Оптические и магнитооптические носители информации

Технологии оптической памяти обещают уникальное сочетание  надежности съемных носителей с  высочайшей емкостью. В ее конструкции  достигнут почти абсолютный баланс по таким ключевым позициям, как  защита данных, объем памяти, удельная стоимость на мегабайт и скорость доступа. Они способны хранить текст, изображения, графику, голос. Оптические системы многоразовой записи обеспечивают высокую емкость памяти, произвольный доступ к информации и перенос большего объема данных между компьютерами.

Например, емкость  оптического диска размером 5.25 дюйма в 600 раз превышает емкость обычной дискеты. 

Разновидности оптических дисков 

Самые распространенные виды оптических дисков - компакт-диски  только для чтения (CD-ROM), оптические диски одноразовой записи (WORM) и  магнито- оптические диски многоразовой записи (MO). Их преимущества в надежности, невысокой стоимости в расчете на мегабайт , большей емкости, эффективности доступа и долговечности. Недостаток оптических дисков заключается в том, что они в шесть-семь раз медленнее жестких дисков. 

Обзор устройств  оптической памяти 

Наиболее значительные успехи в области массовых запоминающих устройств достигнуты за последние  несколько лет и касаются в  основном разработки устройств оптической памяти. В этой новой технологии усовершенствованы почти все элементы запоминающего устройства. 

Три вида оптических дисков - CD-ROM, WORM и MO - имеют много  общих черт. Обращаться с ними так  же легко, как и с дискетами, но при этом они более долговечны и надежны. 

Дисководы оптических дисков отличаются повышенной надежностью. Отказов головок почти не бывает: лазерная головка расположена в тысячу раз дальше от поверхности носителя, чем плавающая головка магнитного диска.

Большинство оптических дисков изготавливается из долговечного полимерного материала. Они не подвержены загрязнению, так как лазерный луч сфокусирован на несущем слое под прозрачным пластиком, что позволяет не обращать внимания на царапины и следы пальцев. 
 

Высокая емкость  оптической памяти обеспечивается плотностью расположения дорожек, которая составляет около 15 тысяч на дюйм - более чем в десять раз выше соответствующего показателя для жесткого диска. Исключительная точность позицирования лазерного луча позволяет дисководу уверенно следить за этими дорожками. 

Каждый из этих трех типов оптических дисков несет на себе от 200 до 1200

Мбайт информации - достаточно для размещения 200 тысяч машинописных страниц текста или около 30 настольных словарей. 

CD-ROM применяется  для длительного хранения и  распространения данных, как аудиокомпакт-диск для звуковых клипов. Основная область его применения

- тиражирование программ  и информационных материалов, таких  как справочные руководства, обучающие  пакеты, словари, энциклопедии и  библиотеки изображений. При больших  тиражах это достаточно дешевое средство публикации. 

WORM используется  главным образом в качестве  средства создания резервных  копий в целях архивирования.  Информация записывается на диск  один раз, после чего можно  только считывать ее. Существуют  разные форматы WORM, но в целом  это средство архивирования высокой надежности. Недостаток WORM в отсутствии гибкости. 

Те же параметры  надежности и производительности можно  получить и от оптических дисков многоразовой записи. Этот вид носителя применяется  для создания оперативных резервных  копий, архивирования и как вторичная память прямого доступа. Их преимущество в возможности перезаписи при низкой цене, высокой надежности и емкости, оперативном доступе и долговечности. 

Оптические диски  многоразовой записи 

Оптические диски  многоразовой записи бывают трех типов: магнитооптический, полимерный и фазоинверсный. Почти все существующие в настоящее время коммерческие продукты выполненны по магнитооптической технологии. 

Как следует из их названия, магнитооптические диски  предполагают использование магнитных и оптических процессов. Такая комбинация позволяет добиться большего потенциала для записи, чем каждая технология, взятая в отдельности. Плотность записи магнитооптических дисков - около 15 тысяч дорожек на дюйм. Они обладают высокой степенью совместимости с CD-ROM и

WORM и лишены недостатков,  присущих полимерным и фазоинверсным  оптическим дискам. 

Первым и получившим наибольшую известность примером технологии “красящий полимер” является CD-совместимая  система THOR(Tandy High-perfomance Optical

Recording system - высокопроизводительная  записывающая оптическая система), преподнесенная как компакт диск, на который можно записывать. 

Технология полимерных дисков использует прозрачный пластиковый  диск с окрашенным слоем, адсорбирующим  тепло лазерного луча дисковода. В разогретой лучом области происходят физические изменения. Процесс считывания с полимерного диска аналогочен процессу считывания с других видов оптических дисков и заключается в том, что области с записью отражают свет иначе, чем промежуточные, которых не касался лазерный луч. В результате можно использовать те же оптические системы, что и в проигрывателе компакт-дисков. Однако в дисководе полимерного диска применяются два лазерных луча, поэтому он дороже, чем магнитооптический диск. К тому же носитель выдерживает только от 1 тысячи до 10 тысяч циклов перезаписи. 

В оптических системах, использующих изменение фазы, состояние  активного слоя для сохранения нулей  и единиц цифрового кода изменяется от кристаллического к аморфному  и обратно. Фазоинверсный диск - это полимерный диск с особым металлическим слоем. Луч лазера своим теплом изменяет молекулярную структуру металла, превращая точечные участки его поверхности из аморфных в кристаллические. В результате носитель становится состоящим из крошечных светлых и темных пятнышек, которые могут использоваться для кодирования цифровой информации. Для этой технологии требуется мощный лазер, Накопитель снова получается дорогим, а диск не выдерживает большего числа циклов перезаписи. 

Для работы с библиотекой оптических дисков многоразовой записи выпускаются системы с автоматическим поиском и подачей дисков. Вместимость такого устройства может составлять от пяти до 700 оптических дисков общей емкостью 100 Гбайт. Электромеханический привод, управляемый от головного компьютера, выбирает, перемещает и устанавливает диски в дисковод, помещаемый внутри корпуса библиотеки. Он обеспечивает доступ к огромному количеству данных в пределах нескольких секунд без вмешательства оператора. 

Структура и принцип  работы оптических дисков многоразовой записи 

С каждой стороны  диска расположен несущий слой, а  в промежутке - клеевая прослойка. Вся эта “сердцевина“ помещена в защитную оболочку с нанесенной на нее сеткой. 

Несущий слой оптического  диска многоразовой записи состоит из магнитной пленки, которая, оказавшись в мягком магнитном поле при темрературе около

145’С, меняет полярность  на противоположную, а при комнатной  температуре ведет себя стабильно.  Магнитная пленка наносится в  результате сложного процесса  вакуумного напыления. Цифровая информация записывается не ямками и бугорками, как на других оптических носителях, а направлением магнитного потока. 

В качестве прослойки  используется смола, скрепляющая пластины между собой. Оболочкой служит, как  правило, поликарбонат с непрерывной спиральной канавкой, которая и образует дорожки на диске, и секторными линиями. 

Структура магнитооптического диска многоразовой записи 

Слой клея 

Магнитооптический слой 

Зеркальный слой 

Защитный слой 

Связующий слой 

Пластмассовая оболочка 

МО накопитель построен на совмещении магнитного и оптического  принципа хранения информации. Записывание  информации производится при помощи луча лазера и магнитного поля, а  считывание при помощи одного только лазера. В отличие от традиционных магнитных устройств в данном случае головка чтения/записи содержит магнит и лазер. 

В процессе записи, магнитный  материал МО диска не способен изменить свою полярность, пока не будет нагрет до температуры около 145`С. В результате образуется крошечная область в  большем магнитном поле, и только на эту область влияет поле. После окончания нагрева сопротивляемость снова увеличивается но полярность нагретой точки остается. В цикле записи, полярность магнитного поля меняется на противоположную, что соответсвует двоичной единице. В этом цикле лазерный луч включается только на тех участках, которые должны содержать двоичные единицы, и оставляет участки с двоичными нулями без изменений. 

В процессе чтения с  МО диска используется эффект Керра. Лазерный луч, который движется над  диском и считывает данные, поляризован. Таким образом, фотоны в лазерном луче ориентированы в одном направлении. Когда поляризованный луч бьет магнитно-упорядоченные частицы диска, магнитное поле частиц слегка поворачивает вектор поляризации светового луча. Этот поворот ощущается магнитной головкой. 

Схема считывания информации с магнитооптического диска 

1

0 1 0 0 

При считывании используется лазерный луч небольшой интенсивности, не приводящий к нагреву считываемого участка, таким образом при считывании хранимая информация не разрушается. Такой способ, не деформирует поверхность диска и позволяет повторную запись без дополнительного оборудования. Этот способ также имеет преимущество перед традиционной магнитной записью в плане надежности. Так как перемагничиваниие участков диска возможно только под действием высокой температуры, вероятность случайного перемагничивания очень низка, в отличии от магнитной записи, к потери которой могут привести случайные магнитные поля. 

Недостатки магнитооптических  носителей 

В конструкции современных  МО-дисководов есть один существенный недостаток. В процессе записи продольное магнитное поле должно оставаться ориентированным  в одном направлении. Оно не может  менять направление потому, что высокая индуктивность электромагнита препятствует быстрому переключению полярности магнита. Следовательно, магнит в современных МО- дисководах может построить магнитное поле в данной область дорожки диска только в одном направлении, при каждом прохождении области дорожки под головкой чтения/записи. Например, если поляризация продольного поля направлена вверх, можно поменять поляризацию направленных вниз полей на противоположную, но ориентацию вверх не поменяешь. 

Чтобы работать надежно, МО процессу записи требуется одинаковая ориентация всех полей на записываемой области. Другими словами, данную область сначала надо стереть, а потом на нее записывать. В МО-дисководах процесс стирания требует отдельной фазы. Во время первого шага стирается ранее записанный материал, а во второй шаг записывается новый. 

В результате этого  двухшагового процесса мы имеем очевидное  возрастание среднего времени доступа  к диску во время записи, которое  и так великовато.

Несмотря на отличия  в скорости, многие МО-дисководы  крутят диски не спеша -

2400 оборотов в  минуту, ровно на треть медленнее  винчестерских дисков.

Каждый оборот МО-диска, следовательно, происходит за 25 миллисекунд. Даже если не брать в расчет время  на перемещение головки, среднее  время доступа при записи никак  не будет быстрее 37.5 миллисекунд. Понятно, что большинство производителей работают над “одношаговыми” МО-дисководами и увеличивают скорость вращения диска. 

МО-диски также  страдают и другими недостатками. В то время, как головки плавающего механизма винчестера весят доли грамма, головки МО-диска массивны и вмонтированы в магнитную и оптическую части. Обычно они смонтированы на полозьях, которые скользят по стальным трубкам. Перемещение этих массивных головок требует мощных механизмов и, благодаря инерции, существенно большего времени, чем головки винчестера. Фактически, если говорить о среднем времени доступа, оно намного отличается от винчестеров.

Кроме того, последние  могут записывать данные с интервалом 15 миллисекунд между наугад выбранными байтами, а МО-диски делают это не быстрее, чем за

60, не считая двухступенчатого  цикла записи. 

Оптическая часть, используемая МО-системами, немного  спасает положение.

В отличие от головок  винчестера, которые должны “парить” в микродюймах над поверхностью диска, оптические головки могут работать на расстоянии.

Направляющие стержни  точно фиксируют расстояние между  головкой и диском, и с этого  расстояния она работает надежно  и безопасно. Повреждение головки  невозможно в МО-системах, так как  головка отделена от поверхности.

Фактически, только луч лазера “касается” поверхности диска. Как и в CD, оптически активная поверхность МО-диска запечатана в прочный слой пластика, предохраняющего от малейших повреждений, Лазерный луч фокусируется, проходя через оболочку и не сфокусирован на поверхности диска, а только сходится в точку под прозрачным поверхностным слоем. Повреждения, такие как царапины или пыль на поверхности диска, не оказывают существенного влияния на точность чтения или записи. Конечно, МО-диски также снабжены корректором сбоев для минимизации появления ошибок в потоке обрабатываемых данных.