Оптические накопители

Оптические накопители — это класс систем хранения данных, использующих свет для чтения или записи данных на оптические носители. Хотя число со временем использовалось много форматов оптических носителей, наиболее распространенными примерами являются оптические диски, такие как компакт-диск (CD) и цифровой универсальный диск (DVD). Методы чтения и записи также менялись со временем, но большинство современных систем на 2023 год используют лазеры в качестве источников света и применяют их как для чтения, так и для записи дисков^[1]. Британская энциклопедия (Britannica ) отмечает, что они «используют лазерные лучи малой мощности для записи и извлечения цифровых (двоичных) данных»^[2][3].

Записываемые оптические носители данных

Обзор

Оптический накопитель — это хранилище данных^[англ.] на читаемых оптических носителях. Запись данных осуществляется путем нанесения меток, образующих определенный узор, который затем считывается с помощью света, обычно лазерного луча, точно сфокусированного на вращающемся оптическом диске. Более старым примером оптического хранения, не требующего использования компьютеров, является микроформа. Существуют и другие способы оптического хранения данных, и новые методы находятся в разработке. Привод оптических дисков — это устройство в компьютере, которое может читать CD-ROM или другие оптические диски, такие как DVD и Blu-ray. Оптические накопители отличаются от других методов хранения данных, использующих другие технологии, таких как магнетизм (дискеты и жёсткие диски) или полупроводники (флеш-память).

Оптические носители в виде дисков позволяют записывать информацию на компакт-диск в реальном времени. Компакт-диски имели множество преимуществ перед магнитными лентами, поскольку обеспечивали более высокое качество и возможность воспроизведения цифрового звука^{[англ.][4]}. Оптические накопители также приобрели значение благодаря своим экологическим преимуществам и высокой энергоэффективностью^[5].

Оптические накопители могут представлять собой как один привод, считывающий один CD-ROM, так и несколько приводов, работающих с несколькими дисками, например, автоматическое устройство чтения и записи оптических дисков^[англ.] (jukebox). Один CD (компакт-диск) вмещает около 700 МБ (мегабайт), а автоматические устройства (jukebox) — значительно больше. Однослойные DVD-диски могут хранить 4,7 ГБ, а двухслойные — 8,5 ГБ. Эти объемы могут быть удвоены до 9,4 ГБ и 17 ГБ за счет изготовления двухсторонних DVD с возможностью чтения с обеих поверхностей диска. HD DVD-диски могли хранить 15 ГБ в однослойном варианте и 30 ГБ в двухслойном. Диски Blu-ray, победившие в «войне стандартов» и вытеснившие HD DVD, могут вмещать 25 GB в однослойном варианте, 50 GB в двухслойном и до 128 GB в четырёхслойном.

История

IBM долгое время была лидером в разработке оптических систем хранения данных на ранних этапах развития вычислительной техники. В 1959 году компания внедрила Автоматический Переводчик Языков^[англ.], который использовал оптический диск, содержащий 170 000 слов и фраз на русском языке с их переводами на английский^[6]. В 1961-1962 годах была разработана система IBM 1360 Photo-Digital Storage System^[англ.] (фото-цировая система хранения), которая использовала небольшие фотослайды, считываемые с помощью обычной лампы накаливания в качестве источника света и фотоэлемента в качестве детектора. Отдельная система записывала данные на слайды с помощью электронной пушки, что делало её системой чтения/записи. В полностью расширенном виде система 1360 могла хранить до полутерабита данных и обеспечивала полуслучайный доступ^[7]. Похожей системой была система Foto-Mem FM 390^[англ.] компании Foto-Mem Inc.

На протяжении большей части 1960-х и 1970-х годов различные виды оптических носителей, в основном в дисковом формате, конкурировали с магнитными записями, но так и не получили широкого распространения. Именно появление полупроводниковых лазеров предоставило технологию, необходимую для того, чтобы сделать оптическое хранение данных более практичным как с точки зрения плотности записи^[англ.], так и стоимости. Цены упали до такого уровня, что их можно было использовать в потребительских товарах, что привело к появлению в 1978 году аналогового формата LaserDisc. Вслед за этим в августе 1982 года появился цифровой^[англ.] аудио/музыкальный CD^[8], что вскоре привело к усилиям по стандартизации записи данных на этом носителе. Это было представлено в 1985 году как «Yellow Book» (Жёлтая книга), которая стала известна как CD-ROM^[9].

В 1983 году компания Philips представила на отраслевой конференции свои ранние разработки в области магнитооптических накопителей. В этих устройствах лазер нагревал носитель информации, так что он становился восприимчивым к магнитным полям , а электромагнит, аналогичный тому, что используется в жестком диске, записывал данные, переориентируя материал внутри. При чтении устройство работало как обычный оптический накопитель — лазер использовал низкие уровни энергии, недостаточные для нагрева диска. В то время ходили слухи, что IBM будет использовать эту технологию в будущих версиях своих компьютеров IBM PC^[10], но эти предположения не оправдались. Canon выпустила версию в корпусе, похожем на используемый для 3,5-дюймовых дискет. Появившись в 1985 году, она не нашла широкого применения до 1988 года, когда стала центральным элементом компьютера NeXT^[11]. Различные модификации этой конструкции появлялись в течение 1990-х годов, но за пределами Японии они так и не получили широкой популярности, хотя формат MiniDisc фирмы Sony имел некоторый успех^[12].

В 1988 году в «Orange Book» (Оранжевую Книгу) был добавлен формат однократной записи CD-WO , к уже существующему формату CD. Носитель был совместим с существующими CD-приводами, позволяя записывать музыку и данные, а затем считывать их в любом существующем приводе. Со временем это стало известно как CD-R^[9]. В 1990 году в «Orange Book» была добавлена магнитооптическая перезаписываемая версия физического формата CD, CD-MO, которые отличались от более ранних MO-систем в основном тем, что диск не был заключен в оболочку. Этот формат получил малое распространение. Постоянные усовершенствования приводов и носителей привели к добавлению в 1997 году формата CD-RW, который позволял записывать, стирать и перезаписывать диски. Этот формат несовместим со старыми CD-приводами, в отличие от CD-R, но приводы только для чтения, способные считывать CD-RW, стали распространены в 2000-х годах по мере роста использования CD-RW.

Оптические носители сделали еще один большой шаг вперед с появлением в 1996 DVD, который стал для видео тем же, чем CD стал для музыки. Изначально предполагалось назвать формат «digital video disc» (цифровой видеодиск), но перед выпуском название было изменено на «digital versatile disc» (цифровой универсальный диск), чтобы подчеркнуть его пригодность и для хранения компьютерных данных^[13]. Со временем DVD развивались по схожему с CD пути — в 1997 году корпорация Pioneer представила формат однократной записи DVD-R, который можно было читать на существующих DVD-приводах^[14]. Однако в 2002 году появился второй формат однократной записи DVD+R, что привело к кратковременной «войне стандартов» до того, как стали распространены приводы с двойным форматом^[англ.](универсальные приводы). В 1999 году был представлен формат перезаписи DVD-RW, но, как и ранние CD, он не читался «обычными» DVD-приводами. Со временем улучшения привели к тому, что большинство новых DVD-приводов стали способны читать все эти типы носителей^[15].

В этот период произошло еще одно техническое усовершенствование: появились полупроводниковые лазеры с более высокой частотой, работающие в синем и ближнем ультрафиолетовом диапазоне. Эти более короткие длины волн, в сочетании с улучшениями в базовых носителях, позволили хранить на диске гораздо больше данных. С повсеместным распространением телевидения высокой чёткости в начале 2000-х годов возникла проблема необходимости носителя, способного хранить значительно большие видеофайлы с более высоким разрешением^[16], что привело к появлению двух конкурирующих стандартов: HD DVD и Blu-ray. Первый мог производиться на существующем оборудовании для производства DVD, но (изначально) предлагал видеоформаты с более низким разрешением (и меньшим объемом хранения данных), в то время как для второго требовалось новое производственное оборудование, но оно поддерживало разрешение 1080p. Со временем Blu-ray одержал победу в войне форматов оптических дисков высокой четкости^[англ.], и Toshiba объявила о прекращении поддержки HD DVD 19 февраля 2008 года. Это оказалось пирровой победой, поскольку рынок быстро перешел на потоковые сервисы. Blu-ray по-прежнему предпочитают потоковым сервисам из-за его технических качеств, но по состоянию на 2023 год его доля на рынке ничтожно мала^[17].

По состоянию на 2023 год Blu-ray остается последним широко распространенным оптическим форматом. Постоянно растущая скорость широкополосного интернета вытеснила его во многих сферах, связанных широкополосного интернета вытеснила его во многих сферах, связанных с распространением медиаконтента и видеоигр. Стремительное удешевление флеш-памяти в 2010-х годах привело также к изменению их роли для архивации. Было предложено несколько новых технологий для создания нового оптического стандарта, но они не получили широкого распространения. К ним относятся:

• Holographic Versatile Disc (HVD, Голографический универсальный диск) представлен в 2003 году, но до сих пор не используется в коммерческих целях
• 210-нанометровые ультрафиолетовые лазеры, которые примерно удвоят плотность^[18]
• Объёмная оптическая память, которая имеет несколько слоев носителя и, следовательно, хранит объемы, в несколько раз превышающие емкость Blu-ray
• 5D оптическое хранилище данных, которое в первую очередь предназначено для долговременного хранения данных на протяжении тысяч лет

• Оптика ближнего поля^[англ.]
• Оптика с твердым иммерсионным слоем (позволяющая достичь чрезвычайно высокой числовой апертурой).
• Диски, использующие очень короткую длину волны, такую как ультрафиолет или рентгеновское излучение.
• Диски выбора слоев (LS-R^[англ.]).
• Многослойная^[англ.] технология.
• Сложные формы ямок, позволяющие хранить несколько каналов на одной дорожке..
• Техники мультиплексирования длины волны.

Ассоциация оптических технологии хранения данных^[англ.] (Optical Storage Technology Association, OSTA) была международной торговой ассоциацией, созданной для продвижения использования записываемых технологий и продуктов оптического хранения данных.

В трёхмерном пространстве

3D оптическое хранение данных — это любая форма оптического хранения данных, в которой информация может быть записана или прочитана с трехмерным разрешением (в отличие от двумерного разрешения, которое, например, предоставляется CD).

См. Также

• Сохранение оптических носителей^[англ.]
• Eternal 5D (Метод оптического хранения данных, использующий технологию, аналогичную той, что применяется для лазерной графики )