за несколько функций. Первое – основа диска, которая выдерживает огромные скорости вращения внутри дисковода.
Так в общих чертах можно представить строение CD диска [1]
Поликарбонатный диск, как оказалось, дополнительно покрывают специальным лаком, который защищает от легких механических повреждений внешнюю поверхность диска.
Слой лака выделен красным цветом, под ним «начинается» поликарбонат
Под пучком электронного микроскопа, слой защитного лака чувствует себя не очень хорошо
Второе – именно на поликарбонате, в прямом смысле этого слова, печатается информация с матрицы — будь то фильм, музыка или программы. Как сообщает нам Вики, поликарбонатная основа имеет толщину 1,2 мм и весит всего-навсего 15-20 грамм [1].
Естественно, что поликарбонат и лак прозрачны для лазерного излучения, поэтому «напечатанную» информацию для лазера необходимо сделать «видимой», для чего поверхность покрывают тонким слоем алюминия (слой B). Стоит отметить, что CD-ROM с «напечатанной» информацией, CD-R и CD-RW имеют незначительные отличия. В двух последних случаях, добавляется промежуточный слой между поликарбонатом и алюминием, который может изменять свои свойства под действием лазерного излучения определённой длины волны, а на поликарбонате печатаются пустые дорожки. Это могут быть либо красители в случае CD-R (что-то похожее на фоторезист), либо металлические сплавы в случае CD-RW. Именно поэтому перезаписываемые диски не рекомендуется подвергать действию прямых солнечных лучей и перегреву, который также может спровоцировать изменение оптических свойств.
Давайте сравним диск и алюминиевый слой, оторванный от него. Видно, что на поликарбонате есть «канавки» (питы), а на слое алюминия наоборот возвышения, которые полностью соответствуют канавкам:
Привычные углубления на поверхности поликарбоната (АСМ-изображение)
На защитном алюминиевом слое видны питы-«наоборот»: не канавки, а выступы (АСМ-изображение)
Далее полученный «пирог» покрывают специальным защитным слоем С, чья основная обязанность – защитить «нежный» алюминиевый отражающий слой. Далее на этот слой можно что-то наклеивать, писать маркером, наносить специальные дополнительные слои для печати и т.д. и т.п.
В данном видео представлены все технологические этапы производства CD дисков:
Запись на CD диске подобная записи на виниловой пластинке, т.е. дорожка с информацией идёт по спирали. Он берёт своё начало в центре диска и заканчивается у внешнего края. А вот прямо посреди диска «стыкуются» пустые участки и дорожки с записанной информацией:
Вот была запись, а вот её и нет. Сравнение пустых дорожек и дорожек с записанной информацией (СЭМ-микрофотографии)
Принципиальных отличий на микроуровне CD от DVD и, наверное, Blu-Ray нет. Разве что питы будут меньших размеров. В нашем случае размеры 1 минимального углубления составляют 330 нм в ширину и 680 нм в длину, при этом расстояние между дорожками ~930 нм.
N.B. Если у вас есть исцарапанный CD диск, который не читается ни в одном приводе, попробуйте его заполировать. Для этого подойдёт практически любая прозрачная полироль. Она заполнит углубления, которые мешают чтению информации, и Вы хотя бы сможете скопировать информацию с диска.
Как же всё-таки иногда причудливо изгибается слой алюминия (практически произведение искусства – чёрное и белое):
Чёрные и белые полосы нашей жизни. CD (СЭМ-микрофотография)
И напоследок ещё пара изображений CD, полученных с помощью оптического микроскопа:
Оптическая микроскопия: слева — алюминиевый отражающий слой, справа — слой Al (более светлая область) на поликарбонатном диске (более тёмная область)
Приступим теперь к жёсткому диску. Для меня всегда, ещё со времён дискет и VHS оставалось загадкой, как же всё-таки устроена магнитная память?! Перед написанием статьи, я попытался найти хоть какие-то видео и медиа материалы, которые демонстрировали бы, как в предыдущем ролике, основные этапы производства жёстких дисков, и был неприятно обрадован Вики: «Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика — окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения составляют коммерческую тайну» [2]. Пришлось смириться и не искать правды от производителей HDD (разве что, Seagate слегка приоткрыл свои секреты), тем более что с приходом эры SSD конкуренция на рынке ещё больше усилилась.
Сами пластины изготавливаются из немагнитных металлических сплавов. Основу этих сплавов составляют алюминий и магний, как самые лёгкие конструкционные материалы. Далее на них наносится тонкий, опять таки согласно Вики, 10-20 нм слой магнитного – тут, пожалуй, слово нанокристаллический будет уместно – материала, который затем покрывается небольшим слоем углерода для защиты. Так как диск NoName, и выполнен он по древней технологии параллельной записи информации, то я позволю себе привести здесь состав материала по данным EDX (рентгеноспектральный микроанализ): Co – 1,1 атомных %, Y – 1,53 ат. %, Cr – 2,38 ат. %, Ni – 45,81 ат. %. Содержание углерода 36,54 %. Откуда-то взялись Si и P, содержание которых составляет 0,46 ат. % и 12,25 ат. %, соответственно. Происхождение кремния – по всей видимости, в следовых количествах остался на поверхности после работы микротома и моей полировки, а фосфор – просто заляпал образец.
Честно, я пытался найти слой магнитного материала толщиной «10-20 нм», но безуспешно. Если исходить из того, что увидел я, то поверхностный слой имеет толщину примерно 12 микрометров:
Тот сам «тоненький» слой, который хранит информацию в наших жёстких дисках
Сама поверхность диска очень и очень гладкая, перепад высот лежит в пределах 10 нм, что сравнимо с шероховатостью поверхности монокристаллического кремния. А вот и изображения в режиме фазового контраста, которые соответствуют распределению магнитных доменов на поверхности, т.е. мы видим фактически отдельные биты информации:
АСМ-изображения поверхности жёсткого диска. Справа представлены изображения в фазовом контрасте
Немножко о фазовом контрасте: сначала игла АСМ-микроскопа «ощупывает» рельеф, затем зная рельеф и повторяя его форму игла делает второй проход на расстоянии 100 нм от образца, чтобы «заглушить» действие Ван-дер-Ваальсовых сил и «выделить» действие магнитных сил. Флешку о том, как это происходит можно посмотреть тут.
Кстати, заметили, что единичные магнитные домены вытянуты вдоль плоскости диска и параллельны ему?! Позволю себе пару слов о методах записи. На данный момент диски с перпендикулярным методом записи информации (т.е. такие у которых магнитные домены ориентированы перпендикулярно плоскости диска), появившиеся в 2005 году, практически полностью вытеснили диски с параллельной записью. Преимущество перпендикулярной записи очевидно – выше плотность записи, но тут есть один тонкий момент в связи с данными Вики о толщине магнитного слоя. Этот нюанс называется – суперпарамагнитный предел. Т.е. существует некоторый критический размер частицы, после которого ферромагнетик уже при комнатной температуре переходит в парамагнитное состояние. Т.е. тепловой энергии хватает, что проворачивать, переориентировать такой маленький магнитик. В случае магнитной записи часто поступают следующим образом: делают один из размеров «магнитика» больше, чем два остальных (это хорошо видно на картинке с распределением магнитных доменов), тогда в этом большем направлении магнитный момент сохраняется. Так вот, если в случае параллельной записи я ещё могу поверить, что слой магнетика десятки нанометров при размерах 1 бита в несколько микрометров, то в случае перпендикулярной записи – этого просто не может быть. Толщина такой намагничиваемой области при минимальных размерах в плоскости диска, просто обязана быть минимум несколько микрометров. Так что, возможно, Вики немножко подвирает. Либо наносят магнетик в виде наночастиц диаметром 10-20 нм, а уже потом каким-то «хитрым» образом разбивают диск на области, которые и отвечают за хранение информации. К сожалению, я не полностью удовлетворил своё любопытство и ответил на вопросы о магнитной записи информации, может быть кто-нибудь поможет?!
Сравнение параллельного и перпендикулярного методов записи информации на жётских дисках [2]
Хотел бы также поделиться тремя видео, которые нашлись на просторах Интернета и связаны с жёсткими дисками. Первое посвящено принципам работы HDD (How does it work?):
Среди всех моих ретроувлечений минидиск выделяется необходимостью поиска нетривиальных решений каких-то вроде бы базовых задач. Созданный в 1992 году, этот аудиоформат был предназначен для записи звука в режиме реального времени: как кассета, только цифровой и магнитооптический. Он вроде бы ничем концептуально не отличался от компакт-диска, а ведь CD-болванки последовательно «прокачивались» по части скорости записи данных: сначала 2-4х, и вплоть до 54х или больше 8 мегабайт в секунду. Нарезать часовой музыкальный альбом за пару минут — легко. С минидиском ничего легко не происходит. Нет даже «компьютерного» способа записи: когда выбираешь файлы или хотя бы музыкальные треки на компьютере, щелкаешь мышкой, и они записываются.
Точнее, способ есть, но для поздней реинкарнации минидиска, и с уменьшенным в два раза битрейтом. До сих пор нет способа записать минидиск в оригинальном (1992 года издания) формате ATRAC SP, с битрейтом 292 килобита в секунду, напрямую с компьютера, быстро, надежно и без потерь в качестве. Можно записать ненадежно. Или с потерями. Быстро — вообще никак. Но есть специальный прибор, который таки может переписывать музыку на MD с ускорением в четыре раза. Как большой фанат этого устаревшего формата, я не мог пройти мимо. Рассказываю, что вышло. Заодно в этом тексте я начинаю исследовать сам компакт-диск — формат хоть и тоже устаревший, но невероятно интересный, успешный, удобный, и доступный по сей день.
Предыдущие статьи про минидиск:
Ретрофанат должен страдать
1999 год. В продвижение минидиска вложены немалые средства. Продажи, до этого в Европе и США колебавшиеся если не около нуля, то близко, начинают расти. Миллионы устройств, портативных и стационарных, десятки миллионов носителей. Устройства хоть и дорогие, но интересные, модные, достаточно удобные — в общем это пока не похоже на провал, хотя все предпосылки к скорому закату уже созданы. Представьте себя на месте обеспеченного фаната самых современных технологий 20-летней давности. У вас есть бюджет почти на любую техническую новинку, вы любите музыку, хотите слушать ее максимально удобно и дома, и в путешествии, и по пути на работу в автомобиле. Самый очевидный вариант — компакт-диск. Цифровой звук, умеренно надежный носитель, большой ассортимент устройств на любой вкус. Правда релизы на CD достаточно дорогие, и (допустим) вы серьезный коллекционер музыки, и не хотите допустить неизбежных при обращении на ходу царапин. Что делать? Можно делать копии CD на болванки CD-R или даже на CD-RW, но это дело относительно новое, еще не совсем понятное, а сами записываемые носители — не очень дешевые, от 2 долларов за диск и выше.
Если вы живете в Японии, то в вашей стране распространена услуга проката CD — вечером после работы берете новый музыкальный альбом домой, на следующее утро возвращаете, в процессе, чего уж там, сделав копию для себя. Для этого идеально подходит минидиск: на тот момент доступны недешевые, но очень компактные портативные устройства, можно поставить MD-магнитолу в автомобиль или даже купить машину со штатным приводом (такая опция была у BMW, ну и почти у всех японских брендов). Покупаете (берете в аренду, одалживаете у знакомых) CD, делаете копию на минидиск и слушаете сколько душе угодно и где угодно. Короче, 21 год назад для минидиска хоть и с большими оговорками, но существовал реалистичный сценарий использования. Если вы могли такое себе позволить: это же надо купить и CD-проигрыватель, и минидисковый рекордер, да и сами диски тоже стоят денег — в лучшем случае чуть-чуть дороже тех самых болванок CD-R, примерно 2,5 доллара за штуку, если брать мелким оптом.
В предыдущей статье про этот винтажный аудионоситель я упомянул пример переписывания музыки с помощью отдельных CD и MD-устройств, подключенных по цифровому интерфейсу S/PDIF. Это не самый удобный способ: все происходит в режиме реального времени, после записи желательно прописать на минидиске теги — название альбома и отдельных треков. Хочется делать это всё одной кнопкой, и для этого существует специальное устройство: комбинированная CD-MD-дека. В августе 2020 года я покупаю такой аппарат, выпущенный в 1999 году комбайн Sony MXD-D3.
Для поклонника Sony MD это прекрасное домашнее устройство — оно позволяет и записывать минидиски с внешних источников, и переписывать CD напрямую на минидиск, и слушать музыку на двух носителях. Для истинных ценителей с бездонным кошельком это не самый лучший вариант. Например, в нем отсутствует цифровой оптический выход, а качество аналоговых входов и выходов — хоть и достаточное, но бывает и лучше. Это уже третий «комбайн» от Sony, но только в нем появляется интересующая нас фича — запись музыки на минидиск в четыре раза быстрее, чем в режиме реального времени. Насколько мне известно, до этого такой фичи не существовало вообще. Да и после была выпущена еще пара моделей CD/MD-дек и несколько музыкальных центров, способных переписывать быстро. Для большинства людей цена на этот аппарат все равно запредельная — 400 долларов (620 с учетом инфляции). MXD-D3 — единственная модель, широко продававшаяся в Европе и США, и то сейчас ее достаточно сложно найти. Все остальные устройства серии скорее всего придется искать в Японии. И еще: CD-рекордер с двумя приводами, с такой же функциональностью, стоит на тот момент столько же.
Это редкий аппарат конца девяностых, большие размеры которого оправданы: тут два механизма, каждый со своей управляющей платой, и общая система управления, преобразования аналогового сигнала в цифровой, и прочего. MXD-D3 умеет почти все, на что способна специализированная минидисковая дека: запись звука с широкими возможностями редактирования, воспроизведение музыки с повтором, случайно, и по программе. Функция «машина времени» (запись шести секунд звука до нажатия на кнопку — помогает в ситуации «началась хорошая песня по радио, но слишком поздно среагировал»). Автоматическое разделение записи на треки по тишине между песнями или через заданные интервалы, автоматическое начало записи при появлении сигнала. И так далее: хороший набор фич для домашней студии, готовое и простое решение, в отличие от компьютерного звука.
Очень интересно сделан дисплей. По умолчанию, на нем в две строки отображаются данные и для компакт-диска, и для минидиска. Кнопкой на корпусе можно переключить экран в режим «только CD» или «только MD». Два набора кнопок управления позволяют удобно управлять воспроизведением каждой из половинок устройства, а вот на пульте пришлось сделать аппаратный переключатель режимов.
Что нас сегодня больше всего интересует: две кнопки между приводами, для копирования всего компакт-диска на минидиск одним нажатием, соответственно со скоростью 1x и 4x. В режиме реального времени можно параллельно слушать музыку, в ускоренном — понятно, нельзя. Кроме того, возможность переписывать диск в режиме реального времени была предусмотрена для плохо читающихся CD — поцарапанных, гнутых. Впрочем, инструкция обещает, что в скоростном режиме при ошибках чтения устройство автоматически снизит скорость.
Еще один вариант быстрого переписывания с диска — кнопка Rec-IT. Работает это так: слушаем CD, нам нравится какой-то трек, нажимаем эту кнопку. Воспроизведение начинается сначала, и один трек переписывается на минидиск. Если на нем, конечно, хватит места: имеющаяся запись не стирается, в любых режимах новые треки добавляются в конец. Итого: можно пиратствовать от души, переписывая CD целиком (хотя для персонального использования это не возбраняется), можно делать сборники из отдельных треков, с разных компакт-дисков, просто и без лишней возни с редактированием.
Хотите сложно? Тоже можно: специальный режим делает CD-привод как бы внешним устройством — он работает сам по себе, а режим записи вы выбираете сами, можно даже уровень сигнала поменять, записать только фрагмент одного трека, или даже «вставить» музыкальную цитату в любое место на минидиске.
Все это очень здорово, но покупал я этот ретро-девайс не для этого. В 2020 году у меня все еще есть музыка на компакт-дисках, но большую часть новых альбомов я покупаю в виде кучки файлов, скачивая их, например, с сервиса Bandcamp. Задача: (почти) одним нажатием создавать копию на минидиске по всей форме: с разбиением на треки, названиями композиций и прочим. Прежде чем рассказывать об этом методе прикручивания современной музыки к древнему формату, отвлекусь на историю CD.
Аудио-CD с бонусами
Музыка на CD впервые появилась в продаже в 1982 году. В конце восьмидесятых компакт-дисков продается больше, чем пластинок, и вообще это самый успешный в истории носитель звука: продажи цифровой музыки на оптическом носителе растут вплоть до 2000 года. В прошлом году в США было продано 46 миллионов CD: хотя на данный момент абсолютно все физические носители устарели, музыку на дисках до сих пор можно купить в любом крупном магазине. По состоянию на 1982 год CD представлял собой однозначный технический прорыв, и до сих пор параметры «CD-качества» достаточны для любого непрофессионального применения. Почти 40 лет назад это была еще и крайне сложная, дорогая технология: объем и скорость обработки данных были на порядок выше, чем у первых персональных компьютеров. Наконец, на базе одного оптического носителя позднее создается множество производных стандартов. В конце восьмидесятых — CD-ROM для хранения данных, тогда же — CD-R для однократной записи. В конце девяностых компьютерная инкарнация компакт-диска становится доступной и универсальной: в каждом десктопе и почти в каждом ноутбуке есть оптический привод, для музыки, чтения и записи данных.
Это важная часть в истории компьютерной техники и бытовой электроники, про которую можно рассказывать очень долго, вспоминая такие подзабытые сущности как «овербёрнинг», «защита от опустошения буфера», «стандартное смещение при чтении и записи», и подобное. В конце девяностых ассортимент форматов на базе компакт-диска пополняется двумя важными для этого рассказа. В 1997 году в продажу поступают перезаписываемые диски CD-RW — это прямой конкурент минидиска. Чуть больше диаметром, чуть менее долговечный (1000 перезаписей по сравнению с миллионом), больше подверженный царапинам из-за отсутствия защитного кейса. Зато на CD-RW можно сделать точную копию аудиодиска или записать 650 (позднее 700) мегабайт данных. В 1996 году добавляется расширение стандарта Audio CD под названием CD-TEXT: можно сделать аудиодиск с тегами, которые будут отображаться при воспроизведении.
Мог ли наш меломан записать диск с тегами самостоятельно? Тоже не факт: данную возможность должен был поддерживать рекордер. В 2020 году я хочу поначалу обойтись малой кровью и использовать внешний CD-привод с интерфейсом USB. Не получается: он не умеет в CD-TEXT. Приходится доставать умеренно старый IDE-привод LG и подключать его к моему умеренно современному десктопу. В корпусе компьютера нет отсеков под пятидюймовые устройства, пристраиваю привод где-то сбоку. Начинается тонкая операция по сравнительно безболезненному изготовлению минидисков.
Запись CD-TEXT
Как правило для чтения и записи аудиодисков я использую ту самую программу Exact Audio Copy. Увы, при попытке записи CD-TEXT эта программа зависает. Пришлось использовать утилиту ImgBurn. Это бесплатная и очень функциональная утилита для записи дисков вплоть до Blu-Ray. Ссылку на официальный сайт не прикладываю, так как распространяемая там версия, увы, снабжена суровым рекламным довеском.
Еще одна бесплатная утилита — CUETools — используется для подготовки образа для записи, состоящего из одного wav.файла и текстового файла .cue для разметки.
CUETools — интересный софт для пиратов любителей точных копий CD. Помимо различных вариантов преобразования образов CD в отдельные файлы любого формата, и файлов — в образы, он еще сверяет альбомы с пополняемой сообществом базой контрольных сумм. Для большинства популярных релизов на CD вы можете проверить, что в вашей копии (в любом из форматов сжатия без потерь) нет ошибок.
Процесс простой: я выбираю папку с альбомом, который хочу записать. Исходные файлы — в форматах FLAC или Apple Lossless. CUETools сверяет диск с общедоступной базой метаданных, откуда можно позаимствовать названия треков. У меня теги и так прописаны, я лишь меняю название альбома на строчку вида «Исполнитель — Год выпуска — Альбом» — это потом станет названием минидиска. Sony MXD-D3 поддерживает только латиницу, и даже диакритические знаки конвертирует в обычные. Кириллица не поддерживается совсем, вместо нее дека показывает нули. Возможно (но маловероятно), устройство понимает теги на японском языке. Но их не понимает ImgBurn. Вероятно японские иероглифы удастся прописать с помощью linux-утилиты на базе библиотеки libcdio. В описании к ней есть подробный анализ структуры данных CD-TEXT, а при записи образа CD можно отдельно прикрепить файл с тегами в расширенном формате.
CUETools сохраняет пару из .wav и .cue файлов, которые можно открыть в ImgBurn и записать диск. CD-TEXT в случае поддержки приводом будет записан автоматически. Дальше я вставляю болванку в деку, вставляю туда же минидиск, нажимаю кнопку и максимум через 20 минут получаю полностью оформленный альбом на древнем носителе.
Маленькие радости
Вся эта история — пример такого особого состояния ретрофаната, когда ему непростыми методами удается решить ретропроблему. Редкий случай, когда все работает как запланировано. Ну почти — то ли в силу возраста, то ли из-за специфики CD-RW минидисковая дека Sony изредка пропускает фрагмент трека при копировании. К счастью это легко определяется: длительность исходника и копии получается разная. Это очень сложный способ, позволяющий хоть как-то автоматизировать запись минидисков в их оригинальном формате. Создание промежуточной версии на CD-RW занимает меньше времени, чем запись минидиска в режиме реального времени с последующей простановкой тегов вручную.
Когда я изучал конкурента минидиску, формат Digital Compact Cassette компании Philips, я натолкнулся на причину, по которой кажется были созданы оба этих носителя. В конце восьмидесятых разработчики DCC (возможно и создатели минидиска тоже) исходили из того, что в цифровом мире будет реализована пара носителей, аналогичная аудиокассете и винилу. Пластинки — формат сугубо домашний, для прослушивания музыки с высоким качеством, достаточно хрупкий и не очень удобный. Кассеты — чуть менее качественные, но пригодные для портативного использования. Винил — только для прослушивания. Кассета — для записи.
Меняем пластинку на компакт-диск (дорогой, хрупкий). Вместо кассеты появился минидиск — надежный, компактный. Никаких компьютеров в этом уравнении вообще не предусматривалось. Вместо этого мы каждый день используем звукозапись как технологию: когда общаемся голосом в мессенджере, постим видео в Инстаграм. Но вообще об этом не задумываемся: отдельное устройство для записи звука используют только профессионалы со своими специфическими требованиями. Невозможность предсказать такое резкое изменение и стала причиной провала цифровых перезаписываемых носителей. Да и сам CD упорно не желал становиться «дорогим форматом только для дома». Он был достаточно компактным и надежным как единственный носитель, когда это было актуально.
Этот устаревший взгляд на принцип работы персонального аудиоустройства в компании Sony соблюдали в течение всей жизни формата. Если бы минидиск создавался по лекалам CD-ROM, это был бы просто универсальный перезаписываемый носитель данных. И тогда я бы нашел какой-нибудь ретроноутбук, вставил в него MD, нажал кнопку и переписал на него желаемую музыку с десятикратной скоростью. Но нет. Вместо этого приходится изобретать подобные ретровелосипеды. Надо сказать, делаю я это не без удовольствия.
Читайте также: