Компакт-диск

Компакт-диск ( англ. Compact Disc ) - оптичний носій інформації у вигляді пластикового диска з отвором в центрі, процес запису і зчитування інформації якого здійснюється за допомогою лазера. Подальшим розвитком компакт-дисків стали DVD.

Спочатку компакт-диск був створений для зберігання аудіозаписів у цифровому вигляді (відомий як CD-Audio), проте в подальшому став широко використовуватися як носій для зберігання будь-яких даних ( файлів) в двійковому вигляді (т. зв. CD-ROM ( англ. Compact Disc Read Only Memory , Компакт-диск тільки для читання), або КД-ПЗУ - "Компакт-диск, постійне запам'ятовуючий пристрій "). Надалі з'явилися компакт-диски не тільки з можливістю читання одноразово занесеної на них інформації, але і з можливістю їх запису і перезапису ( CD-R, CD-RW).

Формат файлів на CD-ROM відрізняється від формату запису аудіо-компакт-дисків і тому звичайний програвач аудіо-компакт-дисків не може відтворити збережену на них інформацію, для цього потрібен спеціальний привід (пристрій) для читання таких дисків (зараз є практично в кожному комп'ютері).

Компакт-диск (CD-ROM) став основним носієм для перенесення інформації між комп'ютерами (витіснивши з цієї ролі флоппі-диск). Зараз він поступається цю роль більш перспективним твердотілим носіям.

1. Історія

Компакт-диск був розроблений в 1979 компаніями Philips і Sony. На Philips розробили загальний процес виробництва, грунтуючись на своїй попередній технології лазерних дисків. Sony, в свою чергу, використовувала власний метод кодування сигналу PCM - Pulse Code Modulation, що використовувався раніше в цифрових професійних магнітофонах. В 1982 почалося масове виробництво компакт-дисків, на заводі в місті Лангенхагені під Ганновером, у Німеччині. Випуск першого комерційного музичного CD був анонсований 20 червня 1982 року. Історія свідчить, що на ньому був записаний альбом " The Visitors "групи ABBA. ^[1]. Першим компакт диском, що потрапили на прилавки музичних магазинів був альбом Біллі Джоела 1978 року під назвою 52nd Street. Продажі цього альбому на CD почалися в Японії 1 жовтня 1982 року.

За даними Philips, за 25 років у світі було продано більше 200 мільярдів CD. Незважаючи на те, що все більше людей воліють купувати музичні файли через інтернет, за даними IFPI - продажу компакт-дисків до цих пір складають близько 70% всіх продажів музики. ^[2]

Значний внесок у популяризацію компакт-дисків внесли Microsoft і Apple Computer. Джон Скаллі, тодішній CEO Apple Computer, в 1987 році сказав, що компакт-диски зроблять революцію в світі персональних комп'ютерів. Один з перших масових мультимедійних комп'ютерів / розважальних центрів, що використовують CD диски, була Amiga CDTV (Commodore Dynamic Total Vision), пізніше CD диски стали використовувати в ігрових приставках Panasonic 3DO і Amiga CD32.

2. Обсяг збережених даних

Компакт-диски мають в діаметрі 12 см і спочатку вміщували до 650 Мбайт інформації (або 74 хвилини звукозапису). Згідно з однією з легенд, розробники розраховували об'єм так, щоб на диску повністю помістилася дев'ята симфонія Бетховена (найпопулярніше музичний твір в Японії в 1979 згідно зі спеціально проведеним опитуванням), що триває (у самому довгому з відомих виконань) саме 74 хвилини. Проте, починаючи приблизно з 2000, все більшого поширення отримували диски об'ємом 700 Мбайт, які дозволяють записати 80 хвилин аудіо, згодом повністю витіснили диск об'ємом 650 Мбайт. Зустрічаються і носії об'ємом 800 мегабайт (90 хвилин) і навіть більше, проте вони можуть не читатися на деяких приводах компакт-дисків. Бувають також сингли, діаметром 8.9 см (Не плутати з міні-дисками діаметром 8 см), на які вміщається близько 140 або 210 Мбайт даних або 21 хвилина аудіо, і CD, формою нагадують кредитні картки (т. зв. диски-візитки).

Збільшення ємності збереженої інформації стало можливим завдяки повному використанню допусків на виготовлення дисків. Так, наприклад, відстань між доріжками за стандартом ECMA-130 становить 1,6 0,1 мікрометра, лінійна швидкість обертання диска 1,2 або 1,4 м / с 0,01 м / с при тактовій частоті 4,3218 Мбіт / с. Ємність в 650 Мбайт відповідає швидкості 1,41 м / с і відстані між доріжками рівним 1,7 мікрометра, а ємність в 800 Мбайт - швидкості в 1,39 м / с ^{[джерело не вказано 532 дні]} і відстані між доріжками в 1, 5 мікрометра.

3. Технічні деталі

3.1. Геометрія диска

CD-ROM під електронним мікроскопом

Компакт-диск являє собою полікарбонатну підкладку товщиною 1,2 мм і діаметром 120 мм, покриту тонким шаром металу ( алюміній, золото, срібло та ін), захищеного шаром лаку, на який зазвичай наноситься графічне представлення змісту диска. Принцип зчитування через підкладку дозволяє досить просто і ефективно здійснити захист інформаційної структури і видалити її від зовнішньої поверхні диска. Діаметр пучка на зовнішній поверхні диска становить близько 0,7 мм, що підвищує завадостійкість системи до пилу і подряпин. Крім того, на зовнішній поверхні є кільцевий виступ висотою 0,2 мм, що дозволяє диску, покладеному на рівну поверхню, не торкатися цієї поверхні. У центрі диска розташований отвір діаметром 15 мм. Вага диска без коробки становить ~ 15,7 г. Вага диска у звичайній Джуел-коробці ("jewel", не "slim") дорівнює ~ 74 г.

3.2. Кодування інформації

Формат зберігання даних на диску, відомий як Red Book ("Красная книга"), был разработан компанией Philips. В соответствии с ним на компакт-диск можно записывать звук в два канала с 16-битной импульсно-кодовой модуляцией (PCM) и частотой дискретизации 44,1 кГц. Завдяки коррекции ошибок с помощью кода Рида - Соломона, лёгкие радиальные царапины не влияют на читаемость диска. Philips также владеет всеми правами на знак "Compact disc digital audio", логотип формата аудио-компакт-дисков.

3.3. Информационная структура

Информация на диске записывается в виде спиральной дорожки из питов (англ. pit - углубление), выдавленных в поликарбонатной основе. Каждый пит имеет примерно 100 нм в глубину и 500 нм в ширину. Длина пита варьируется от 850 нм до 3,5 мкм. Промежутки между питами называются лендом (англ. land - пространство, основа). Шаг дорожек в спирали составляет 1,6 мкм. Питы рассеивают или поглощают падающий на них свет, а подложка - отражает. Поэтому записанный компакт-диск - пример отражательной дифракционной решётки с периодом 1,6 мкм. Для сравнения, у DVD период - 0,74 мкм.

Различают диски только для чтения ("алюминиевые"), CD-R - для однократной записи, CD-RW - для многократной записи. Диски последних двух типов предназначены для записи на специальных пишущих приводах. В некоторых CD-плеерах и музыкальных центрах такие диски могут не воспроизводиться (в последнее время все производители бытовых музыкальных центров и CD-плееров включают в свои устройства поддержку чтения CD-R/RW).

3.4. Считывание информации

Данные с диска читаются при помощи лазерного луча с длиной волны 780 нм, излучаемого полупроводниковым лазером. Принцип считывания информации лазером для всех типов носителей заключается в регистрации изменения интенсивности отражённого света. Лазерный луч фокусируется на информационном слое в пятно диаметром ~1,2 мкм. Если свет сфокусировался между питами (на ленде), то приёмный фотодиод регистрирует максимальный сигнал. В случае, если свет попадает на пит, фотодиод регистрирует ме́ньшую интенсивность света.

Различие между дисками "только для чтения" (CD) и дисками однократной/многократной записи (CD-R/RW) заключается в способе формирования питов. В случае диска "только для чтения" питы представляют собой некую рельефную структуру (фазовую дифракционную решетку), причём оптическая глубина каждого пита чуть меньше четверти длины волны света лазера, что приводит к разнице фаз в половину длины волны между светом, отражённым от пита и светом, отражённым от ленда. В результате в плоскости фотоприёмника наблюдается эффект деструктивной интерференции и регистрируется снижение уровня сигнала. В случае CD-R/RW пит представляет собой область с бо́льшим поглощением света, нежели ленд (амплитудная дифракционная решетка). В результате фотодиод также регистрирует снижение интенсивности отражённого от диска света. Длина пита изменяет как амплитуду, так и длительность регистрируемого сигнала.

Скорость чтения/записи CD указывается кратной 150 Кб/с (то есть 153 600 бит/с). Например, 48-скоростной привод обеспечивает максимальную скорость чтения (или записи) CD, равную 48 150 = 7200 Кб/с (7,03 Мб/с).

4. Захист від копіювання

Спецификация компакт-дисков не предусматривает никакого механизма защиты от копирования - диски можно свободно размножать и воспроизводить. Однако начиная с 2002 года, различные западные звукозаписывающие компании начали предпринимать попытки создать компакт-диски, защищённые от копирования. Суть почти всех методов сводится к намеренному внесению ошибок в данные, записываемые на диск, так, чтобы на бытовом CD-плеере или музыкальном центре диск воспроизводился, а на компьютере - нет. В итоге получается игра в кошки-мышки: такие диски читаются далеко не на всех бытовых плеерах, а на некоторых компьютерах - читаются, выходит программное обеспечение, позволяющее копировать даже защищённые диски и т. д. Звукозаписывающая индустрия, однако, не оставляет надежд и продолжает испытывать всё новые и новые методы.

Philips заявила, что на подобные диски, не соответствующие спецификациям "Red book", запрещается наносить знак "Compact disc digital audio".

Для дисков с данными также существуют разнообразные методы защиты от копирования, например технологии StarForce, SecurDisc и др.

5. Производство компакт-дисков

• Первым этапом производства компакт-дисков является мастеринг - процесс подготовки данных, для запуска в серию.
• Другий етап - фотолітографія - процес виготовлення штампа диска. На скляний диск наноситься шар фоторезиста, на який проводиться запис інформації. Фоторезист - полімерний світлочутливий матеріал, який під дією світла змінює свої фізико-хімічні властивості.
• Третий етап - запис інформації. Запис здійснюється лазерним променем, потужність якого модулюється записуваної інформацією. Для створення пита потужність лазера підвищується, що призводить до руйнування хімічних зв'язків молекул фоторезиста, в результаті чого він "задубевает".
• Четвертий етап - проявка фоторезиста. Поверхня фоторезиста піддається травленню (кислотному, лужному, плазмового), при якому видаляються ті області фоторезиста, які не були експоновані лазерним променем.
• П'ятий етап - гальванопластика. Виявлений скляний майстер-диск поміщається в гальванічну ванну, де на його поверхню виробляється електролітичне осадження тонкого шару нікелю.
• Шостий етап - штампування дисків методом лиття під тиском з використанням отриманого штампа.
• Сьомий етап - напилення дзеркального металевого ( алюміній, золото, срібло та ін) шару на інформаційний шар.
• Восьмий етап - нанесення захисного лаку.
• Дев'ятий етап - нанесення графічного зображення - лейбла (від англ. Label ).

6. Запис на компакт-диски

Існують і диски, призначені для запису в домашніх умовах: CD-R (Compact Disc Recordable) для одноразовою і CD-RW (Compact Disc ReWritable) для багаторазового запису. В таких дисках використовується спеціальний активний матеріал, що дозволяє здійснювати запис / перезапис інформації. Розрізняють диски з органічним (в основному диски CD-R-типу) і неорганічним (в основному CD-RW-диски) активним матеріалом.

При використанні органічного активного матеріалу запис здійснюється шляхом руйнування хімічних зв'язків матеріалу, що призводить до його потемніння (зміни коефіцієнта відображення матеріалу). При використанні неорганічного активного матеріалу запис здійснюється зміною коефіцієнта відображення матеріалу в результаті його переходу з аморфного агрегатного стану в кристалічний і навпаки. І в тому і в іншому випадку запис проводиться модуляцією потужності лазера.

У просторіччі такі записувані диски називаються "болванками" і записуються на спеціальних друкарських приводах для компакт-дисків (широко сьогодні поширених), на сленгу іменованих "різаками". Процес запису називається "пропаленням" (від англ. to burn ) Або "нарізкою" диска.

6.1. Технологія HD-BURN ^[3]

Суть технології запису високої щільності полягає в застосуванні двох нових принципів, які дозволяють записувати вдвічі більше інформації на звичайному носії - CD-R диск.

1. Довжина пита на диску зменшується до 0,62 мікрометра. ^{[ уточнити ]} Довжина пита звичайного CD становить 0,83 мікрометра. ^{[ уточнити ]} Це означає, що HD-BURN збільшує ємність диска в 1,35 рази. Довжина пита 0,62 мкм була обрана для того, щоб всі існуючі DVD Video програвачі та приводи DVD-ROM змогли зчитувати HD-BURN диски після незначної модернізації.
2. Застосовується інша система корекції помилок: замість CIRC (Cross Interleaved Reed Solomon Code - перемежовується код Ріда-Соломона) використовується RS-PC (RS-PRODUCT Code) з модуляцією 8-16. Це дозволило збільшити ємність ще в 1,49 рази. Як повідомляє Sanyo, нова система корекції помилок RS-PC не тільки більш компактна, але й істотно більш ефективна ніж CIRC.

У підсумку, ємність одного CD-диска, записаного в режимі HD-BURN, в два рази перевищує ємність CD-диска, записаного в звичайному режимі.

7. Shape CD

Shape CD (Англ.) рос. (Фігурний компакт-диск) - диск CD-ROM, але не строго круглої форми, а довільної форми, з обрисом зовнішнього контуру у вигляді різноманітних об'єктів, таких як силуети, машини, літаки, сердечка, зірочки, овали, у формі кредитних карток і т. д. Звичайно застосовується в шоу-бізнесі як носій аудіо-та відеоінформації. Був запатентований рекорд-продюсером Маріо Косса в Німеччині (1995).

Зазвичай диски з формою, що відрізняється від круглої, не рекомендують застосовувати в приводах CD-ROM, оскільки при високих швидкостях обертання диск може лопнути і повністю вивести привід з ладу. Тому перед вставкою Shape CD в привід слід примусово обмежити швидкість обертання диска за допомогою спеціальних програм. Проте, і цей захід не дає гарантії безпеки CD-приводу.

8. Цікаві факти

Незважаючи на те, що минуло зовсім небагато часу з моменту створення компакт-дисків, ця подія встигло обрости безліччю легенд.

Вживання такого словосложения як "CD-диск" є тавтологією, бо, абревіатура CD ( англ. Compact Disc ) Вже включає в себе слово "диск": Компакт-диск-диск. Аналогічно з DVD -диском ( англ. Digital Versatile Disc ): Цифровий універсальний диск.

Перший музичний альбом, випущений у форматі компакт-диска - " 52nd Street " Біллі Джоела ^[4]

8.1. Версія Джеймса Рассела

Існує версія про те, що компакт-диск винайшли зовсім не Philips і Sony, а американський фізик Джеймс Рассел ^[5], який працював у компанії Optical Recording. Вже в 1971 він продемонстрував свій винахід для зберігання даних. Робив він це для "особистих" цілей, бажаючи запобігти дряпання своїх вінілових платівок голками звукознімачів. Через вісім років подібний пристрій було "незалежно" винайдено компаніями Philips і Sony.

8.2. Дев'ята симфонія Бетховена і компакт-диск

Очевидці та учасники переговорів про формат КД свідчать, що в Philips і Sony до травня 1980 не було єдиної думки про зовнішній діаметрі диска. З точки зору інженерів Sony був достатній діаметр в 100 мм, оскільки він дозволяє миниатюризировать портативний програвач. Від вищого керівництва Philips виходила ідея зробити диск не більше діагонального розміру стандартної аудіокасети (115 мм), що мала на ринку великий успіх. Крім того, в цьому випадку диск відповідає нормальним рядах лінійних розмірів системи DIN.

Віце-президент корпорації Sony Норіо Ога ^[6], музикант ^[7], в свою чергу вважав, що диск повинен бути в змозі вмістити 9-у симфонію Бетховена. У цьому випадку, на його думку, на дисках можна буде поширювати до 95% класичних творів. ^{[8] [9]} Подальші дослідження показали, що, наприклад, дев'ята симфонія у виконанні берлінського філармонічного оркестру під керівництвом Герберта фон Караяна мала тривалість 66 хвилин. Найбільш тривалим виконанням стала симфонія під керівництвом Вільгельма Фуртвенглера, виконана на байрейтского фестивалі - 74 хвилини. Це, мовляв, і послужило вирішальним аргументом при прийнятті рішення про ємності диска ^{[10] [11]}.

"Як і в більшості випадків, красива історія не має нічого спільного з реальним життям. Ця історія вийшла з-під пера піарників Philips", - вважає колишній інженер Philips Кеес Схоухамер Іммінк. Реальність же, на його думку, була іншою. Під Ганновером Philips вже підготував виробничу лінію з випуску компакт-дисків на заводі PolyGram. У мінімальні терміни можна було запустити виробництво дисків розміром 115 мм. Випуск дисків розмірів 120 мм вимагав значних витрат грошей і часу, оскільки був пов'язаний із заміною оснащення. На думку Іммінка, Sony не захотіла змиритися ситуацією, що Philips одержить перевагу щодо виходу на ринок. ^[12]

Як би там не було, в травні 1980 року розчерком пера вищого керівництва фірм було встановлено остаточний розмір диска в 120 мм, ємність диска в 74 хвилин аудіозапису та частота дискретизації у 44,1 кГц. Всі інші технічні параметри перераховувалися, виходячи з узгоджених даних.

Примітки

Література

• Боухьюз Г., Браат Дж., Хейсер А. та ін Оптичні дискові системи = Principles of Optical Disc Systems - М .: Радіо і зв'язок, 1991. - 280 с. - ISBN 5-256-00378-X.
• Марк Л. Чемберс. Запис компакт-дисків та DVD для "чайників" = CD & DVD Recording For Dummies - 2-е вид. - М .: Діалектика, 2005. - 304 с. - ISBN 0-7645-5956-7.
• Е. Таненбаум. Сучасні операційні системи = Modern operating systems - 2-е вид. - Пітер, 2006. - 1037 с. - ISBN 0-13-031358-0.