Optická paměťová média, principy, využití, trendy

MASARYKOVA UNIVERZITA FAKULTA INFORMATIKY Optická paměťová média, principy, využití, trendy BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Martin Langer Brno 2011

Prohlášení Prohlašuji, že tato práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracoval samostatně. Všechny zdroje, prameny a literaturu, které jsem při vypracování používal nebo z nich čerpal, v práci řádně cituji s uvedením úplného odkazu na příslušný zdroj. Vedoucí práce: doc. Ing. Jan Staudek, CSc.

Poděkování Rád bych poděkoval doc. Ing. Janu Staudkovi, CSc. za odborné vedení práce, cenné rady a připomínky.

Shrnutí Cílem této bakalářské práce je zhodnocení a porovnání vlastností, používaných technologií a možností využití soudobých optických paměťových médií. Jednotlivé kapitoly se věnují nejvýznamnějším zástupcům těchto médií (CD, DVD, Blu-ray, HD DVD) a také technologiím, které by je mohly nahradit (holografické paměťové systémy). Součástí práce je i přehled nejvýznamnějších souborových systémů, které optická média využívají pro organizaci svých dat. Klíčová slova CD, DVD, Blu-ray, HD DVD, HVD, High Sierra, ISO 9660, Joliet, Romeo, El Torito, Hierarchical File System, Rock Ridge Interchange Protocol, Universal Disc Format, Mount Rainier

Obsah 1 Úvod... 1 2 Technologie optických médií... 2 2.1 Typy optických médií... 2 2.2 Výhody optických médií... 2 2.3 Nevýhody optických médií... 3 2.4 Struktura optických médií... 3 2.4.1 Vrstvy optických médií... 3 2.4.2 Vrstva polykarbonátového substrátu... 3 2.4.3 Záznamová vrstva... 4 2.4.4 Odrazivá vrstva... 4 3 CD (Compact Disc)... 5 3.1 Úvod... 5 3.2 CD-ROM... 5 3.2.1 Proces výroby média CD-ROM... 5 3.2.2 Princip čtení... 6 3.3 CD-R... 7 3.3.1 Struktura média CD-R... 7 3.3.2 Princip čtení a zápisu... 8 3.4 CD-RW... 9 3.4.1 Struktura média CD-RW... 9 3.4.2 Princip čtení, zápisu a mazání... 10 4 DVD (Digital Versatile Disc)... 12 4.1 Srovnání CD a DVD... 12 4.2 DVD-ROM, DVD-Video, DVD-Audio... 14 4.3 DVD-R... 14 4.4 DVD-RW... 15 4.5 DVD-RAM... 15 4.6 Srovnání DVD-R a DVD+R... 16 5 Třetí generace optických disků... 18 5.1 Úvod... 18 5.2 BD (Blu-ray disc)... 19 5.2.1 Úvod... 19

5.2.2 Princip záznamu a čtení... 20 5.3 HD DVD (High Definition DVD)... 21 6 Holografické paměťové systémy... 22 6.1 Vývoj holografických pamětí... 22 6.2 Princip záznamu... 22 6.3 Princip čtení... 23 6.4 Využití holografických pamětí... 24 7 Souborové systémy pro optická média... 26 7.1 Přehled typů souborových systémů... 26 7.2 High Sierra... 26 7.3 ISO 9660... 27 7.4 Joliet... 27 7.5 Romeo... 28 7.6 El Torito... 28 7.7 Hierarchical File System... 28 7.8 Rock Ridge Interchange Protocol... 29 7.9 Universal Disc Format... 29 7.10 Mount Rainier... 30 8 Budoucnost optických médií... 31 9 Závěr... 33 Seznam použité literatury... 34

Kapitola 1 Úvod Již se vznikem prvních počítačů vznikla potřeba uchovávat data takovým způsobem, aby nedošlo k jejich ztrátě po odpojení od napájecího zdroje a aby bylo možné je přenést na počítač jiný. Z toho důvodu se začala používat přenosná paměťová média. Z počátku se využívaly děrné štítky a děrné pásky, ty však měly mnoho nevýhod (malá kapacita, nízká přenosová rychlost, malá spolehlivost), a proto se hledaly jiné technologie pro záznam dat. V padesátých letech dvacátého století se začala pro ukládání dat využívat média pracující na magnetickém principu záznamu (původně se využívaly magnetické pásky, později magnetické disky). Na konci padesátých let se se vznikem tzv. Laserdiscu začal rozvíjet také optický záznam dat, tedy záznam využívající různých vlastností odraženého světla. Média využívající optický záznam se stala velmi populárními zejména v osmdesátých letech dvacátého století (se vznikem CD). Od té doby se dále zdokonalovala a zlepšovaly se jejich parametry, což vedlo k jejich velké oblíbenosti, která přetrvává dodnes. Cílem této bakalářské práce je shrnutí relevantních informací týkajících se principů operací, vlastností a aplikačních využití médií pracujících na optickém principu záznamu dat. V první části práce popisuji jednotlivé typy soudobých optických paměťových médií (CD, DVD, Blu-ray, HD DVD, holografické paměti). Zde se zaměřuji zejména na jejich strukturu, vlastnosti, možnosti využití a technologie, které používají pro čtení a záznam (resp. mazání) dat. Při popisování jednotlivých médií čerpám z dostupných odborných zdrojů, zejména z knih Origins and Successors of the Compact Disc [1] a Optical Data Storage [2]. V další části práce se věnuji srovnání nejvýznamnějších souborových systémů, které využívají (příp. využívaly) soudobá optická média zejména rozdílům v možnostech pojmenování souborů a adresářů pod různými souborovými systémy, způsobům využití (pro záznam běžných počítačových dat, pro bootování), podpoře souborových systémů jednotlivými operačními systémy atd. Poslední část práce se potom zabývá trendy, kterými by se dále mohl ubírat vývoj optických paměťových médií. Výsledkem práce je tedy kompilace již známých poznatků týkajících se optických médií, jejich zhodnocení a aproximace dalšího možného vývoje v této oblasti. 1

Kapitola 2 Technologie optických médií 2.1 Typy optických médií Optická média jsou v současné době rozdělována do následujících tří skupin (u každé skupiny jsou uvedeni její nejvýznamnější zástupci, kromě nich ale vzniklo i několik dalších derivátů): první generace (nastoupila v 80. letech 20. století) o Audio CD o CD-ROM o CD-R o CD-RW druhá generace (nastoupila ve druhé polovině 90. let 20. století) o DVD-ROM o DVD-Video o DVD-Audio o DVD-R, DVD+R (příp. dvouvrstvé varianty DVD-R DL, DVD+R DL) o DVD-RW, DVD+RW o DVD-RAM třetí generace (nastoupila v 21. století) o BD-ROM o BD-R o BD-RE o HD DVD-R o HD DVD-RW o HD DVD-RAM Teoreticky se počítá i se čtvrtou generací optických disků, do které budou patřit média používající nové technologie záznamu dat (např. holografické disky). Tato média už nejspíš nebudou zpětně kompatibilní se současnými optickými médii, na druhou stranu by však měla poskytovat mnohem vyšší rychlost a kapacitu (teoreticky až v řádu terabytů). 2.2 Výhody optických médií Vhodnost využití optických médií pro záznam dat závisí na konkrétních požadavcích uživatele. Nejčastěji se využívají jako nosiče různých softwarových produktů, filmů, hudby a počítačových her nebo k zálohování počítačových dat. Mezi jejich největší výhody patří: snadná přenositelnost dostačující kapacita pro záznam menšího objemu dat relativně vysoká životnost zapsaných dat 2

nízká cena médií i mechanik (u médií první a druhé generace) bezkontaktní čtení (zápis) dat (používají laserový paprsek, nejsou vystavena působení magnetického pole) jednoduchá obsluha a dostupnost mechanik (nachází se prakticky ve všech počítačích) snadné připojení mechaniky (využívají řadiče s rozhraním shodným s řadiči pevných disků) 2.3 Nevýhody optických médií Na druhou stranu mají optická média také několik nedostatků. Některé z nich by ale mohly vyřešit optická média využívající nové technologie (např. holografii). Největšími nedostatky současných médií jsou: kapacita nedostačuje pro uložení většího objemu dat (zejména u médií první a druhé generace) nízká přenosová rychlost nutnost použití optické mechaniky pro záznam (čtení) dat hlučnost mechaniky při zápisu (čtení) dat náchylnost k opotřebení a mechanickému poškození (nečistoty, prach, otisky prstů ) 2.4 Struktura optických médií 2.4.1 Vrstvy optických médií Optické médium se skládá z několika vrstev. Existují tři základní vrstvy, které mají optická média společné. Mezi základní vrstvy patří: vrstva polykarbonátového substrátu záznamová vrstva odrazivá vrstva Optická média mohou navíc obsahovat i další vrstvy, které se zejména využívají k ochraně vnitřních vrstev před poškozením, příp. umožňují média popisovat. 2.4.2 Vrstva polykarbonátového substrátu Vrstva polykarbonátového substrátu dává optického médiu potřebnou tloušťku a chrání jej tedy před mechanickým poškozením. Tloušťka této vrstvy se liší u jednotlivých typů médií (Blu-ray disky používají užší polykarbonátovou vrstvu než CD nebo DVD). Její tloušťka se u novějších typů optických médií zmenšuje z toho důvodu, že kromě ochrany slouží také k usměrňování laserového paprsku na záznamovou vrstvu (čím je tato vrstva užší, tím přesnější je i záznam laserovým paprskem a 3

nedochází tak k jeho nežádoucímu rozptylu). U médií CD se polykarbonátová vrstva nachází pouze na jedné straně, u médií DVD se nachází na obou stranách. 2.4.3 Záznamová vrstva Po průchodu vrstvou polykarbonátového substrátu dopadá laserový paprsek na vrstvu záznamovou. Do záznamové vrstvy se provádí vlastní záznam a jsou v ní tedy uložena jednotlivá data. Technologie používané pro záznam dat se liší podle konkrétního typu média. Záznamová vrstva médií umožňujících jednorázový zápis je tvořena organickým barvivem (ftalocyanin, cyanin, azobarvivo), záznamová vrstva přepisovacích médií je tvořena speciální chemickou sloučeninou, která působením energie umožňuje změnu fáze z krystalické na amorfní (po obou stranách této vrstvy bývají naneseny vrstvy dielektrika). Speciálními případy jsou média určená pouze pro čtení (CD-ROM, DVD-ROM, BD-ROM), která se vyrábí lisováním. Jednotlivá data jsou na médium uložena již při výrobě na povrch polykarbonátové vrstvy. Jednotlivým technologiím používaným pro záznam dat se dále věnuji podrobněji v následujících kapitolách. 2.4.4 Odrazivá vrstva Hlavní funkcí odrazivé vrstvy je (jak již vyplývá z jejího názvu) odražení laserového paprsku při čtení dat uložených na médiu. U médií určených pouze pro čtení (CD-ROM, DVD-ROM) a u přepisovacích médií (CD-RW, DVD-RW ) je tvořená vrstvou hliníku. Nevýhodou odrazivé vrstvy tvořené hliníkem však může být náchylnost k oxidaci při kontaktu s kyslíkem a s vlhkostí okolního prostředí (to může vést ke snížení odrazivosti této vrstvy). U zapisovatelných médií (CD-R, DVD-R ) se hliník nepoužívá z důvodu možné chemické reakce s organickým barvivem. Zde je odrazivá vrstva tvořená nejčastěji zlatem nebo stříbrem, případně jejich slitinami. Stříbro vykazuje lepší odrazivost než zlato. Jeho nevýhodou je však náchylnost k oxidaci při kontaktu s oxidem siřičitým. Zlato této oxidaci nepodléhá a je stabilnější než stříbro, na druhou stranu je však jeho cena podstatně vyšší. Jiným způsobem jsou řešena dvouvrstvá média, která jsou tvořená dvěma záznamovými a dvěma odrazivými vrstvami. Nad spodní záznamovou vrstvou se nachází poloodrazivá vrstva (polopropustná) tvořená nejčastěji zlatem, případně křemíkem či slitinou stříbra, nad horní záznamovou vrstvou se nachází odrazivá vrstva tvořená hliníkem. 4

Kapitola 3 CD (Compact Disc) 3.1 Úvod Počátky optických disků spadají do roku 1958, kdy David Paul Gregg vyvinul tzv. Laserdisc (LD), první paměťové médium založené na optickém principu. Laserdisc sloužil zejména k distribuci videozáznamů. Umožňoval uložení až 9,6 GB dat na každé straně (Laserdisc byl oboustranný). V roce 1979 se firmy Sony a Philips sdružily do konsorcia za účelem vytvoření média určeného pro uchování hudby. V roce 1982 pak představily technologii kompaktního disku (CD). Hlavním kritériem při tvorbě takového média byl požadavek na souvislý datový tok, který je vhodný pro záznam a reprodukci hudby. Proto jsou data (na rozdíl od např. pevných disků, kde jsou ukládána do soustředných kružnic) na CD uspořádána do spirály začínající ve středu média (její délka je přibližně 6 km). Příchod CD naprosto změnil podobu hudebního světa a během následujících dvaceti let získal silnou pozici na trhu. Postupem času byl využíván k ukládání i jiných typů digitálních dat (nebyl tedy již využíván pouze k záznamu hudby), např. za účelem dlouhodobé archivace, pro uložení dat potřebných k nabootování (zavádění) operačního systému (tzv. Live CD) aj. První CD umožňovaly uložení zvukového záznamu o délce 74 minut a měly kapacitu 656 MB (dnes se nejčastěji používají CD s délkou záznamu 80 minut a kapacitou 700 MB). Běžné CD má tloušťku 1,2 mm a průměr 12 cm (existuje i verze, která má průměr 8 cm). Nejstarším formátem CD určeným pro záznam zvuku (nikoliv pro záznam počítačových dat) je tzv. Compact Disc Digital Audio (CD-DA, Audio CD). Různé další formáty byly dále specifikovány ve standardech označovaných jako knihy ( books ) různých barev [3]. červená kniha Audio CD žlutá kniha CD-ROM zelená kniha CD-i (interaktivní CD) oranžová kniha CD-R, CD-RW bílá kniha Video CD modrá kniha Enhanced CD, CD plus, CD-G béžová kniha PhotoCD šarlatová kniha SACD 3.2 CD-ROM 3.2.1 Proces výroby média CD-ROM V roce 1984 firmy Sony a Philips oficiálně představily nový typ formátu optických disků Compact Disc Read-Only Memory (CD-ROM), který vycházel z formátu Audio CD a umožňoval ukládání počítačových dat o kapacitě nejčastěji 650 700 MB. 5

Médium CD-ROM (stejně jako médium Audio CD) se vyrábí pomocí tzv. rodinného procesu (family process). Během tohoto procesu je na skleněnou desku nanesena tenká vrstva fotocitlivého materiálu. Na tuto vrstvu pak působí laser. Místa, která byla vystavena působení laseru (tzv. exponovaná místa), jsou poté odleptána. Dalším krokem výroby média CD-ROM je galvanické pokovení celé matrice, čímž vznikne vrstva kovová (označovaná jako otec), kterou již lze od skleněné desky s fotocitlivou vrstvou oddělit. Tato kovová vrstva se poté použije k vylisování matrice označované jako matka, z níž se lisováním vyrobí matrice syn (stejná jako matrice otec). Matrice syn se poté použije pro lisování do polykarbonátové vrstvy. V dalším kroku se na polykarbonátovou vrstvu (po oddělení od matrice syn) nanese odrazivá vrstva a na ni vrstva ochranná. Připevněním etikety na vrstvu ochrannou je proces výroby média CD-ROM dokončen. 3.2.2 Princip čtení Data na médiu CD-ROM jsou uložena ve spirále, která začíná ve středu média, jako posloupnost landů (prohlubně ve spirále) a pitů (části vystupující nad povrch). Land má hloubku 120 nm, šířku 500 nm a délku od 870 do 3180 nm (délka závisí na datech, která jsou na disku uložena) [4]. Ke čtení dat uložených na médiu CD-ROM se používá CD-ROM mechanika. CD-ROM mechanika je tvořena optickou hlavou, která se skládá z polovodičového laseru, čočky sloužící k usměrnění laserového paprsku a fotodiody. Čtení dat je prováděno vždy pouze ze spodní strany (média CD-ROM jsou jednostranná). Je založeno na odrazu laserového paprsku s vlnovou délkou 780 nm. Na základě intenzity odraženého světla detektor rozpozná, zda se na daném místě nachází pit (světlo je pohlceno), nebo land (silný odraz světla). Změna z pitu na land, resp. z landu na pit je interpretována jako logická jednička, posloupnost dvou pitů nebo dvou landů jako logická nula. Při delší sekvenci prvků stejné hodnoty (jedniček nebo nul) však může dojít ke ztrátě synchronizace (detektor nedokáže zareagovat dostatečně rychle na rychlé změny intenzity odraženého paprsku). Z tohoto důvodu se používá speciální druh kódování označovaný jako EFM (Eight-To-Fourteen Modulation), který každou osmici bitů nahrazuje 14bitovým vzorkem. Toto kódování zaručuje, že mezi každými dvěma jedničkami (tedy změnami velikosti intenzity) se nachází alespoň dvě nuly a že v každém 14bitovém vzorku se nachází maximálně deset nul. Mezi každé dva 14bitové vzorky se dále zapisují 3 bity, které zaručují, aby tato pravidla nebyla porušena. Hodnota těchto bitů nemá z hlediska uložené informace žádný význam [5]. CD-ROM mechaniky mohou číst data uložená ve spirále pomocí dvou metod Constant Linear Velocity (CLV) a Constant Angular Velocity (CAV). Jako první se začala používat metoda CLV. Data jsou zde čtena konstantní lineární rychlostí. Aby byla tato rychlost konstantní, musí se disk otáčet různou rychlostí v závislosti na tom, odkud jsou data čtena. U vnitřního okraje se tedy disk musí otáčet rychleji (používá se 530 otáček za minutu) než u okraje vnějšího (230 otáček za minutu). S nutností upravovat rychlost otáček souvisí i vyšší přístupová doba než v případě metody CAV. V případě metody CAV je čtení postaveno na konstantní úhlové rychlosti, při které jsou udržovány konstantní otáčky disku (rychlost čtení dat tedy závisí na jejich poloze na disku). Přístupová doba je tedy nižší než u CLV a přenosová rychlost vyšší. Tuto metodu využívá většina současných mechanik. 6

3.3 CD-R 3.3.1 Struktura média CD-R Přestože médium CD-ROM bylo ve své době velmi rozšířené, časem se začal objevovat požadavek ze strany uživatelů, zda by nebylo možné vyrobit médium, na které by bylo možné provést záznam pomocí příslušné optické mechaniky v běžných uživatelských podmínkách (na rozdíl od médií typu CD-ROM, která se vyrábí lisováním). V roce 1988 firmy Philips a Sony představily nový formát optických disků Compact Disc Write-Once (CD-WO), brzy přejmenovaný na Compact Disc Recordable (CD-R). CD-R patří mezi skupinu disků označovaných jako WORM (Write Once Read Many), tedy umožňuje uživateli jeden záznam, který může být opakovaně čten pomocí optické mechaniky [1]. Médium CD-R má kapacitu 650 MB (74 min) až 700 MB (80 min). Médium CD-R se skládá z polykarbonátové, záznamové, odrazivé a ochranné vrstvy. Součástí záznamové vrstvy je předlisovaná stopa ve tvaru spirály (groove, u médií CD-R označovaná jako pregroove), do které se provádí zápis. Součástí této stopy jsou značky, které slouží k přesnému nastavení hlavy s laserem nad stopu během záznamu a k synchronizaci rychlosti zápisu dat [2]. Optické médium Hloubka stopy groove (nm) Rozteč stop (nm) CD 80 1600 DVD 40 740 BD 20 320 Tabulka 3.1: Srovnání rozteče stop a hloubky stopy typu groove tří generací optických disků [2] Obrázek 3.1: Průřez médiem CD-R [6] 7

3.3.2 Princip čtení a zápisu Princip čtení dat uložených na médiu CD-R je stejný jako u médií typu CD-ROM. Laserový paprsek se odráží od povrchu média a na základě velikosti jeho intenzity detektor rozpozná přítomnost pitu, resp. landu. Toto umožňuje, aby médium CD-R mohlo být čteno i v mechanice CD-ROM. Zápis dat se provádí do záznamové vrstvy, která je tvořena organickým barvivem (zlaté, zelené nebo modré). Laserový paprsek vyšší intenzity zahřeje příslušné místo na vysokou teplotu (více než 300 C), díky které dojde ke spálení organického barviva a v tomto místě (pit) se již nebude paprsek odrážet od odrazivé vrstvy. Takto vypálený pit je však trochu mělčí než pit vzniklý lisováním média CD-ROM. Z tohoto důvodu se může stát, že některé starší CD-ROM mechaniky nemusí vypálené CD-R přečíst. Barva (první je odrazivá vrstva, druhé je vlastní barvivo) Zlatá zlatá Zlatá zelená Stříbrná modrá Výrobce Mitsumi, Kodak, Maxell, Ricoh Imation, Memorex, Kodak, BASF, TDK Verbatim, DataLifePlus, Maxell, TDK Poznámky Barvivem je ftalocyanin. Menší odolnost vůči výkyvům výkonu laseru při zápisu. Nemusí pracovat zcela spolehlivě ve všech typech mechanik. Barvivem je cyanin. Spolehlivější zápis a čtení v různých typech mechanik, odlišujících se výkonem laseru. Certifikovaná životnost 10 let. Médium použito při vývoji prvních standardů pro CD-R; proto se jedná o nepsaný standard pro firmy vyrábějící média CD-R. Barvivem je azobarvivo. Obdobný výkon jako u zelených médií; navíc navrženo pro životnost až 100 let. Dobrá volba pro dlouhodobou archivaci dat. Tabulka 3.2: Barvy médií CD-R a jejich vliv na záznam [7] Zápis na médium CD-R je možné provést jednorázově (singlesession) nebo postupným přidáváním dat (multisession). V případě singlesession jsou všechny stopy zapsány v jednom svazku (tento svazek se označuje jako volume). Po zápisu dat se vytvoří tabulka TOC (Table of Contents), ve které jsou uloženy informace o počátku jednotlivých stop na disku, jejich délce, počtu a délce oblasti s daty. Disk je ukončen oblastí označovanou jako Lead-Out Area. Po ukončení zápisu na disk již není možné na něj cokoliv nahrát. Multisession naopak umožňuje na disk data postupně připalovat. Jednotlivé části (sessions) jsou ohraničeny pomocí Lead-In Area (na začátku každé části) a Lead-Out Area (na konci každé části). Tabulka TOC se zde zapisuje až po nahrání poslední části a uzavření CD. 8

3.4 CD-RW 3.4.1 Struktura média CD-RW Přestože médium CD-R uspokojilo požadavky uživatelů na možnost vlastního vypálení dat v běžných uživatelských podmínkách, bylo pouze otázkou času, kdy bude vytvořena technologie umožňující také mazání těchto vypálených dat. V roce 1995 firmy Sony a Philips představily nový standard médií CD, který umožňoval nejen zápis dat, ale i jejich vymazání a následný zápis dat nových. Tento standard byl nazván CD-Erasable (CD-E), později se začalo používat označení CD-ReWritable (CD-RW). Toto médium je v mnoha ohledech podobné médiu CD-R. Mechaniky CD-RW jsou tedy zcela kompatibilní s mechanikami CD-R a prakticky i s většinou moderních CD-ROM mechanik podporujících rychlost alespoň 24x (základní rychlost 1x odpovídá rychlosti přenosu dat 150 kb/s, rychlost 24x tedy odpovídá rychlosti přenosu dat 24 * 150 kb/s = 3600 kb/s). Počet cyklů přepisu dat (jejich vymazání a následné nahrání dat nových) média CD-RW se uvádí v řádu několika stovek, přičemž horním limitem je přibližně 1000 cyklů [1]. CD-RW je určeno především pro zálohování dat. Struktura média CD-RW je podobná médiu CD-R. Je také tvořeno vrstvou polykarbonátu, záznamovou vrstvou, odrazivou vrstvou a ochrannou vrstvou. Obsahuje také (stejně jako médium CD-R) předlisovanou stopu tvaru spirály označovanou groove, která slouží k přesnému vedení laserového paprsku. Navíc je však médium CD-RW tvořeno vrstvami dielektrika na obou stranách záznamové vrstvy. Vrstva dielektrika je tvořena sloučeninou silikonu, kyslíku, síry a zinku. Jejím hlavním úkolem je modifikace odezvy média, aby poskytovalo čistý signál, zvýšení účinnosti laseru za účelem dosažení žádoucí teploty, tepelná izolace a zabránění posunu média vlivem odstředivých sil [8]. Obrázek 3.2: Průřez médiem CD-RW [8] 9

3.4.2 Princip čtení, zápisu a mazání Médium CD-RW je možné přečíst v mechanice pro disky CD-R i ve všech moderních mechanikách pro disky CD-ROM. Některé starší mechaniky CD-ROM však mají častě problémy s jejich čtením. Tyto problémy jsou způsobené mnohem menší odrazivostí laserového paprsku, což má za následek, že starší mechaniky díky menší citlivosti takové médium nepřečtou. Firmy Philips a Hewlett-Packard proto vytvořily technologii označovanou jako MultiRead, která definuje základní úrovně odrazivosti laserového paprsku a která tedy umožňuje novým mechanikám CD-ROM správně tato média číst. Pro záznam dat se používá tzv. technologie fázové změny. Tato technologie pracuje na principu změny struktury materiálu z krystalické do amorfní formy. Aktivní vrstva média CD-RW, která umožňuje laserový záznam, je tvořena speciální chemickou sloučeninou stříbra, india, antimonu a teluru. Tato sloučenina umožňuje působením energie změnu stavu z krystalického (odráží více světla) do amorfního (odráží méně světla). Při zápisu dat na médium laser pracuje na vysoký výkon (řádově desítky mw), díky kterému zahřeje povrch média na velmi vysokou teplotu (typicky kolem 600 C). Při zahřátí na takovou teplotu (teplotu tání) a následném ochlazení sloučenina zkapalní a přechází tedy z krystalické struktury do struktury amorfní. Místa s amorfní strukturou odráží méně světla než místa se strukturou krystalickou, a tedy při čtením laserovým paprskem jsou ekvivalentem pitů. Místa s krystalickou strukturou jsou ekvivalentem landů [2]. Při mazání dat laser pracuje na nižší výkon (řádově jednotky mw). Povrch média se zahřeje nad teplotu krystalizace (přibližně 200 C) a poté je ochlazen. Tím přechází sloučenina ze struktury amorfní do struktury krystalické a odráží tedy více světla [2]. Mechanika CD-RW pracuje se třemi různými intenzitami laserového paprsku Pwrite (Pzápis, používaná pro zápis amorfních částí), Perase (Pmazání, používaná pro zápis částí krystalických) a Pread (Pčtení, používaná pro čtení a spolu s Pwrite pro zápis amorfních částí). 10

Obrázek 3.3: Proces zápisu a mazání dat (vytvoření amorfní a krystalické struktury) na médiu CD-RW [8] 11

Kapitola 4 DVD (Digital Versatile Disc) 4.1 Srovnání CD a DVD Kapacita médií CD se s přibývajícími požadavky uživatelů na velikost uchovávaných digitálních dat začala brzy jevit jako nedostatečná. Proto bylo cílem vývojářů vytvořit takové médium, které by bylo zpětně kompatibilní s CD a které by umožňovalo uložení dat s vysokou kapacitou (filmy s vysokou obrazovou a zvukovou kvalitou, popř. jiná data). V roce 1995 tedy bylo oficiálně představeno médium označované jako DVD (Digital Video Disc). Význam zkratky byl později změněn na Digital Versatile Disc. Disk DVD má stejný průměr (12 cm) a stejnou tloušťku (1,2 mm) jako disk CD-ROM. Za účelem dosažení vyšší kapacity však bylo nutné provést několik úprav: disk DVD umožňuje provedení záznamu do dvou vrstev (případně i na obě strany disku DVD mohou být oboustranné), velikosti pitů a landů jsou zde mnohem menší, zmenšila se rozteč stop, pracuje s laserovým paprskem s kratší vlnovou délkou (635 nebo 650 nm), používá jiné mechanismy pro adresaci a opravu chyb (viz následující tabulka). DVD mechaniky mohou také pracovat s vyšší rychlostí přenosu dat (základní rychlost 1x zde odpovídá rychlosti přenosu 1350 kb/s). Mnohem vyšší hustota zaznamenaných dat ale také vyžaduje větší opatrnost při zacházení s tímto diskem, poněvadž se na něm podstatně výrazněji projevují různá mechanická poškození (nečistoty, otisky prstů, škrábance, prach ). CD DVD Vnější průměr média 12 cm 12 cm Vnitřní průměr média 4,8 cm 4,8 cm Tloušťka média 1,2 mm 1,2 mm Vlnová délka laseru 780 nm 635 nebo 650 nm Velikost nejkratšího pitu 0,83 μm 0,4 μm Vzdálenost mezi stopami 1,6 μm 0,74 μm Celková kapacita 650 700 MB 4,7 17 GB Tabulka 4.1: Srovnání vlastností médií typu CD a DVD [9] 12

Obrázek 4.1: Srovnání struktury CD (vlevo) s DVD (vpravo) [10] V současné době se média DVD vyrábí ve čtyřech variantách: Počet stran Počet vrstev Kapacita DVD-5 1 1 4,7 GB DVD-9 1 2 8,5 GB DVD-10 2 1 9,4 GB DVD-18 2 2 17 GB Dvouvrstvý disk DVD používá pro záznam dat dvě záznamové vrstvy, které jsou od sebe oddělené pomocí oddělující vrstvy široké 50 μm. Spodní vrstva (vrstva, na kterou jako první dopadá laserový paprsek) je polopropustná a nazývá se L0 (při použití vhodného materiálu lze dosáhnout propustnosti kolem 50 %). Na tuto vrstvu se provádí záznam zevnitř směrem ven. Horní záznamová vrstva se označuje L1. Do této vrstvy se provádí záznam až poté, co se zaplní vrstva L0 (zapisuje se zvenku směrem dovnitř) [2]. Nad vrstvou L0 se nachází poloodrazivá vrstva vyrobená nejčastěji ze zlata, která umožňuje průchod laserového paprsku k vrstvě L1. Na vrstvě L1 se z důvodu složitějšího přístupu laserového paprsku za účelem lepší detekce používají pity a landy s větší velikostí. Z tohoto důvodu nemá jednostranné dvouvrstvé médium DVD dvojnásobnou kapacitu (2 * 4,7 GB = 9,4 GB), ale pouze kapacitu 8,5 GB. Podobně jako pro média CD jsou i pro média DVD specifikovány standardy uvedené v následujících knihách [9]: Book A: DVD-ROM Book B: DVD-Video Book C: DVD-Audio Book D: DVD-R Book E: DVD-RAM 13

4.2 DVD-ROM, DVD-Video, DVD-Audio V prosinci roku 1995 byl představen nový standard optických disků Digital Versatile Disc Read-Only Memory (DVD-ROM). Tento formát se pro svoji velkou kapacitu velmi rychle rozšířil a začal se využívat jak v počítačovém prostředí, tak i v samostatných DVD přehrávačích. Jeho maximální kapacita je 17 GB (u dvouvrstvé, oboustranné varianty). Využívá se pro přehrávání počítačových dat a multimediálních aplikací. Podobně jako jeho předchůdce CD-ROM je určený pouze pro čtení, nikoliv pro zápis. Disk DVD-ROM se vyrábí lisováním. Na základě médií DVD-ROM později vznikl další standard označovaný jako DVD-Video. Tento standard je určený pro přehrávání videa v počítači a přehrávačích DVD. Používá kompresní formát MPEG-2 pro kompresi obrazu, pro kódování zvuku používá nejčastěji formát Dolby Digital (AC-3), popř. DTS (Digital Theater System). Na médiu typu DVD-Video se vždy musí nacházet adresář nazvaný VIDEO_TS. Tento adresář obsahuje soubory s příponami vob, ifo a bup. Vob obsahuje video, zvuk a titulky (soubor s příponou vob nebývá větší než 1 GB, často bývá video rozděleno do několika souborů vob) Ifo obsahuje informace, které se nachází v souborech vob, tedy informace o jednotlivých zvukových stopách, titulkách, o místech, kde na médiu začínají jednotlivé kapitoly (umožňuje při přehrávání videa skok na danou kapitolu) aj. Bup je záložní kopií daného souboru ifo Na médiu DVD-Video se také může (ale není to vyžadováno) nacházet adresář AUDIO_TS. Tento adresář je prázdný a nachází se zde z důvodu kompatibility (je využíván médii typu DVD-Audio). Dalším DVD standardem je standard DVD-Audio. Ten slouží k zaznamenání a následné reprodukci zvuku ve vysoké kvalitě až do rozlišení 24 bitů při vzorkovací frekvenci 192 khz. Standard DVD-Audio navíc umožňuje i použití dalších kanálů pro reprodukci prostorového (5.1 kanálového) zvuku a je kompatibilní s běžnými DVD přehrávači. Konkurencí pro DVD-Audio se stal standard nazvaný Super Audio Compact Disc (SACD). Ten vychází ze standardu Audio CD, ale používá DVD technologii (záznam lze sice provést pouze z jedné strany, ale může obsahovat dvě vrstvy potom může dosahovat kapacity až 8,5 GB). 4.3 DVD-R Média Digital Versatile Disc Recordable (DVD-R), která se poprvé objevila na trhu v roce 1997, jsou (stejně jako média CD-R) určena pouze pro jednorázový záznam. Jejich kapacita je standardně 4,7 GB, příp. 8,5 GB (dvouvrstvé médium, označované DVD-R DL). Od roku 2000 byla média DVD-R prodávána ve dvou typech (označovaná jako DVD-R verze 2.0) DVD-R for Authoring a DVD-R for General. DVD-R for Authoring byla verze určená pro profesionální využití a používala laserový paprsek o vlnové délce 635 nm (stejně jako DVD-R verze 1.0). DVD-R for General byla verze určená pro domácí využití zejména pro uživatelské aplikace a pracovala s laserovým paprskem o vlnové délce 650 nm [1+. Výhodou medií DVD-R je jistě jejich nízká cena a vysoká kompatibilita, avšak nejsou příliš vhodná pro časté zálohování dat. Některé starší mechaniky totiž mohou mít problémy se čtením médií, na kterých se nachází více než jedna session. 14

Pro zápis dat na médium DVD-R se používá metoda označovaná wobbled groove (klikaté rýhy). Zápis se provádí pouze do speciální vylisované stopy typu groove, která má tvar sinusoidy a která slouží k přesnému vedení laserového paprsku. Stopy se mírně vychylují a četnost těchto výchylek (vpravo a vlevo) se využívá pro správné časování mechaniky. Zápis se provádí (podobně jako v případě CD-R) do záznamové vrstvy tvořené organickým barvivem, které je po zahřátí na vysokou teplotu spáleno. 4.4 DVD-RW Na konci roku 1999 vznikl nový standard DVD, který vycházel ze standardu DVD-R, nazývaný Digital Versatile Disc Re-recordable (DVD-RW). Jedná se o standard DVD, který umožňuje čtení dat, zápis i mazání pomocí laserového paprsku o vlnové délce 635, resp. 650 nm (stejně jako jeho předchůdce DVD-R) a který umožňuje přibližně 1000 přepisovacích cyklů (přibližně stejně jako přepisovatelné CD) [1]. Využívá se zejména pro zálohování počítačových dat. Často se také využívá ve stolních DVD-RW rekordérech (umožňuje použití indexů, mazání a spojování dat). Zápis na médium DVD-RW se provádí pomocí technologie změny fáze záznamové vrstvy. Podobně jako u přepisovatelného CD se zde médium zahřeje na vysokou teplotu a po následném ochlazení přechází sloučenina ze struktury krystalické do struktury amorfní, při zahřátí na teplotu krystalizace (ta je podstatně nižší) a ochlazení přechází z amorfní struktury do krystalické. Záznam je prováděn do stopy groove, která má tvar sinusoidy. Pro identifikaci fyzických adres datových bloků se využívají speciální oblasti nazývané land pre-pit areas. Tyto oblasti jsou tvořeny skupinou mikroskopických pitů nacházejících se v oblasti land mezi stopami typu groove [11]. Obrázek 4.2: Struktura DVD-RW [11] 4.5 DVD-RAM Dalším systémem pro přepisovatelné DVD byl formát Digital Versatile Disc Random Access Memory (DVD-RAM). Média DVD-RAM měla původně kapacitu o velikosti 2,6 GB, dnes se vyrábí s kapacitou 4,7 GB (jednostranné) nebo 9,4 GB (oboustranné). Jejich hlavní nevýhodou je horší kompatibilita 15

se současnými mechanikami. Využívají se zejména pro zálohování, příp. pro digitálně nahrávající videorekordéry (na rozdíl od médií DVD-RW umožňují až 100 000 přepisovacích cyklů). Výhodou je také fakt, že lze na médiu typu DVD-RAM provádět kopírování, přesouvání nebo mazání souborů bez přítomnosti vypalovacího softwaru (lze tedy s ním pracovat jako např. s vyměnitelným pevným diskem). Pro zápis dat se využívá fázové změny záznamové vrstvy. Data jsou ukládána do stopy typu groove. Kromě toho jsou však u médií DVD-RAM ukládána i do stop typu land (umístěných mezi stopami typu groove). DVD-RAM mechaniky čtou data uložená na médiu pomocí metody označované Zoned Constant Linear Velocity (ZCLV). Jedná se o určitý kompromis mezi metodami CLV a CAV. Médium je zde rozděleno do několika zón s různým počtem sektorů. V každé z těchto zón se médium otáčí konstantní rychlostí, přičemž rychlost otáčení v zónách blíže ke středu média je vyšší než v zónách blíže k okraji. Obrázek 4.3: Struktura zón média DVD-RAM o kapacitě 2,6 GB (rozdělení do 24 zón se 17 sektory v nejvnitřnější zóně a 41 sektory v nejkrajnější zóně) [12] 4.6 Srovnání DVD-R a DVD+R V roce 2002 vznikla pro formát DVD-R (norma minus ) konkurence v podobě formátu DVD+R (norma plus vytvořená skupinou DVD+RW Alliance). Mezi těmito formáty nejsou příliš velké rozdíly, které jsou navíc z pohledu uživatele vcelku zanedbatelné. Jedná se totiž zejména o rozdíly technického charakteru. Data uložená na médiích typu DVD-R i DVD+R lze navíc číst ve standardních DVD mechanikách. Jako konkurence pro formát DVD-RW vznikl formát DVD+RW. Výrazný rozdíl je v tom, jak je uspořádána stopa groove. Tato stopa má u obou formátů tvar sinusoidy, avšak u formátu DVD+R (i DVD+RW) má vyšší frekvenci (metoda používaná pro zápis dat na média DVD+R a DVD+RW se označuje jako High frequency wobbled groove). Další rozdíl je ve způsobu fyzického adresování sektorů. Zatímco DVD-R používají speciální z výroby předlisované pity (pre-pits), DVD+R využívá způsob nazývaný ADIP - Address in pregroove (adresování 16

je prováděno pomocí vln v zápisových stopách wobble). Tento způsob je spolehlivější a přesnější zejména při vyšších otáčkách média a také odolnější proti šumu. DVD+R má také propracovanější systém na detekci chyb než DVD-R. Výhodou médií DVD+RW je navíc obrovská pružnost zápisu. Používá totiž metodu nazývanou Lossless linking. Data na médiu jsou rozdělena do 32kB bloků, z nichž každý může být kdykoliv přepsán (i pokud je součástí již existujícího záznamu). Pokud např. dojde k přerušení zápisu na médium, je po následném navázání nejprve přepsán poslední 32kB zapsaný blok. 17

Kapitola 5 Třetí generace optických disků 5.1 Úvod Přestože média typu DVD poskytovala kapacitu o velikosti až 17 GB, s rozvojem technologií se postupem času také začala jevit jako nedostačující. Po médiích DVD (označovaných také jako druhá generace optických disků) se tedy začala používat média patřící do tzv. třetí generace optických disků. Vznik těchto médií byl podstatně ovlivněn rozvojem filmového průmyslu, zejména rozmachem HDTV televizorů a potřebou přehrávat filmy ve vysokém rozlišení 1280 x 720 bodů, příp. 1920 x 1080 bodů (Full HD). Stejně jako jejich předchůdci používají kotouč o průměru 12 cm (v menší variantě 8 cm) a tloušťce 1,2 mm. Dosahují však mnohem vyšší kapacity, čehož bylo dosaženo zkrácením a zúžením pitů a zmenšením rozteče mezi stopami. Aby bylo možné toto zmenšení provést, používá se modrý laserový paprsek s vlnovou délkou 405 nm, tedy podstatně nižší než u červeného laserového paprsku u DVD. Užší laserový paprsek lze zaměřit s mnohem vyšší přesností. Mezi zástupce třetí generace patří dva různé soupeřící standardy Blu-ray (technologie vyvinutá firmou Sony) a HD DVD (firma Toshiba). DVD Blu-ray HD DVD Úložná kapacita 4,7 GB (1 vrstva) 8,5 GB (2 vrstvy) 25 GB (1 vrstva) 50 GB (2 vrstvy) 15 GB (1 vrstva) 30 GB (2 vrstvy) Vlnová délka laseru 650 nm (červený laser) 405 nm (modrý laser) 405 nm (modrý laser) Numerická apertura 0,60 0,85 0,65 Průměr disku 120 mm 120 mm 120 mm Tloušťka disku 1,2 mm 1,2 mm 1,2 mm Ochranná vrstva 0,6 mm 0,1 mm 0,6 mm Rozteč stop 0,74 μm 0,32 μm 0,40 μm Rychlost přenosu dat 11,08 Mb/s (1x) 36,0 Mb/s (1x) 36,55 Mb/s (1x) Rychlost přenosu dat 10,08 Mb/s (< 1x) 54,0 Mb/s (1,5x) 36,55 Mb/s (1x) (audio/video) Rozlišení videa 720 x 480 / 720 x 576 1920 x 1080 1920 x 1080 (maximální) Rychlost přenosu videa (maximální) 9,8 Mb/s 40,0 Mb/s 28,0 Mb/s Tabulka 5.1: Srovnání parametrů médií DVD, Blu-ray a HD DVD [13] 18

Obrázek 5.1: Srovnání médií CD, DVD a BD *14+ 5.2 BD (Blu-ray disc) 5.2.1 Úvod Prvním jmenovaným ze dvou soupeřících formátů je Blu-ray disc (BD). Název pochází z anglického Blue ray (modrý paprsek), tedy označení, které souvisí s barvou používaného laserového paprsku (označení Blu-ray se používá místo Blue-ray z toho důvodu, že běžně používané názvy není možné registrovat jako ochrannou známku). Jsou definovány tři základní formáty médií BD: BD-ROM (Blu-ray Read Only Memory, disk pouze pro čtení) BD-R (Blu-ray Recordable, disk pro jednorázový zápis) BD-RE (Blu-ray REwritable, přepisovatelný disk) Média BD umožňují záznam dat s kapacitou až 25 GB (mají jednu záznamovou vrstvu), příp. 50 GB (dvouvrstvá média). Média s těmito kapacitami jsou v současné době nejrozšířenější, přestože současné technologie umožňují vyrábět média BD s kapacitou mnohem vyšší. Kapacita jedné vrstvy se zvýšila z 25 GB na 33 GB (toho bylo dosaženo použitím peroxidu bizmutu a oxidu germania) a bylo tedy možné vytvořit třívrstvé médium s kapacitou 100 GB, příp. šestivrstvé s kapacitou 200 GB. V prosinci 2008 bylo představeno firmou Pioneer Corporation médium Blu-ray, které ukládá data do šestnácti vrstev a má celkovou kapacitu 400 GB. V červnu roku 2010 byl definován a schválen standard označovaný BDXL, který poskytuje kapacitu 100 GB (ve třech vrstvách) a 128 GB (ve čtyřech vrstvách) v případě disku pro jednorázový zápis, 100 GB (ve třech vrstvách) u přepisovatelného disku. Horního limitu kapacity médií BD však ještě stále nebylo dosaženo a předpokládá se, že v roce 2013 by na trh mohl přijít Blu-ray disk s kapacitou 1 TB. 19

Na rozdíl od DVD je záznamová vrstva média BD umístěna blíže čtecímu laseru, pouze 0,1 mm pod povrchem média. Tloušťka polykarbonátové vrstvy se tedy snížila z 0,6 mm (DVD) na 0,1 mm. Důvodem pro toto snížení byla snaha o zabránění nežádoucího rozptylu úzkého laserového paprsku. To však vedlo k tomu, že médium BD bylo podstatně náchylnější na mechanické poškození. Proto se takové médium dodávalo se speciálním ochranným obalem nazývaným cartridge. Těmto médiím však musely být přizpůsobené i mechaniky, do kterých se vkládala. Tyto mechaniky však již nebyly použitelné pro média CD a DVD, proto se hledalo jiné řešení. V současné době se využívá speciální vrstva označovaná hard-coat, která se nanáší na vrstvu ochrannou a chrání tak médium před poškozením. Pro tato média se již používaly mechaniky, které byly zpětně kompatibilní s CD a DVD. Média BD se využívají k zálohování velkého objemu dat. Umožňují záznam videa ve vysokém rozlišení (1280 x 720 bodů, 1920 x 1080 bodů) označovaném HD (High Definition). Pro zpracování obrazu používají kompresní formát MPEG-2 (ten byl využíván již médii DVD) nebo modernější MPEG-4 AVC, příp. SMPTE VC-1, které nabízejí přibližně stejnou kvalitu obrazu jako MPEG-2, ale díky lepším kompresním metodám zabírají data na médiu menší prostor. Zatímco standard DVD poskytoval šest kanálů pro reprodukci zvuku (5.1), Blu-ray poskytuje kanálů osm (7.1). Používá zejména vylepšené kompresní formáty Dolby Digital Plus a DTS-HD High Resolution Audio, případně bezeztrátové formáty Dolby TrueHD a DTS-HD Master Audio. Kromě záznamu videa se média BD používají také pro záznam videoher určených pro herní konzoly PlayStation 3. Navíc média BD zavedla nový způsob ochrany dat proti pirátskému kopírování nazvaný Advanced Access Content System (Systém pro pokročilý přístup k obsahu AACS). Tento způsob, který použila i média HD DVD, je založený na šifrování dat pomocí speciálního 128bitového klíče. Média BD dále využívají systém ROM Mark, který používá z pohledu uživatele neviditelný identifikační kód na lisovaném disku, a doplňující systém BD+, který využívá dynamický šifrovaný klíč a slouží k tomu, aby nebylo možné prolomit ochranu samotného přehrávače. 5.2.2 Princip záznamu a čtení Pro záznam dat používají média BD technologii nazývanou on-groove. Po obvodu média se nachází spirálovitá drážka (land). Jednotlivé landy jsou od sebe odděleny vyvýšeninou (groove), která je zakřivená do tvaru sinusoidy (toto zakřivení je označováno jako wobble). Jednotlivé pity se zaznamenávají právě na tyto vyvýšeniny mezi landy. Data jsou tedy poté laserovým paprskem čtena jako posloupnost pitů a landů. Média typu BD-ROM se vyrábí lisováním. Používají se dva způsoby výroby: 1) Data jsou nejdříve vylisována na plexisklo. Na jeho povrch je nanesena vrstva polykarbonátu a poté se z této vrstvy sloupne. Tím vznikne záznamová vrstva (o šířce 0,1 mm), která je poté přilepena na 1,1mm substrát. 2) Data se přímo vylisují na 1,1mm substrát. Na ten je poté nanesena tenká vrstva. Tato vrstva se vyrábí různými způsoby. Jedním z těchto způsobů je nanesení ultrafialové pryskyřice na disk, který se roztáčí. Díky tomu je pryskyřice rovnoměrně rozprostřena po povrchu disku. Dalším způsobem je přilepení již hotové vrstvy pomocí ultrafialové pryskyřice nebo pomocí speciálního lepidla citlivého na přítlak [15]. 20

Záznam dat u médií BD-R se provádí laserovým paprskem o vlnové délce 405 nm do záznamové vrstvy. Zatímco předchozí média CD a DVD prováděla záznam do vrstvy tvořené organickým barvivem, média BD-R používají vrstvu, která může být tvořena buď také organickým barvivem, nebo anorganickou slitinou křemíku a mědi, příp. speciálním materiálem zapisovaným pomocí technologie změny fáze. Média typu BD-RE využívají k zápisu dat změnu fáze záznamové vrstvy. 5.3 HD DVD (High Definition DVD) Druhým konkurenčním formátem optických disků třetí generace se stal standard High Definition Digital Versatile Disc (HD DVD). Média HD DVD byla vyráběna firmami Toshiba, NEC a Sanyo a byla považována za nástupce standardu DVD. Přestože byl jejich boj s konkurenčním formátem Blu-ray místy hodně vyrovnaný, velká filmová studia se postupem času začala od formátu HD DVD odvracet. Pozice formátu HD DVD na trhu byla stále oslabována, což vedlo nakonec k jeho zrušení firmou Toshiba v únoru 2008. Ve své struktuře se média HD DVD od médií BD příliš neliší. Hustota zápisu je však u HD DVD nižší a umožňují tedy uložení menšího objemu dat. Jejich kapacita je nejčastěji 15 GB (jedna vrstva) nebo 30 GB (dvě vrstvy) u jednostranných disků, příp. 30 GB (jedna vrstva) nebo 60 GB (dvě vrstvy) u oboustranných disků (o průměru 12 cm). Přepisovatelná média HD DVD pak dosahují kapacity 20 GB, příp. 32 GB (to je způsobeno jiným způsobem zápisu dat). Záznamová vrstva je zde umístěna mnohem hlouběji než u médií typu BD pod 0,6 mm silnou vrstvou polykarbonátu. Používají se tři základní formáty médií HD DVD: HD DVD-R (disk pro jednorázový zápis) HD DVD-RW (přepisovatelný disk) HD DVD-RAM (přepisovatelný disk, nástupce DVD-RAM) Záznam dat na médium probíhá podobným způsobem jako u médií BD pomocí principu on-groove. Rozdíl je však ve vzdálenosti mezi jednotlivými landy. Zatímco u médií HD DVD je tato rozteč 400 nm (stejně jako u běžného média DVD), u BD byla snížena na 320 nm. Z toho samozřejmě plyne, že média BD poskytují větší prostor pro data. To je navíc ovlivněno i vyšší hodnotou numerické apertury u médií BD (numerická apertura je veličina, s jejíž rostoucí hodnotou se snižuje vzdálenost, na kterou lze zaměřit laserový paprsek). Díky tomu je laser při zápisu na BD přesnější. Média HD DVD se (stejně jako média BD) využívají zejména k záznamu videa ve vysokém rozlišení. Pro kompresi videa využívají formáty MPEG-2, MPEG-4 AVC a SMPTE VC-1. Pro kompresi zvuku používají nejčastěji formát Dolby Digital Plus (EAC3). V roce 2007 firmy LG a Samsung vydaly hybridní mechaniku, která byla schopná číst média Blu-ray i HD DVD. Tyto mechaniky se však příliš neujaly, hlavně díky technickým nedostatkům, a proto bylo v květnu 2008 ohlášeno ukončení jejich výroby. 21

Kapitola 6 Holografické paměťové systémy 6.1 Vývoj holografických pamětí Potřeba uchovávat stále větší množství dat vede výrobce k hledání nových technologií, které by umožňovaly dokonalejší záznam dat za současného zvyšování kapacity a rychlosti záznamových zařízení. Jednou z těchto nových technologií je holografická paměť. Holografie je forma záznamu obrazu, která umožňuje zachytit jeho trojrozměrnou strukturu na dvourozměrný obrazový nosič. Na něj se zaznamenává informace o intenzitě a o fázi světla odraženého od předmětu *16+. Holografii objevil v roce 1947 maďarsko-britský fyzik Dennis Gabor (za tento objev získal v roce 1971 Nobelovu cenu za fyziku), avšak rozvinula se až po roce 1960, kdy byl vynalezen laser, jehož světlo již bylo dostatečně bodové a koherentní (souvislé). V roce 1963 Pieter van Heerden, zaměstnanec firmy Polaroid, přišel s návrhem, jak využít holografii pro ukládání binárních dat. Velký pokrok zaznamenal vývoj holografických pamětí v 90. letech 20. století, kdy byl vytvořen funkční model holografického čtecího a záznamového zařízení. Z důvodu vysoké náročnosti vývoje a současného velkého rozvoje médií pracujících na magnetickém principu však bylo ukončeno masivní financování holografického vývoje [16]. Postupem času se však snížila cena komponentů nutných k výrobě holografických pamětí, což vedlo k novému rozmachu této technologie. V současné době pracuje mnoho společností na vývoji těchto pamětí. 6.2 Princip záznamu Velmi důležitou částí vývoje holografických pamětí je použití správného záznamového média. Záznam na toto médium totiž vyžaduje velkou citlivost, stálost, optickou propustnost, teplotní stabilitu, malou tloušťku a nedestruktivnost při čtení. V současné době se pro záznamové médium používají krystaly fotopolymerů, které požadované vlastnosti splňují. Nevýhodou tohoto materiálu je však skutečnost, že neumožňuje přepis a u zaznamenaných dat tedy není možné opravit chyby v zápisu. Na rozdíl od předchozích typů optických disků se zde data nezaznamenávají na plochu, ale v celé hloubce záznamové vrstvy (ta má tloušťku 1,5 mm). Během holografického záznamu dat vyzařuje laser koherentní svazek paprsků, který je poté rozdělen na dva (signální a referenční). Signální svazek slouží k přenosu dat, která mají být uložena na záznamové médium. Tento svazek prochází prostorovým světelným modulátorem (Spatial Light Modulator SLM), pomocí něhož jsou na něj modulována přenášená digitální data. Jednotlivé bity se nejdříve uspořádají do stránek, příp. do velkých datových polí. Jednotlivé logické hodnoty 0 a 1 jsou na prostorovém světelném modulátoru překládány do pixelů tak, že buď světlo pohlcují, nebo propouští (data jsou tedy konvertována do pole tvořeného světlými a tmavými pixely). Takto modulovaný signálový svazek 22

poté interferuje se svazkem referenčním v blízkosti povrchu záznamového média, čímž dojde k záznamu datové stránky [17]. Pří záznamu na médium je možné měnit úhel, pod kterým referenční paprsek na něj dopadá. To umožňuje uložení několika datových stránek do stejného fyzického místa na médiu (jednotlivé stránky se navzájem neovlivňují). Díky tomu holografické médium může dosáhnout velmi vysoké hustoty a lze na něj uložit velké množství dat. Obrázek 6.1: Princip holografického záznamu dat *18+ 6.3 Princip čtení Pro holografické čtení dat ze záznamového média se používá referenční paprsek. Tento paprsek způsobí ohyb na zaznamenaných mřížkách, což umožňuje rekonstrukci jednotlivých bitů. Odražený referenční paprsek (a tedy i rekonstruovaná data) je poté promítán na CMOS detektor, který se skládá z pole pixelů a který umožňuje paralelní čtení i více než jednoho milionu bitů najednou. Tím se mnohonásobně zvyšuje rychlost čtení [17]. 23

Při čtení dat ze záznamového média je klíčové přesné nastavení referenčního paprsku s ohledem na povrch média. Úhel, pod kterým paprsek na médium dopadá, musí být naprosto shodný s úhlem použitým pří záznamu (odchylka i o jednu tisícinu milimetru by vedla k chybě při čtení dat). Obrázek 6.2: Princip holografického čtení dat *18+ 6.4 Využití holografických pamětí Výhody holografických pamětí jsou tedy zřejmé poskytují vysokou kapacitu (v řádu terabytů) a jsou rychlé. Dalšími výhodami je jejich poměrně vysoká životnost a odolnost vůči poškození. Přestože jejich nevýhodou je vysoká cena, mají určitě velký potenciál. Jedním z nejvýznamnějších zástupců holografických pamětí je Holographic Versatile Disc (HVD). Toto médium poskytuje mnohonásobně vyšší kapacitu než média typu BD nebo HD DVD (první generace HVD má maximální kapacitu 250 GB, technologie HVD však umožňuje záznam dat o kapacitě i několika terabytů) a přenosovou rychlost blížící se 125 MB/s. Využívá techniku založenou na principu kolineární holografie, kde dva laserové paprsky (modrozelený a červený) jsou kolimovány (seřízeny) do paprsku jednoho. Modrozelený paprsek slouží ke čtení zakódovaných dat, červený paprsek se využívá jako referenční paprsek. 24

Přestože v současné době nejsou média HVD uživatelům běžně dostupná, lze předpokládat, že se stanou silnými konkurenty v boji se současnými Blu-ray disky. Jejich velké kapacity lze využít k zálohování dat a také by mohla být ideálním kandidátem na univerzální nosič 3D filmů. Kromě formátu HVD existují i jiné formáty (založené na holografickém principu) vyvíjené konkurenčními firmami (např. firmy Hitachi Maxell Ltd, InPhase Technologies ). InPhase Technologies v současné době vyvíjí formát Tapestry Media, jehož kapacita by měla být 1,6 TB a přenosová rychlost by měla dosahovat 120 MB/s. 25

Kapitola 7 Souborové systémy pro optická média 7.1 Přehled typů souborových systémů Souborový systém v informatice označuje určitou formu organizace souborů a adresářů na daném paměťovém médiu. Jeho hlavním cílem je umožnit uživateli přístup k jednotlivým datům (souborům, adresářům) na médiu. Udržuje určitou hierarchickou strukturu těchto souborů, dále umožňuje ukládání a čtení souborů, poskytuje systém pro jejich pojmenování, minimalizuje riziko ztráty nebo poškození dat, udržuje informace o sdílení souborů a jejich přístupových právech atd. Mezi nejvýznamnější typy souborových systémů, které využívají optická paměťová média, patří systémy: High Sierra ISO 9660 Joliet Romeo El Torito Hierarchical File System Rock Ridge Interchange Protocol Universal Disc Format Mount Rainier 7.2 High Sierra V roce 1985 se představitelé dvanácti významných počítačových firem sešli v hotelu High Sierra v americkém státu Nevada za účelem vytvoření takového formátu, který by umožňoval, aby všechna média (podle něj vytvořená) byla čitelná ve všech běžných CD-ROM mechanikách a aby umožňovala co nejlepší přenositelnost mezi jednotlivými typy operačních systémů. Tento formát byl nazván High Sierra Format (HSF). Úvodní stopa média CD-ROM (které využívá formát High Sierra) obsahuje informace o tom, o jaký typ média se jedná. Na základě těchto informací se poté synchronizuje mechanika a médium (tato oblast se označuje jako synchronizační a identifikační). Za touto oblastí se nachází tzv. systémová oblast, která je tvořená daty popisujícími strukturu média CD-ROM a také tabulkou obsahu svazku. Tato tabulka obsahu svazku je tvořená ukazateli na jednotlivé datové položky uložené na médiu (soubory, adresáře) [7]. Formát High Sierra se dnes již nepoužívá. 26