Анатомия накопителей: оптические диски
Он притягивает. Он электрический. Он фотонный. Нет, здесь речь пойдет не о новом трио супергероев во вселенной Marvel. Это все о наших драгоценных цифровых данных. Нам нужно хранить их в надежном и стабильном месте таким образом, чтобы мы могли получать их и изменять быстрее, чем вы успеете моргнуть. Забудьте о Железном человеке и Торе — мы говорим о накопителях!
Ослепленный светом
Вам не нужно использовать магнетизм или электрический заряд для хранения данных. Это можно сделать, используя свет, или, скорее, его отражение. Хорошо, если говорить совсем точно, это делается с использованием интерференции инфракрасных и видимых электромагнитных волн, но давайте не беспокоиться слишком об этом!
В отличие от жестких дисков и твердотельных накопителей, оптические носители информации разделены от оптического привода, поэтому давайте сначала рассмотрим оптические диски.
Идея использования света и отражающего носителя для хранения цифровых данных была впервые запатентована в 1970 году американским физиком Джеймсом Расселом. Хотя его система совсем не похожа на то, что мы используем сегодня, общая концепция довольно схожа.
Крупные компании, такие как Sony и Phillips, обратили внимание на его работу и после долгих споров лицензировали концепцию для производства лазерных дисков (1978) и компакт-дисков (1982).
Последний, более известный как компакт-диск, можно было использовать только в качестве одноразовой системы хранения, что означало, что вы не могли удалить сохраненные данные, а затем записать на них новые биты. Полностью перезаписываемый компакт-диск появился на рынке только в 1987 году.
Примерно в 1995 году мы получили улучшенную версию компакт-диска. Появился цифровой видеодиск (DVD), и спустя 4 года вышла его перезаписываемая версия. Современная оптическая система Blu-ray Disc (BD) появилась в 2003 году, а BD-RE (Blu-ray Recordable Erasable) появился на полках магазинов в 2008 году.
Все это очень прекрасно, но как это работает? Взгляните на DVD, который можно перезаписать, ниже:
Основным материалом является полимер под названием ПММА, используемый для изготовления двух дисков толщиной 0,024 дюйма (0,6 мм). Нижний имеет сверхтонкий слой таких металлов, как серебро и золото, а верхний слой содержит материал с фазовым переходом.
Отражательная способность этого материала (сколько света отражается от него) зависит от того, в какой фазе находится материал, и он переключается между двумя состояниями с помощью крошечного лазера — он нагревает материал, вызывая его изменение. Рисунок из нагретых точек на диске нанесен вдоль спиральной желобки, как на виниловой пластинке.
Тот же лазер, но работающий на другом уровне мощности, используется для сканирования вдоль этой канавки по мере вращения диска. Там, где лазерный луч попадает на рисунок из точек, количеством отраженного света определяется, хранимые данные являются состоянием 0 или 1.
Чем длиннее спиральная канавка и чем ближе точки расположены друг к другу, тем больше данных вы можете поместить на диск; однако, чем меньше канавки и пятна, тем «меньше» должен быть лазерный луч.
На приведенном выше рисунке показано сравнение между компакт-дисками, DVD-дисками и Blu-ray (не будем говорить про HD-DVD ... как остальные делали).
Мы можем видеть тип электромагнитных волн, используемых лазером, и расстояния между спиральными канавками и точками. Если цифры немного бессмысленны, то примите во внимание тот факт, что на компакт-дисках используется инфракрасный лазер, на DVD-дисках — красный, а для Blu-ray цвет фиолетовый. Не голубой. Все понятно.
Поскольку все 3 типа оптических дисков для хранения данных имеют одинаковый размер с точки зрения диаметра, используются различные приемы в сочетании с различными лазерами для максимального увеличения емкости накопителя. К этим приемам относятся: количество канавок с обеих сторон, близкое расположение канавки друг к другу (двухслойные диски) и возможность сжатия данных.
В настоящее время таковы максимальные пределы данных для каждого типа (при условии, что используется только одна сторона).:
Компакт-диск — 0,84 ГБ
DVD — 4,7 ГБ
Blu-ray — 100 ГБ
Поскольку мы сравниваем системы хранения данных, которые используются одинаково, эти значения относятся только к дискам с возможностью перезаписи, и они немного отличаются от того, что может храниться на жестком диске или твердотельном накопителе. Честно говоря, мы прошли зенит славы оптических накопителей: USB-накопители действительно дешевы (вы можете приобрести 128 ГБ менее чем за 20 долларов), а цифровые потоковые сервисы быстро заменяют использование физических носителей для музыки и видео.
Но мы здесь для того, чтобы покопаться во внутренностях, так что давайте закончим, открыв DVD-привод со старого ноутбука. Не беспокойтесь о подключении этого устройства, так как настольные ПК используют то же соединение SATA.
Кстати говоря, общая компоновка оптического накопителя очень похожа на ту, что мы видели в нашем жестком диске Seagate. В середине находится двигатель для вращения шпинделя, на котором установлен диск, и рычаг привода с головкой чтения/ записи для доступа к данным. Мы можем увидеть это более ясно, перевернув его.
Там, где жесткие диски используют электромагнитное взаимодействие для перемещения рычагов, в оптических приводах используется шаговый двигатель, прикрепленный к ходовому винту — его можно увидеть в правом нижнем углу изображения; большая его часть находится под соединительной лентой медного цвета.
Это рабочая часть приводного устройства.
Здесь мы видим пластиковый корпус, содержащий лазерную систему. Рядом с ним находятся два комплекта катушек из медной проволоки, которые используются для создания магнитного поля для подвешивания лазерного блока над поверхностью диска. Поскольку последний и близко не будет таким плоским, как жесткий диск, оптические приводы нуждаются в «подвеске», позволяющей лазеру оставаться на нужной высоте.
Под линзой скрыт лазерный диод и датчики, которые считывают, записывают и удаляют данные на диске. У нас нет под рукой микроскопа, чтобы заглянуть внутрь, но можете посмотреть в этом видео:
Хранилище на оптических дисках лучше всего использовать в сценариях однократной записи и многократного использования, но перезаписываемые диски можно использовать как USB-накопитель. Просто очень медленный USB-накопитель.
Вот последний запуск CrystalDiskMark с использованием перезаписываемого DVD с 4-кратной скоростью (максимальная скорость, поддерживаемая диском).
Задержка чтения действительно ужасна, но задержка записи довольно приятна. Не то чтобы мы когда-либо рекомендовали использовать оптические диски в качестве быстрых и простых «флешек» памяти — вам гораздо лучше просто использовать настоящие диски.
Немного грустно видеть, как эта технология постепенно выходит из употребления — я имею в виду, что у них лазеры, ради бога! Но у них есть пара преимуществ перед жесткими дисками и твердотельными накопителями.
Если вы используете оптические диски с возможностью однократной записи, то эти данные блокируются навсегда — их нельзя редактировать случайно или злонамеренно, а при хранении в прохладном, темном месте хранилище будет оставаться пригодным для использования как минимум столько же времени, сколько и твердотельный накопитель. Сам носитель довольно дешевый: упаковка из пятидесяти дисков Blu-ray объемом 25 ГБ с возможностью однократной записи обойдется вам всего в 30 долларов. Это означает, что общий объем хранилища составляет 1,25 ТБ!
Конечно, если у вас есть несколько терабайт данных, которые вам необходимо сохранить в безопасности, поиск места для сотен дисков Blu-ray может вызвать больше головной боли, чем того стоит. Снова тени Windows 95 и гибких дисков...