Speichermedienentwicklung, Teil 2: Optische Speicherung

Hallo alle zusammen! Dies ist der zweite Teil des Materials zur Entwicklung der Informationsträger. Ich möchte Sie daran erinnern, dass wir im ersten Artikel über die ersten Speichergeräte gesprochen haben - Lochkarten - und auch auf Magnetfilme und Disketten geachtet haben. Heute werden wir über bekanntere Geräte sprechen, nämlich optische Laufwerke.

Als es 1969 war, arbeitete IBM noch hart daran, die erste Diskette zu erstellen, und Ingenieure des niederländischen Elektronikherstellers Philips führten bereits Arbeiten an optischen Medien namens LaserDisc durch. Viele Menschen glauben fälschlicherweise, dass LaserDisc die erste optische Aufzeichnungstechnologie der Welt war, aber dies ist nicht ganz richtig. 10 Jahre vor dieser Veranstaltung, 1958, entwickelten die Brüder Paul und Jame Gregg bereits eine ähnliche Technologie. Der Unterschied zwischen diesen optischen Medien bestand darin, dass das Design der Brüder Gregg im Lichtübertragungsmodus arbeitete, während die Philips Technologie reflektiertes Licht verwendete.

1961 patentierte Greggi seine Technologie, konnte sie jedoch nicht zu einem kommerziellen Produkt machen und verkaufte 1968 die Rechte an den optischen Medien von MCA. Philips und MCA hatten das Gefühl, dass sie keinen Wettbewerb brauchten, und beschlossen, sich zusammenzuschließen. Das Ergebnis ihrer Arbeit war der kommerzielle Start von LaserDisc im Jahr 1972.



Als Laserdisc eintraf, waren die Kassettenformate VHS und Betamax bereits erfolgreich. Trotz der Tatsache, dass Laserdisc viele Vorteile gegenüber Kassetten hatte, konnte es immer noch nicht gefragt sein. In Europa wurde er ziemlich cool getroffen, und die Hauptmärkte für diese Technologie waren die USA und Japan. Der erste auf Laserdisc veröffentlichte Film war Jaws. Es geschah 1978. Und das letzte ist das Gemälde „Resurrecting the Dead“ aus dem Jahr 2000. Interessanterweise wurde die Produktion von Laserdisc-Playern bis 2009 fortgesetzt, als Pioneer die letzte Charge solcher Geräte herausbrachte.

Eine viel erfolgreichere Alternative zu Laserdisc war der 1982 veröffentlichte Compact Disc (CD) -Standard. Eine Allianz von Sony und Philips entwickelte dieses Format. Ursprünglich wurde davon ausgegangen, dass CDs nur zum Speichern von Audioaufnahmen in digitaler Form verwendet werden, aber im Laufe der Zeit wurden sie zum Speichern von Dateien jeglicher Art verwendet. Möglich wurde dies in vielerlei Hinsicht durch die Bemühungen von Apple und Microsoft, seit 1987 CD-Laufwerke auf ihren Computern zu installieren.

Das CD-Gerät ist recht einfach. Die CD selbst ist ein Polycarbonatsubstrat, das mit einer dünnen Metallschicht beschichtet ist. Diese Schicht ist durch einen Lack geschützt, auf den Bilder, Inschriften und andere äußere Kennzeichen der Disc aufgebracht werden.



Die auf der CD aufgezeichneten Informationen haben die Form einer Spirale von Aussparungen oder „Vertiefungen“, die auf der Rückseite der CD abgelegt sind. Die Größe einer Grube ist gewöhnlich etwa 500 nm breit und 850 bis 3500 nm lang. Gleichzeitig erreicht die Tiefe der Grube 100 nm. Der Abstand von jeder Grube zu ihren Nachbarn beträgt normalerweise etwa 1,6 Mikrometer. Diese Entfernung wird das Land genannt. Die Informationen werden von der CD unter Verwendung eines Laserstrahls gelesen, der einen Lichtfleck mit einem Durchmesser von etwa 1,2 Mikrometern bildet, was 0,4 Mikrometer weniger ist als der Abstand zwischen benachbarten Gruben. Für den Fall, dass der Strahl auf dem Land "ruht", erfasst die empfangende Fotodiode das Signal maximaler Intensität und erkennt es als logische Einheit. Wenn der Laser auf die Grube trifft, wird das Licht gestreut und absorbiert und dann vom Polycarbonatsubstrat reflektiert.In diesem Fall fängt die Fotodiode Licht mit geringerer Intensität ein und wird als logische Null erkannt.

Für viele Jahre nach dem Aufkommen der CD blieb das maximale Volumen bei rund 650 MB. Auf einer Festplatte mit einer solchen Kapazität konnten etwa 74 Minuten hochqualitatives Audio gespeichert werden. Erst in den 2000er Jahren stieg das CD-Volumen auf 700 MB. Ebenfalls zum Verkauf stehen 800-Megabyte-Discs.

Als die CD-Technologie zum ersten Mal auf den Markt kam, waren CDs nur zum Lesen gedacht: Bereits in der Produktionsphase wurden Informationen auf einer Disc aufgezeichnet, indem Pits auf ein Substrat aufgebracht wurden. Dann wurden eine reflektierende Schicht und ein Schutzlack auf das Substrat aufgetragen. Kurz nach dem Aufkommen der CD wollten die Benutzer jedoch selbst Informationen auf die Discs schreiben. Dies veranlasste Philips und Sony, den CD-R-Standard (Compact Disc-Recordable) zu entwickeln. So erschienen 1988 die ersten CDs für die Einzelaufnahme.

CD-R-Discs unterschieden sich von ihrem Vorgänger nur durch das Vorhandensein einer weiteren Schicht zwischen Substrat und Reflektor. Diese Schicht wurde aus organischem transparentem Farbstoff hergestellt. Der Farbstoff hatte eine interessante Eigenschaft: Unter dem Einfluss von Hitze kollabierte er und verdunkelte sich. Tatsächlich ermöglichten diese physikalischen Eigenschaften der organischen Schicht die Realisierung der Fähigkeit, Informationen auf die Platte zu schreiben. Während der Aufnahme änderte der Laser eines speziellen Schreiblaufwerks seine Leistung und verbrannte einzelne Punkte in der Farbstoffschicht. Beim anschließenden Lesen wurden diese abgedunkelten Bereiche von der Fotodiode als Pits oder logische Null wahrgenommen.

Wie oben erwähnt, war das Schreiben von Informationen auf eine CD-R nur einmal möglich. Und das war der Hauptnachteil dieses Formats. Die mehrfache Aufzeichnung von Informationen wurde 1997 mit der Veröffentlichung des CD-RW-Standards (Compact Disc-Rewritable) möglich.

Das Design des CD-RW stimmte vollständig mit dem CD-R-Gerät überein, mit Ausnahme der Schicht zwischen dem Substrat und dem Reflektor. Der organische Farbstoff wurde durch ein anorganisches aktives Material ersetzt - eine Legierung von Chalkogeniden. Wie organische Stoffe verdunkelte sich die Legierung unter dem Einfluss eines starken Laserstrahls. Die Verdunkelung erfolgte durch den Übergang einer Substanz von einem kristallinen zu einem amorphen Aggregatzustand. Im Gegensatz zu organischer Substanz könnte die Chalkogenidlegierung in ihren ursprünglichen kristallinen Zustand zurückkehren, was die Möglichkeit einer Mehrfachaufzeichnung auf der Platte bietet.

Ein Jahr vor dem Aufkommen des CD-RW-Formats kamen DVDs (Digital Versatile Disc) ans Licht. Die Geschichte hinter der DVD ist ziemlich unterhaltsam. Es entstand in den frühen 90er Jahren, als Philips und Sony an der Entwicklung der MMCD-Technologie (Multimedia Compact Disc) beteiligt waren, und die Allianz, zu der Toshiba, Time Warner, Hitachi, Pioneer und einige andere gehörten, arbeitete an der Erstellung des SD-Standards (Super Dichte). Beide Koalitionen bewarben aktiv ihre Technologie, aber unter dem Druck von IBM, der eine Wiederholung des „Formatkrieges“ zwischen VHS und Betamax befürchtete, machten sie Kompromisse. So entstand die DVD-Technologie.

Ein Merkmal des DVD-Formats war, dass es ursprünglich als Ersatz für alternde Videobänder entwickelt wurde. Daher wurde zum ersten Mal entschieden, die Abkürzung DVD als Digital Video Disc zu entschlüsseln. Später stellte sich jedoch heraus, dass DVDs ideal zum Speichern von Daten jeglicher Art sind, und der vorherige Name wurde schnell in Digital Versatile Disc geändert.

Das Design der DVD-ROM unterscheidet sich nicht so sehr von der vorherigen Standard-CD. In der DVD-Technologie wurde die Größe der Pits reduziert, so dass zum Lesen solcher Discs ein roter Laser mit einer Wellenlänge von 635 oder 650 nm verwendet werden konnte. Zum Vergleich: CDs wurden mit einem Laser mit einer Wellenlänge von 780 nm gelesen. Außerdem begannen sich die Boxengassen näher beieinander zu befinden. Dies ermöglichte es, die Aufnahmedichte signifikant zu erhöhen, und als Ergebnis enthielt eine Single-Layer-DVD 4,7 GB Daten - 6,5-mal mehr als eine CD. Es ist auch zu beachten, dass das Design der DVD die Verwendung von zwei Platten mit einer Dicke von jeweils 0,6 mm anstelle von 1,2 mm in der CD vorsieht. Dank dessen wurde es möglich, Informationen in zwei Schichten auf DVD aufzunehmen - in der üblichen unteren Schicht und in der oberen durchscheinenden.


Um Informationen von einer zweischichtigen Platte zu lesen, musste der Laser den Fokus durch Ändern der Wellenlänge ändern. Der Hauptvorteil solcher "Discs" war ein doppeltes Volumen - 8,5 GB. Außerdem erschienen nach einiger Zeit doppelseitige DVDs, darunter auch zweischichtige. Die Kapazität solcher Geräte hat beeindruckende 17 GB erreicht.

1997 wurden die ersten Discs für die einmalige Aufzeichnung von Informationen zum Verkauf angeboten. Sie haben das DVD-R-Label bekommen. Und bereits 1999 konnte man DVD-RW-Geräte im Verkauf sehen, auf denen Informationen viele Male aufgezeichnet werden konnten. Bei der Erstellung dieser beiden Formate wurden dieselben Prinzipien verwendet, die die Grundlage für CD-R- und CD-RW-Discs bildeten: Zwischen dem Substrat und dem Reflektor befand sich eine Schicht aus organischem oder anorganischem Material, die unter dem Einfluss eines Lasers Pits simulieren konnte.

Beide Standards, DVD-R (W), wurden von der DVD Forum Alliance vorgeschlagen. Zusätzlich dazu entwickelte diese Organisation das DVD-RAM-Format, das im Vergleich zu DVD-RW mit einer höheren Lesegeschwindigkeit und einer großen Anzahl von Umschreibzyklen (bis zu 100.000, während eine DVD-RW-Disc nur zehntausend Mal umgeschrieben werden konnte) günstig ist. Das DVD-RAM-Format war jedoch nicht mit DVD-RW kompatibel, und daher konnten herkömmliche DVD-Laufwerke solche Discs nicht lesen. Aus diesem Grund hat die Technologie nicht viel Verbreitung erhalten.



Im Jahr 2002 führten Sony und Philips, die nicht Teil des DVD-Forums waren, die abwärtskompatible DVD-R (W) -Technologie DVD + R (W) ein. Das neue Format unterschied sich von der „Minus“ -Version durch die Markierung, die die Positionierung des Lesekopfs und anderen Materials der reflektierenden Schicht erheblich vereinfachte. Außerdem wurden auf DVD + R (W) Informationen wie auf Videokassetten über der alten aufgezeichnet, während für die Aufnahme auf DVD-R (W) zuerst alle Daten auf der Disc gelöscht werden mussten. Dies wirkte sich auch positiv auf die Schreibgeschwindigkeit von DVD + R (W) -Geräten aus.

Damit war das Potenzial der DVD-Technologie ausgeschöpft, und der nächste Schritt in der Branche war die Veröffentlichung einer neuen Generation optischer Laufwerke: Blu-ray und HD DVD. Sie sahen das Licht im Jahr 2006. Das Blu-ray-Format wurde vom Konsortium der Blu-ray Disc Association entwickelt, zu der so große Unternehmen wie Sony, Panasonic, Samsung, LG und viele andere gehörten. An der Entwicklung der HD-DVD-Technologie waren japanische Hersteller beteiligt: ​​NEC, Toshiba und Sanyo. Beide Formate verwendeten einen blau-violetten Laser mit einer Wellenlänge von 405 nm, was wiederum eine signifikante Erhöhung der Plattenkapazität ermöglichte. Eine Single-Layer-Blu-ray-Disc enthält also 25 GB Daten und eine HD-DVD - 15 GB.

Im Allgemeinen waren die Eigenschaften von Blu-ray und HD DVD sehr ähnlich. Amerikanische Filmstudios machten jedoch klar, dass sie nicht beide Technologien gleichzeitig unterstützen würden. Der "Krieg der Formate" dauerte zwei Jahre. Während dieser Zeit bevorzugte die überwiegende Mehrheit der Filmstudios den Blu-ray-Standard, und im Februar 2008 kündigte Toshiba die Einstellung der Entwicklung und die weitere Unterstützung für HD-DVD an.

Seitdem ist Blu-ray der einzige Player auf dem Markt für optische Laufwerke. Während dieser Zeit erschienen BD-R- und BD-RE-Discs für Einzel- und Mehrfachaufnahmen. Darüber hinaus wurde 2009 die Blu-ray 3D-Technologie eingeführt, mit der dreidimensionale Videoinhalte gespeichert und wiedergegeben werden können. Anfang nächsten Jahres werden die ersten 4K-Filme auf optischen Ultra HD Blu-ray-Discs veröffentlicht. Der neue Standard unterstützt Auflösungen von 3840 x 2160 Pixel, Dolby Atmos- und DTS: X-Audioformate, HDR-Technologie und Hochfrequenz-Scannen (bis zu 60 Bilder pro Sekunde). Die Kapazität solcher Festplatten beträgt 50, 66 oder 100 GB.

(Fortsetzung folgt…)

Source: https://habr.com/ru/post/de387287/