Новые технологии хранения информации

РЕФЕРАТ

Ширшов В. Д.

Красноярский Государственный Технический Университет

Механико Технологический факултет

1. Магнитные носители

Технология записи информации на магнитные носители появилась сравнительно недавно — примерно в середине 20-го века (40-ые - 50-ые годы). Но уже несколько десятилетий спустя — 60-ые - 70-ые годы — это технология стала очень распространенной во всём мире.

Очень давно появилась на свет первая грампластинка. Которая использовалась в качестве носителя различных звуковых данных — на неё записывали различные музыкальные мелодии, речь человека, песни.

Сама технология записи на пластинки была довольно простой. При помощи специального аппарата в специальном мягком материале, виниле, делались засечки, ямки, полоски. И из этого получалась пластинка, которую можно было прослушать при помощи специального аппарата — патефона или проигрывателя. Патефон состоял из: механизма, вращающего пластинку вокруг своей оси, иглы и трубки.

Приводился в действие механизм, вращающий пластинку, и ставилась игла на пластинку. Игла плавно плыла по канавкам, прорубленным в пластинке, издавая при этом различные звуки — в зависимости от глубины канавки, её ширины, наклона и.т.д., используя явление резонанса. А после труба, находившаяся около самой иголки, усиливала звук, “высекаемый” иголкой. (рис. 1)

Почти такая же система и используется в современных (да и использовалась раньше тоже) устройствах считывания магнитной записи. Функции составных частей остались прежними, только поменялись сами составные части — вместо виниловых пластинок теперь используются ленты с напылённым на них сверху слоем магнитных частиц; а вместо иголки — специальное считывающее устройство. А трубка, усиливающая звук, исчезла совсем, и на её место пришли динамики, использующие уже более новую технологию воспроизведения и усиления звуковых колебаний. А в некоторых отраслях, в которых применяются магнитные носители (например, в компьютерах) пропала необходимость использования таких трубок.

Магнитная лента состоит из полоски плотного вещества, на которую напыляется слой ферромагнетиков. Именно на этот слой “запоминается” информация.

Процесс записи также похож на процесс записи на виниловые пластинки — при помощи магнитной индукционной вместо специального аппарата.

На головку подаётся ток, который приводит в действие магнит. Запись звука на плёнку происходит благодаря действию электромагнита на плёнку. Магнитное поле магнита меняется в такт со звуковыми колебаниями, и благодаря этому маленькие магнитные частички (домены) начинают менять своё местоположение на поверхности плёнки в определённом порядке, в зависимости от воздействия на них магнитного поля, создаваемого электромагнитом.

А при воспроизведении записи наблюдается процесс обратный записи: намагниченная лента возбуждает в магнитной головке электрические сигналы, которые после усиления поступают дальше в динамик. (рис. 2)

Данные, используемые в компьютерной технике, записываются на магнитные носители таким же образом, с той разницей, что для данных нужно меньше места на плёнке, чем для звука. Просто вся информация, записываемая на магнитный носитель в компьютерах, записывается в двоичной системе — если при чтении с носителя головка “чувствует” нахождение под собой домена, то это означает, что значение данной частички данных равно “1”, если не “чувствует”, то значение — “0”. А дальше уже система компьютера преобразует данные, записанные в двоичной системе, в более понятную для человека систему.

Сейчас в мире присутствует множество различных типов магнитных носителей: дискеты для компьютеров, аудио- и видеокассеты, бобинные ленты, жёсткие диски внутри компьютеров и.т.д.

Barracuda 180

Скорость передачи данных с диска: до 48 Мбайт/с

Скорость вращения шпинделя: 7200 об/мин

Интерфейс: Ultra160 до 160 Мбайт/с, FibreChannel до 200 Мбайт/с

Предел прочности 150 G в нерабочем состоянии

Уровень шума: 37 дБ

Время поиска: 7,5 мс

Самый емкий внутренний жесткий диск для РС.

Cheetah X15_36

Емкость: 36,7 и 18,3 Гбайт

Скорость передачи данных с диска: до 48,9 Мбайт/с

Скорость вращения шпинделя: 15.000 об/мин

Интерфейс: Ultra320 до 320 Мбайт/с

Предел прочности G в нерабочем состоянии

Уровень шума: 35/37 дБ

Время поиска: 3,9 мс

Самый быстрый жесткий диск для РС.

1.2 Гибкие диски

В приводе флоппи-диска (гибкого диска, или просто дискеты) имеются два двигателя: один обеспечивает стабильную скорость вращения вставленной в накопитель дискеты, а второй перемещает головки записи-чтения. Скорость вращения первого двигателя зависит от типа дискеты и составляет от 300 до 360 об/мин. Двигатель для перемещения головок в этих приводах всегда шаговый. С его помощью головки перемещаются по радиусу от края диска к его центру дискретными интервалами. В отличие от привода винчестера головки в данном устройстве не «парят» над поверхностью флоппи-диска, а касаются ее.

Для подключения разных типов дисководов предназначены обычно комбинированные кабели с четырьмя разъемами, включенными попарно. Некоторые BIOS компьютеров позволяют программно изменять назначение физического адреса: «первый» (A:) и «второй» (B:) привод. В отличие от винчестеров, для флоппи-дисководов порядок накопителя (A: или B:) определяется именно положением устройства на кабеле.

Для каждого из типоразмеров дискет (5,25 или 3,5 дюйма) существуют свои специальные приводы соответствующего форм-фактора.

Дискеты каждого типоразмера (5,25 и 3,5 дюйма) бывают обычно двусторонними (Double Sided, DS), односторонние давно стали анахронизмом. Плотность записи может быть различной: одинарной (Single Density, SD), двойной (Double Density, DD) и высокой (High Density, HD). Поскольку об одинарной плотности уже мало кто вспоминает, такую классификацию обычно упрощают, говоря только о двусторонних дискетах двойной плотности (DS/DD, емкость 360 или 720 Кбайт) и двусторонних дискетах высокой плотности (DS/HD, емкость 1,2, 1,44 или 2,88 Мбайта). Плотность записи определяется величиной зазора между диском и магнитной головкой, а от стабильности зазора зависит качество записи (считывания). Для повышения плотности записи необходимо уменьшить зазор, однако при этом значительно повышаются требования к рабочей поверхности дисков.

В качестве материала для изготовления магнитных дисков обычно применяют алюминиевый сплав Д16МП (МП — магнитная память). Этот сплав немагнитный, мягкий, достаточно прочный, хорошо обрабатывается.

Гибкие диски (Floppy Disk – FD) Гибкие дисковые устройства состоят из устройства чтения/записи – дисковода и непосредственного носителя – дискеты.

Дискета представляет собой слой магнитно-мягкого материала, нанесенный на специальную подложку, выполненную из полимерного немагнитного пластического материала, степень жесткости которого может быть различна в зависимости от реализации. Носитель помещается в бумажный, пластмассовый или другой кожух-корпус. В настоящее время, используются только двусторонние носители, следовательно покрытие нанесено с обеих сторон дискеты и чтение/запись производится с обеих сторон. Дискеты различного диаметра, как правило, имеют разные оформления корпуса. Так гибкие диски диаметром 5.25 дюйма помещаются в бумажный кожух, а 3.14 – в пластмассовый. Дискета в кожухе свободно вращается приводом устройства – дисковода через окно центрального захвата, что обеспечивает прохождение площади дорожки под устройством чтения/записи называемом головкой чтения/записи.

На кожухе дискеты имеются, соответственно, отверстия: центрального захвата(3), отверстие позиционирования головки(1),отверстие физической защиты от записи (5, 8), направляющие отверстия и пазы (2), отверстия авто определения типа магнитного покрытия (9), отверстие определения полного оборота носителя (4). Отверстие для позиционирования магнитных головок чтения/ записи у 3.14 дюймовых носителей закрыто металлической задвижкой (7), а отверстие для центрального захвата и вращения на шпинделе привода вращения диска, в отличие от носителя диаметром 5.25 дюймов, находится только с нижней стороны дискеты.. Каждый сменный дисковый магнитный носитель перед использованием в какой-либо операционной системе необходимо подготовить к приему данных. Такая операция называется форматированием. Форматирование дискет производится при помощи специального программного обеспечения – программ форматирования дисков и, как правило, специфично для каждой операционной системы.

В зависимости от типа носителя, в соответствии с качеством магнитного покрытия, возможностями операционной системы и устройств дискеты можно форматировать для записи на них информации различного максимального объема, что достигается заданием таких параметров форматирования как число дорожек и секторов. Как правило, производителями дискет указывается параметр называемый числом точек на дюйм носителя – Track per inch (TPI). Данный параметр показывает, какую максимальную плотность размещения областей независимой намагниченности может иметь носитель. В соответствии с производственными характеристиками диска, необходимо форматировать носитель только в рамках его физических возможностей, иначе риск потери данных после операции записи неограниченно возрастает.

Дисковод представляет собой устройство чтения/записи с/на носитель – дискету. Каждый тип носителя (дискет), как правило, требует собственного устройства – для чтения 5.25 и 3.14 дюймовых дискет, хотя выпускаются и смешанные дисководы, соединяющие в себе устройства для чтения 3.14 и 5.25 дюймовых дискет. Дисководы, как правило, располагаются внутри системного блока, однако, выпускаются и внешние варианты. Снаружи системного блока находится передняя панель дисковода на которой располагаются управляющие элементы – ручка или кнопка фиксации/извлечения дискеты внутри дисковода, отверстие для помещения/извлечения дискеты, индикатор обращения к устройству, светящийся во время операций обращения к дисководу. Внутри дисковод состоит из двигателя, системы управления вращением носителя, двигателя, системы управления позиционированием головок чтения/записи, схем формирования и преобразования сигналов и др. электронных устройств. Дисководы подключаются к другим схемам компьютера посредством интерфейсного кабеля – шлейфа. На концах и/или по длине шлейфа находятся разъемы, один из которых служит для соединения шлейфа с дисководом или дисководами, другой с интерфейсом дискового устройства, находящемся на плате контроллера (интерфейсной карте, плате адаптера) дисковых устройств или на материнской плате. Дисковод также нуждается в подключении питающего напряжения при помощи кабеля питания.

В настоящий момент, технологии хранения и чтения/записи информации на обычную дискету дают невысокие скорости обмена и позволяют добиться плотности записи для объема информации до 2 мегабайт. Такой объем и быстродействие считаются малыми и поэтому дискеты используют лишь как средство транспортировки и архивного хранения небольших объемов информации. Надежность дискет, также, оставляет желать лучшего. Они подвержены вредным воздействиям температурных, гидрометрических, магнитных, механических и др. факторов. Поэтому, с дискетами следует обращаться аккуратно.

Во избежание потери данных или повреждения носителя недопустимо: хранение дискет в местах подверженных воздействию магнитных полей, влаги, сильных механических воздействий, обильного количества пыли, резких температурных перепадов. Необходимо осторожно вставлять и извлекать дискету из дисковода только после того, как индикатор обращения к диску погаснет. В зависимости от интенсивности использования дискеты, ее необходимо проверять на предмет целостности и правильности логической и физической структуры при помощи специального программного обеспечения с различной частотой, но не реже одного раза в два месяца. Также, необходимо производить чистку головок чтения/записи дисковода при помощи специальной чистящей дискеты и очистителя. Срок службы носителя зависит не только от способа его эксплуатации, но и от его исходного качества. Дискеты высокого качества известных крупных производителей способны форматироваться на максимальные объемы и выдерживают при эксплуатации до 70 млн. проходов головки чтения/записи по дорожке, что, практически, означает срок интенсивной эксплуатации до 20 лет. Дискеты безымянных производителей и просто плохого качества, как правило, подвержены таким вредным процессам как высыпанию частичек магнитного покрытия и размагничиваемости. Не следует экономить на носителях информации, если она вам дорога. На практике, нужно стараться использовать только высококачественные дискеты известных производителей.

2. Оптические носители.

2.1.1 DVD

DVD-стандарт был реализован с учетом накопленного опыта по производству и распространению компакт-дисков и CD-устройств, требований и рекомендаций производителей компьютерной и киноиндустрии, а также предварительных разработок различных компаний. Новый стандарт базируется на следующих основных принципах:

 большая емкость и возможность ее дальнейшего наращивания;

 обратная совместимость с существующими CD;

 совместимость с будущими записываемыми DVD-дисками;

 единая файловая система для всех приложений;

 единый интерактивный стандарт для компьютера и телевидения;

 надежность хранения данных и их последующего считывания;

 высокая производительность при записи и считывании данных как для последовательного, так и для произвольного доступа к данным;

 отсутствие вспомогательных конструкций типа картриджей и кэдди;

 доступная цена.

Внешне конструкция DVD аналогична устройству традиционного компакт-диска - с теми же геометрическими размерами (диаметр - 120 мм, толщина - 1,2 мм), но содержательно она значительно сложнее. Для увеличения объема данных при сохранении тех же геометрических размеров диска, что и CD, были предприняты следующие шаги:

 уменьшение размеров углублений (питов) на DVD до 0,4 мкм;

 уменьшение расстояния между соседними дорожками (треками) до 0,74 мкм;

 размещение несущих информацию слоев в несколько этажей (до 8 пар, и это еще не предел).

DVD может быть как односторонним, так и двухсторонним. Конструктивно двухсторонний диск представляет собой два склеенных нерабочими поверхностями диска толщиной 0,6 мм каждый (модель, предложенная компанией Toshiba). Спецификации DVD-стандарта предусматривают четыре конструктивно различных типа дисков с разной информационной емкостью:

 односторонний однослойный диск (4,7 Гбайт, видео ресурс - 133 мин.);

 односторонний двухслойный диск (8,5 Гбайт, видео ресурс - 240 мин.);

 двухсторонний однослойный диск (9,4 Гбайт, видео ресурс - 266 мин.);

 двухсторонний двухслойный диск (17 Гбайт, видео ресурс - 481 мин.).

Таким образом, емкость одностороннего однослойного диска в семь раз, а двухстороннего двухслойного - в двадцать шесть раз превышает емкость стандартного компакт-диска. Предполагается, что первый тип дисков найдет широкое распространение для большинства компьютерных приложений, где емкости 4,7 Гбайт вполне достаточно, а более емкие диски, видимо, будут востребованы киноиндустрией.

Увеличение плотности данных стало возможным благодаря созданию более совершенных источников лазерного излучения и системы обнаружения и коррекции ошибок. Для считывания DVD используется луч красного спектра с возможностью двойного фокусирования с длиной волны 650 нм или 635 нм, в зависимости от толщины считываемого диска. Привод DVD сам определяет, какой тип диска используется, и автоматически поворачивает линзу в положение нужной фокусировки луча.

При такой плотности записи любая внутренняя неоднородность может сделать диск непригодным к использованию. Поэтому с помощью технологии компании Sony была модернизирована и стандартизирована схема цифровой модуляции и коррекции ошибок RS-PC (Reed Solomon Product Code), которая уменьшила вероятность их появления на порядок по сравнению с компакт-диском. Кроме того, DVD, как и компакт-диск, стоек и малочувствителен к пыли, царапинам и прикосновениям пальцев.

2.1.2 Система самоуничтожения для DVD дисков

Не совсем понятную новость только что сообщило новостное агентство "Reuters". Flexplay разработал интересную систему борьбы с недобросовестными обладателями DVD дисков. Как известно, по законодательству, прокат DVD дисков (hiring), и не только их, запрещен. Технология уже будет внедрена в жизнь в августе этого года компанией Disney.
Диски прекратят функционировать, когда процесс, названный Ez-d, сделает их неработоспособными. Как только диск вытаскивается из упаковки, он может быть использован только в течение приблизительно 48 часов. Взаимодействие поверхности диска с кислородом через данный промежуток времени создает особый слой на поверхности диска, из-за которого процесс чтения становится невозможным.
Однако, при наличии известного ПО можно просто скопировать содержимое диска на HDD за время пока он работает как обычный носитель. С другой стороны - куда деваться честным покупателям?

2.2 Divx

Компания Digital Video Express разработала новый формат Divx-диска для однократной записи кинофильмов. Разработка этого формата связана с организацией системы временного видеопроката, когда купив диск, не придется возвращать его назад. Его можно будет воспроизводить только на Divx-проигрывателях в течение двух суток с момента его первого воспроизведения. О своей поддержке этого формата заявили такие крупные голливудские компании, как Disney, Dream-Works, Paramount, Universal и другие.

Этот диск не совместим с домашними DVD-проигрывателями, подключаемыми к телевизору. Divx - это название системы, установленной непосредственно в проигрывателе, которая позволяет потребителям в течение двух дней пользоваться правом на прокат видеофильма независимо от даты покупки диска. Идея Divx состоит в том, что она обеспечивает нарушение записи на диске. Право проката видеофильма на новый срок можно приобрести через модемную линию связи, подключенную к проигрывателю для обмена информацией с сервисным центром Divx Central и отслеживания счетчика. Внедрение данного формата в нашей стране не представляется возможным ввиду того, что для просмотра Divx-дисков требуется дорогостоящее оборудование, постоянная телефонная связь с центром, да и цена диска предположительно составит около 6 долл.

2.3.1 FMD ROM - накопители третьего тысячелетия

По каким же параметрам FMD ROM будет превосходить DVD?
Первый параметр - соотношение размер/емкость. Тут "fluorescent multilayer disk" вне конкуренции. Разработчики заявляют, что уже сейчас первые прототипы способны вмещать при размере диска 12 см в диаметре, то есть на стандартном 5 дюймовом носителе до 140Гб. Это при десяти слоях. А в ближайших планах компании C3D есть желание, как минимум удесятерить число слоев. При этом становится вполне реальной возможность создания сменных носителей информации емкостью в десятки терабайт. Та емкость, которую на сегодняшний день можно получить лишь при использовании громадных дисковых массивов, занимающих подчас целые шкафы и даже комнаты, будет обеспечиваться компактным диском, который с легкостью умещается в кармане!
Насчет скорости доступа еще очень мало данных. Разработчики обещают, что этот параметр будет намного выше, нежели у DVD. Хотелось бы верить, ведь иначе, с существующими скоростями, при работе с терабайтными массивами информации даже простые операции, например, перечитка диска, может затянуться на несколько часов. Новые гигантские объемы требуют и соответствующих скоростей доступа.
Что же касается соотношения емкость/стоимость носителя, то и тут FMD ROM не имеет себе равных. Ведь он представляет собой практически кусок пластмассы, вернее полимерную матрицу с фотохромным веществом, но по стоимости, это просто пластиковый диск. И ни каких затрат по созданию дорогостоящих полупрозрачных слоев, как в DVD. Собственно и никаких слоев в привычном смысле этого слова нет, но об этом в следующей главе.

2.3.2 О принципах функционирования FMD ROM.

Внешний вид FMD ROM. Как вы видите диск совершенно прозрачный, хотя и имеет формат обычного CD или DVD диска. В отличие от обычного CD-ROM, в котором отражающий алюминиевый слой нанесен на выдавленную подложку из полимера, из-за чего он собственно и непрозрачен, диск FMD ROM монолитен и при этом разделен по вертикали на некоторые условные области названные разработчиками "слоями" (layer). Эти "слои" не являются слоями в привычном смысле, это скорее параметр форматирования диска, ближайший аналог - это сектора и дорожки для магнитных носителей. Толщина этих слоев строго фиксирована, и это не случайно. Чтобы понять, почему разработчики выбрали именно эту толщину каждого из слоев, надо рассмотреть принципы записи/считывания информации на FMD ROM.

В оптических носителях (CD, DVD, магнитооптика) во время чтения луч полупроводникового лазера отражается от слоя с записанной информацией.

Отраженный луч затем фиксируется детектором - приемником. Грубо говоря, считывание идет по принципу: попал или не попал луч в приемник. Максимальная удельная емкость диска определяется размером светового пятна от лазера, которое в свою очередь зависит от длины волны (у красных лазеров - 650нм). Можно использовать два слоя, причем сделать один из слоев прозрачным для излучения с определенной длиной волны, как это реализовано в DVD. Но два слоя - это предел, больше сделать очень сложно, так как нужны очень точные фокусирующие системы, которые будут работать только в лабораторных условиях. Разумеется, массовое производство таких систем является невероятно дорогим и нерентабельным. Да и вообще, технология отражающих слоев подошла к своему пределу развития.

Но вот создатели технологии многослойных дисков, компания C3D, нашли способ обошли проблему множественной интерференции между слоями и потери самого луча в многослойных дисках. И технологически это выглядит очень красиво и остроумно.

Разработчиками FMD было предложено следующее решение: материал, содержащий записанную информацию, не отражает, как подложка в DVD или CD, а излучает! Использовано явление флуоресценции, то есть, при освещении активирующим излучением (в данном случае полупроводниковым лазером с определенной длиной волны) вещество начинает излучать, сдвигая спектр падающего на него излучения в сторону красного цвета на определенную величину. Причем величина сдвига зависит от толщины слоя. Таким образом, выбрав такую толщину слоя, что бы спектр отраженного света получается смещенным относительно длины волны излучающего лазера на строго определенную величину, например на 30 или 50 нм, можно с высокой достоверностью записывать информацию вглубь диска и впоследствии считывать ее без потери данных.

Для FMD ROM разработчиками так же предложено название "трехмерный диск", и в данном случае это вполне оправдано.
Таким образом, плотность записи будет зависеть и от чувствительности регистрирующего детектора. Чем меньше то дополнительное излучение флюоресцирующего вещества, добавляющееся к частоте рабочего лазера, который удастся зафиксировать, тем большее число слоев можно вместить в один диск.
Излученный свет от флуоресцентного слоя некогерентен и хорошо контрастирует с отраженным светом лазера, что является дополнительной гарантией надежности считывания, ведь без отражений все равно не обойтись, они будут происходить от поверхности диска и других записанных слоев. Качественное ухудшение сигнала в обычных (отражающих) многослойных дисках нарастает с увеличением числа слоев, но вот в случае с флуоресцентными дисками это ухудшение происходит гораздо медленнее. По заявлению разработчиков FMD ROM, даже при количестве слоев больше сотни не будет происходить сильного искажения полезного сигнала. Используя синий лазер (480нм) можно увеличить плотность записи до десятков Терабайт на один FM диск. Вполне возможно создание диска с 1000 слоями - это уже субмолекулярные размеры. Теоретически возможно создание пятна размером в несколько молекул, проблема лишь в том, как зафиксировать столь малое флуоресцентное излучение.