технологии: Красный, синий, голубой…

технологии: Красный, синий, голубой…

Автор: Юрий Ревич

Обычные компакт-диски широко распространены и по сей день - как в качестве музыкальных носителей, так и для записи данных. Хотя DVD-болванки уже почти сравнялись в цене с CD, все же при небольших объемах данных последние предпочтительнее - хотя бы из-за большей гипотетической долговечности. В реальности долговечность носителей никто не проверял (она вычисляется на основе косвенных экспериментов по искусственному старению), и трудно сказать, что на нее больше влияет, - вполне может оказаться, что особенности производства позволят какому-нибудь качественному DVD-RW храниться дольше, чем "бюджетному" CD-R. Но давайте обо всем по порядку.

DVD

В начале тысячелетия технология DVD, особенно в части записываемых и перезаписываемых дисков, была еще довольно дорога, и предпринимались многочисленные попытки приспособить обычные CD для записи больших объемов информации. Типичным примером может служить технология HD-Burn, придуманная компанией Sanyo и позволявшая довести емкость оптического носителя до 1,4 Гбайт. Достигнуто это было за счет уменьшения размера пита с минимальных 0,833 мкм, принятых в CD, до 0,62 мкм и использования иной системы кодирования. Казалось бы, изменения совсем невелики, но они потащили за собой целый хвост проблем: начиная с необходимости производства более качественных болванок (что приближает их цену к цене DVD) и заканчивая необходимостью модернизации приводов, чтобы они могли такой диск прочесть. И хотя в ряде случаев было достаточно перепрошивки, но HD-Burn, не предлагавшая качественного скачка (подумаешь - всего вдвое увеличили емкость), зато гарантировавшая кучу проблем совместимости, так и осталась в истории.

А в чем, собственно, загвоздка, спросит читатель? Разве трудно CD-приводу прочесть диск с немного уменьшенными питами - при условии, конечно, что диск достаточно качественный - пластик не содержит посторонних включений, питы имеют резкие границы и т. д.? А загвоздка была в использовавшемся инфракрасном лазере с длиной волны 0,78 мкм (780 нм) - как можно видеть, эта величина укладывается в пит размером 0,833 мкм и в половину расстояния между дорожками CD, составляющего 1,6 мкм. Стоит чуть уменьшить эти величины, и лазер не сможет сфокусироваться, а электроника привода перестанет различать питы-впадины и выпуклости.

Правда, как показал пример HD-Burn, немножко уменьшить пит все же можно и в традиционной системе, если применить материалы высокого качества и более аккуратную систему распознавания и обработки ошибок. А при использовании усовершенствованной системы фокусировки размеры пита могут быть в два-три раза меньше, чем длина волны лазера. Если при этом и сам лазер имеет более короткую длину волны, то можно повысить информационную емкость уже не в жалкие два раза, а гораздо больше.

Вот по этому пути и пошли создатели DVD. В первой половине 1990-х сразу несколько компаний начали исследования оптических дисков с использованием красного лазера с длиной волны 650 нм. В 1994 году специальная комиссия в Голливуде определила, каким требованиям должны удовлетворять фильмы на компакт-дисках. В 1995 году Sony и Philips, исходя из этих требований, представили новый формат записи Multimedia CD (MMCD), а Warner и Toshiba объявили о создании формата SD (Super Density - сверхвысокой плотности). 15 сентября 1995 года между различными группами разработчиков было достигнуто принципиальное согласие о технических основах создания нового диска, а 8 декабря крупнейшие производители приводов CD и видеоконтента (Toshiba, Matsushita, Sony, Philips, Time Warner, Pioneer, JVC, Hitachi и Mitsubishi Electric) подписали окончательное соглашение, утвердив в том числе название новинки - Digital Video Disk. Общепринятая ныне расшифровка Digital Versatile Disk (где versatile можно перевести, как "многофункциональный") появилась позднее и больше отвечает современному использованию этой технологии - не только для записи видео. В августе 1997 года продажи DVD начались в США, в том же году в Японии появились первые накопители DVD-ROM для компьютеров.

Для видимого света легче строить фокусирующие системы, чем для инфракрасного, потому разработчикам удалось вдвое уменьшить промежуток между дорожками (до 0,84 мкм, впоследствии - и до 0,74 мкм), а также сократить линейный размер пита до 0,4-0,44 мкм (рис. 1). Предпринятые усилия привели к созданию дисков с информационной емкостью 4,7 Гбайт. Здесь имеются в виду десятичные гигабайты - то есть такие, в которых гигабайт равен 109 байтам. Если же считать в двоичных единицах, то емкость обычного однослойного DVD будет равна 4,38 гигабайта (или гибибайта, как его предлагает именовать ISO). Причем точное число байт может слегка меняться для перезаписываемых дисков различных форматов?- от 4 700 307 456 для DVD-RAM до 4 707 319 808 у DVD-R(W).

Соответственно увеличению емкости возросла и скорость чтения/записи - за однократную для DVD принимается величина 1350 Кбайт/с, в девять раз выше, чем для CD. Поэтому приводы DVD маркируются более скромными цифрами, чем приводы CD, - сейчас они достигли скоростей чтения 18х, но абсолютная скорость намного превышает максимальную для компакт-дисков: 18х для DVD эквивалентно 162х для CD. Это не очень спасает в плане экономии времени: чтобы прочесть всю информацию с обычного DVD с максимальной скоростью 18х, требуется около трех с половиной минут - против полутора минут, требующихся для чтения забитого под завязку CD со скоростью 42х.

DVD в производстве

DVD в принципе отличается от обычного CD только одной существенной деталью?- в нем информационный и отражающий слои формируются не на поверхности диска, а ровно посередине его толщины (рис. 2). Таким образом, лазерному лучу надо преодолеть не 1,2 мм поликарбоната, а лишь 0,6 мм, что способствует лучшей фокусировке. Зато такая конструкция заметно усложняет производство - диск приходится склеивать из двух половинок, одна из которых изготавливается обычным прессованием с помощью никелевой матрицы-оригинала с последующим нанесением отражающего слоя (этакий CD, только в два раза тоньше). Вторая половинка в однослойном DVD служит только для доведения диска до стандартной толщины 1,2 мм, потому является просто пластинкой поликарбоната (на нее сверху наносится подстилающий слой для последующей полиграфии).

Из-за такой сложной технологии первые DVD (даже штампованные, о записываемых и перезаписываемых вообще речи не шло) были дорогими, и достойно восхищения, что разработчики на этом не остановились, а придумали еще три формата дисков, в которых используются в разных сочетаниях дополнительные слои (см. врезку). Простейший из них - DVD-10, двухсторонний диск. Собственно, такая структура напрашивается из рассмотрения технологии производства?- почему бы вторую половинку тоже не сделать рабочей? Но двухсторонние диски всем хороши, кроме одного маленького нюанса: в процессе просмотра, например, фильма такой диск приходится переворачивать вручную.

И более распространенным в последнее время стал двухслойный формат DVD-9. Можно только поражаться смелости разработчиков технологии, изделия которых еще недавно не умели как следует фокусироваться на питах обычного CD: двухслойный формат был предложен практически одновременно с однослойным в середине 90-х. В формате DVD-9 одна из половинок несет на себе полупрозрачный слой из серебра (первоначально употреблялось только золото, ввиду его стойкости, но потом компромисс был найден) с отражающей способ ностью примерно 40% (рис. 2, справа). Далее идет тонкий промежуток и второй информационный слой с обычным отражающим покрытием. Промежуток имеет толщину лишь 40–70 мкм и формируется из слоя специального клея, отверждаемого в ультрафиолетовых лучах.

Разделение слоев при чтении и записи такого диска производится перефокусировкой лазера - представляете, как точно должна работать система фокусировки, если нижний слой, отстоящий от верхнего лишь на несколько десятков микрон, не мешает его чтению? Отсюда и до сих пор наблюдающиеся сложности с совместимостью двухслойных дисков и приводов, особенно характерные для записываемых дисков. Естественно, DVD нельзя штамповать, как одноразовую посуду, на обычной фабрике - все происходит в специальных особо чистых зонах, причем даже отклонение температуры окружающей среды на градус-другой может необратимо испортить конечный продукт.

Записываемые DVD

Первый привод, поддерживающий запись DVD-R, выпустила компания Pioneer в октябре 1997 года (по цене $17000, болванки для него стоили около $50 за штуку), но стандарты устройств и дисков для записи в форматах DVD-RW и DVD-R появились лишь в 2000 году. В 2001 году в Европе были проданы первые устройства для записи в формате DVD по этим стандартам. Их распространение не носило взрывного характера - довольно долго и записывающие приводы, и болванки оставались слишком дорогими.

Для записываемых и перезаписываемых DVD используется технология фазового перехода, полностью аналогичная используемой в CD-RW. Для совместимости накопителей DVD с носителями CD применяются различные технические решения, в том числе смена фокусирующих линз, два лазера с длинами волн 780 и 650 нм или специальный голографический элемент, обеспечивающий правильную фокусировку для каждого типа носителя.

HD-DVD и Blu-ray

Как и в случае DVD, упор при разработке новых форматов оптических носителей высокой плотности был сделан на видеоконтент, причем предполагалось, что им будет видео в высококачественном широкоэкранном формате HDTV. Собственно спецификации обоих форматов были выпущены еще в 2002–03 годах; война форматов, когда индустрия мучительно решала, какому из них отдать предпочтение, фактически отгремела к 2005-му, поскольку стало ясно, что придется использовать оба - силы, стоящие за каждым из них, разделились поровну. В 2006-м индустрия, наконец, разродилась навороченными средствами защиты контента на дисках обоих форматов (защита, разумеется, была тут же взломана), после чего на рынок начали поступать и сами диски с фильмами HDTV-качества.

Однако в начале нынешнего года главный разработчик HD-DVD, корпорация Toshiba, неожиданно отказалась от его поддержки. Забавно, что за это время ни один из форматов не успел распространиться так широко, чтобы вызвать необходимость крупной перестройки рынка?- исключение составляет разве что производство игровых приставок, где микрософтовской Xbox пришлось срочно "менять ориентацию".

Какое-то время на рынке были представлены плееры для обоих форматов, в том числе мультиформатные и записывающие. Почему же Toshiba посчитала целесообразным отказаться от поддержки HD-DVD? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим аргументы, выдвигавшиеся противоборствующими сторонами во время войны форматов.

Первым форматом дисков высокой плотности стал Blu-ray[Неправильное написание слова blue было введено в торговую марку Blu-ray во избежание совпадения со словарной формой. С учетом этой преднамеренной ошибки, название формата переводится как "голубой луч".], предложенный представительным консорциумом Hitachi, LG, Matsushita (Panasonic), Pioneer, Philips, Samsung, Sharp, Sony и Thomson еще в феврале 2002 года. HD-DVD (High Density DVD, то есть DVD высокой плотности) был разработан Toshiba и NEC при поддержке Sanyo и утвержден комитетом DVD Forum в конце 2003 года. Несмотря на меньшее количество инициаторов, HD-DVD был поддержан рядом киностудий, производителями приводов (HP и Fujitsu-Siemens, позднее и Samsung), а также Microsoft и Apple. Улавливаете разницу? Среди сторонников Blu-ray доминировали производители оборудования, а в противном лагере - потребительских устройств и контента. Почему?

HD-DVD и Blu-ray мало отличаются от CD и DVD по принципу работы, но в деталях - существенно разные. Разработчики обоих форматов использовали сине-фиолетовый лазер с длиной волны 405 нм, на этом сходство, пожалуй, и заканчивается. Blu-ray?- совершенно новый формат, в котором толщина прозрачного слоя, защищающего информационный слой, сведена к минимуму?- она составляет 0,1 мм. Ширина дорожки?- 0,32?мкм, минимальная длина пита?- 0,138 мкм. Blu-ray-диск вмещает 23,3, 25 и 27?Гбайт (в зависимости от емкости немного меняется размер пита); однократная скорость чтения составляет 36 Мбит/с.

HD-DVD более близок по структуре к обычным DVD - у него информационный слой расположен посередине диска, на расстоянии 0,6 мм от нижней стороны, как и у DVD, что, в частности, удешевляет производство носителей и позволяет на том же приводе читать обычные DVD. Ширина дорожки HD-DVD - 0,4 мкм, длина пита - 0,204 мкм, то есть больше, чем у Blu-ray. Соответственно, емкость однослойных дисков меньше, чем у Blu-ray, - 15 Гбайт, позднее она была доведена до 17 Гбайт. Зато сразу были подготовлены и 30-гигабайтные двухслойные модификации. Мало того, еще в 2006-м Toshiba выпустила аж трехслойные диски по 17 Гбайт на слой (всего 51 Гбайт) и комбинированные, которые содержат один DVD-слой емкостью 5 Гбайт и два HD-DVD-слоя по 17 Гбайт.

Теперь расстановка сил ясна: кто-то счел, что преемственность и относительная дешевизна носителей HD-DVD важнее инноваций. Однако Blu-ray более перспективен. В 2006 году появились двухслойные носители емкостью 50 Гбайт, в лабораториях TDK был создан шестислойный Blu-ray емкостью 200 Гбайт (по 33 Гбайт на слой), а Hitachi объявила о разработке аж восьмислойного диска емкостью тоже до 200 Гбайт, который планируется выбросить на рынок в 2009 году.

Но и Blu-ray, по сути, революцией не является: это лишь продукт экстенсивного развития старой технологии, которую удалось улучшить благодаря новым материалам и производственным ухищрениям. Реальная перспектива, вероятно, все же за технологиями, использующими не "тупое" уменьшение длины волны лазера (куда дальше?- в рентгеновский диапазон, что ли? так рентгеновских лазеров еще не существует в природе), а иные принципы записи и чтения информации.

Куда дальше?

Компания Iomega, известная широким массам своими не слишком популярными магнитными носителями большой емкости (они же ZIP), еще в 2005 году запатентовала технологию, представляющую собой развитие традиционных оптических технологий. Питы на поверхности диска будут иметь размеры в несколько сотен нанометров (что в принципе достигнуто уже в DVD), но поскольку данные будут считываться путем измерения угла отклонения отраженного лазерного луча (а не изменения его интенсивности, как в традиционных носителях), такой диск, по мнению разработчиков, сможет нести до терабайта информации.

Более перспективным представляется голографический принцип хранения информации на диске, интенсивно разрабатывающийся сейчас многими компаниями, хотя прародитель новинки один - InPhase Technologies, основанная в 2000 году как дочерняя компания Lucent, наследник знаменитых Bell Labs. Ближе всех к промышленному внедрению этой технологии подошла Maxell (подразделение Hitachi), помогавшая InPhase в разработке.

Голография - сохранение информации в трехмерном объеме носителя, а не в двух измерениях плоскости диска, как сейчас,?- позволит не только вместить больше данных, но и считывать их с принципиально более высокой скоростью, за счет одновременного чтения вплоть до нескольких мегабит. Maxell и InPhase еще в 2005 году объявляли о разработке, потенциально позволяющей записать на стандартный 120-мм диск до 1,6 Тбайт информации при скорости чтения 120 Мбайт/с, и грозились вывести голографические диски на рынок еще в 2006-м. На CeBIT 2007 Maxell действительно продемонстрировала серийные приводы и диски (с возможностью перезаписи!), но пока только 300-гигабайтной емкости. В нынешнем году компания обещала представить диски емкостью 800 гигабайт (что-то об этом не слышно), на которых легко уместится пяток полнометражных HDTV-фильмов без всякого сжатия.

В том же направлении работают и другие компании, например Sony и Daewoo. А FujiFilm и Toshiba пытались использовать альтернативную голографическую технологию (от фирмы Optware), но, судя по всему, потерпели неудачу. В целом разработки еще не вышли из стен лабораторий: с присвоением звания "убийцы Blu-ray" технологии придется подождать, ибо стоимость оборудования и болванок пока превышает разумные пределы, составляя более 15000 долларов для привода и от 180 до 200 долларов за чистый диск (вспомним, впрочем, что DVD-R в свое время стоили не меньше). Одна из самых любопытных технических трудностей заключается в том, что голографические диски получаются светочувствительными: внешнее освещение способно разрушить содержащуюся на диске информацию (хотя в темноте она хранится более тридцати лет).

Поскольку быстро развиваются и другие способы хранения данных (например, флэш-память; не собираются сдаваться и традиционные магнитные диски), наверняка не за горами тот день, когда в кармане можно будет носить фильмотеку высочайшего качества. Вопрос лишь в том, как скоро производители убедят потребителей, что им это действительно надо, а также в том, сумеют ли производители освободиться от устаревших маркетинговых представлений, рождавшихся еще в эпоху винила и видеокассет. А тут многое зависит, увы, не от технической стороны дела.

Привод учится читать

Кроме перечисленных далее форматов для стандартных дисков 120 мм, существуют спецификации DVD-1, 2, 3 и 4 (цифра означает примерную емкость в гигабайтах - например, DVD-1 вмещает 1,36 Гбайт данных). Эти форматы соответствуют дискам диаметром 80 мм, с соответствующими комбинациями слоев и сторон.

DVD-5. Однослойный односторонний (Single-sided, Single-layer) диск емкостью 4,7 Гбайт.

DVD-9. Двухслойный односторонний (Single-sided, Double-layer) диск емкостью 8,5 Гбайт. Имеет два информационных слоя, на поверхность одного из них наносится полупрозрачное отражающее покрытие.

DVD-10. Двухсторонний однослойный (Double-sided, Single-layer) диск емкостью 9,4 Гбайт.

DVD-14. Двухсторонний диск, имеющий на одной стороне один информационный слой, а на другой?- два. Емкость - 13,2 Гбайт.

DVD-18. Двухсторонний двухслойный (Double-sided, Double-layer) диск. Емкостью 17 Гбайт.

Последние два формата - большая редкость. По свидетельству журнала Stereo&Video, на DVD-14 выпущено, например, юбилейное американское издание фильма "Доктор Живаго", а на дисках DVD-18 Universal Studios пыталась выпускать телесериалы, но не всякий привод способен справиться с такими форматами.