Hlavní navigace

Vývoj optických pamětí: od DVD k Blu-ray

11. 9. 2008
Doba čtení: 14 minut

Sdílet

V dnešní části seriálu o architekturách počítačů dokončíme problematiku „rotujících“ optických pamětí. Popíšeme si technologie zapisovatelných a přepisovatelných DVD: DVD-R, DVD-RW, plusové i mínusové varianty a DVD-RAM. Poté se pustíme do moderního nástupce DVD - optických médií typu Blu-ray.

Obsah

1. Vývoj optických pamětí: od DVD k Blu-ray
2. DVD-R
3. DVD-RW
4. DVD+RW a DVD+R
5. DVD-RAM
6. Blu-ray
7. Odkazy na Internetu
8. Obsah následující části seriálu

1. Vývoj optických pamětí: od DVD k Blu-ray

Podobný vývoj, jaký zažily kompaktní disky, se nevyhnul ani DVD. Původní lisovaná DVD byla doplněna dalšími typy optických médií, které umožňují data buď zapsat pouze jedenkrát, nebo je dokonce přepisovat. Na rozdíl od kompaktních disků, kde byl prakticky veškerý vývoj veden firmami Sony a Philips, byl však vývoj DVD více chaotický, určovaný mnoha vzájemně si konkurujícími subjekty. Výsledkem je vznik několika navzájem ne zcela slučitelných technologií, kterými se budeme v dalším textu zabírat.

pc2801

Obrázek 1: Různé typy optických a magnetooptických médií (vlevo dole se navíc skrývá i pevný disk)

2. DVD-R

První vážnější krok k širšímu rozšíření zapisovatelných optických médií kompatibilních s DVD přehrávači a disponujících vyšší kapacitou než měl v té době již zcela běžný kompaktní disk, udělala firma Pioneer v roce 1997. Jednalo se o paměťové optické médium DVD-R, které mělo ve své první verzi kapacitu 3,95 GB, ve verzi druhé (dodnes využívané) pak dokonce 4,71 GB, což je kapacita jedné vrstvy „lisovaného“ DVD. Kromě toho tato technologie umožňuje použití oboustranných médií, kapacita jedné strany disku v tomto případě dosahuje v první verzi 7,9 resp. ve druhé verzi 9,4 GB. Později, konkrétně v roce 2005, byla opět firmou Pioneer vyvinuta technologie záznamu do dvou vrstev zapisovaných a čtených z jedné strany disku – Dual Layer recording, tato média bývají označována zkratkou DL. Kapacita jedné strany disku dosahuje při aplikaci této technologie 8,54 GB, což je méně než teoretických 9,42 GB (2×4,71 GB), jelikož pity v horní vrstvě musí být nepatrně delší, aby při čtení nedocházelo k interferencím mezi daty zapsanými nad sebou v obou datových vrstvách.

pc2802

Obrázek 2: Optické jednostranné jednovrstvé médium DVD-R s kapacitou 4,7 GB

Na výrobu samotného paměťového média byl využit podobný materiál jako u CD-R (ostatně firma Pioneer měla v této oblasti dlouholeté zkušenosti), jediný rozdíl spočívá ve využití odlišné vlnové délky laserového světla při čtení a zápisu, což zapříčinilo použití nepatrně odlišných organických barviv datové vrstvy. Pravděpodobně největší předností DVD-R je zpětná kompatibilita s lisovanými a vypalovanými kompaktními disky i lisovanými DVD. Optická média DVD-R bylo možné přehrát i v optických mechanikách a přehrávačích, které byly určeny pro DVD a vyrobeny v době, kdy žádná technologie zapisovatelných DVD ani neexistovala, což je docela podstatný rozdíl například v porovnání s jinak velmi vyspělou technologií DVD-RAM. Na DVD-R je již při výrobě vytvořena spirálová stopa opatřená takzvanými pre-pity, které slouží k navádění laserového paprsku při zápisu dat. Jedná se o nepatrně horší způsob vedení hlavy, než je použit u DVD+R, což může vést k nepravidelnému zápisu, především při vyšších zápisových rychlostech.

pc2803

Obrázek 3: Pity na lisovaném DVD po zvětšení elektronovým mikroskopem

Již od roku 2001 existovaly optické mechaniky, které dokázaly korektně pracovat jak s kompaktními disky, tak i s lisovanými DVD a vypalovanými DVD-R. Tyto první generace „kombo“ mechanik však mívaly problémy se čtením dat z některých disků, jejichž reflexní vrstva měla menší odrazivost, protože rozsah AGC (Automatic Gain Control), tj. obvodů řídicích výkon laserového paprsku v závislosti na vlastnostech optického média, ještě nebyl dostatečný. Dnes lze média DVD-R, především jednovrstvá, přečíst ve většině DVD přehrávačů a i podpora dvouvrstvých médií se vylepšuje, což možná dělá vrásky distributorům filmů – lisovaná oboustranná DVD totiž byla až do relativně nedávné doby v praxi těžko kopírovatelná.

pc2804

Obrázek 4: Pohled na spodní stranu optického média DVD-R

3. DVD-RW

Technologii DVD-RW vytvořila v roce 1999 opět firma Pioneer, tentokrát však v menším konsorciu s dalšími výrobci. Podobně jako u přepisovatelných kompaktních disků CD-RW popsaných v předminulé části tohoto seriálu, je i u DVD-RW použit zápis dat, jehož princip je založen na změně fáze materiálu datové vrstvy (phase change recording). Jako materiál pro datovou vrstvu bývá použita sloučenina s nevyslovitelným jménem GeSbTe. Tato optická média je možné přepsat přibližně tisíckrát, aniž by došlo k podstatnému zvýšení chybovosti záznamu nad mez, kdy by již nebylo možné použít samoopravné kódy (podobný počet přepisů je ostatně deklarován i u přepisova­telných optických médií CD-RW). Při každém zápisu dat (přesněji řečeno před smazáním dat a zápisem nových informací) totiž dochází ke kumulujícím se degradacím datové vrstvy, především vlivem skokové změny teploty a následným pnutím ve vrstvě, vznikem mikrotrhlinek atd.

pc2805

Obrázek 5: Optické jednostranné jednovrstvé médium DVD-RW s kapacitou 4,7 GB

Už při výrobě optického média DVD-RW je datová vrstva opatřena vylisovanou spirálovou stopou s adresními pity vytvořenými v mezerách mezi jednotlivými částmi záznamu. Způsob vlastního přepisu informací na médiu je různý – buď je použit kontinuální přepis větší části disku nebo lze simulovat i paketový zápis po jednotlivých blocích nebo skupinách ze sebou jdoucích bloků. Nejedná se však o skutečný zápis na náhodná místa, ten je umožněn až u médií DVD-RAM, které se uspořádáním stop více přibližují spíše magnetooptickým médiím a pevným diskům, než ostatním typům kompaktních disků či DVD. Kapacita jedné vrstvy DVD-RW dosahuje 4,7 GB, tj. je přibližně stejná jako u „lisovaného“ DVDDVD-R. Ani s těmito optickými médii nebývají vážnější problémy, jsou dnes čitelné ve většině DVD přehrávačů (některé zdroje uvádějí cca 75 procentní úspěšnost čtení v běžných DVD přehrávačích, další zdroje hovoří dokonce až o 90 procentech).

pc2806

Obrázek 6: Jeden z prvních přehrávačů firmy Toshiba, který dokázal přečíst DVD, DVD-R i DVD-RW

4. DVD+RW a DVD+R

Technologii zapisovatelných DVD disků označovaných jako DVD+R a přepisovatelných disků DVD+RW (všimněte si, že se v názvu vyskytuje znak plus namísto pomlčky, ze které se stal minus) si popíšeme v jedné kapitole. Chronologie jejich vzniku je totiž opačná, než bychom po přečtení posledních třech dílů tohoto seriálu očekávali. Zatímco u ostatních technologií optických pamětí bylo nejdříve vyvinuto technologicky nejméně náročné „lisované“ médium, potom médium, na které je možné informace zapsat pouze jedenkrát (WORM – Write Once, Read Many) a teprve na samotném konci vývoje stojí přepisovatelná média, většinou založená na změně fáze materiálu datové vrstvy, byl vývoj technologie DVD s plusem v názvu přesně opačný. Nejdříve totiž bylo vyvinuto přepisovatelné médium DVD+RW, posléze pak DVD+R. Za vývojem této technologie stojí poměrně rozsáhlé konsorcium firem Sony, Philips, Hewlett-Packard, Ricoh, Yamaha a Mitsubishi (DVD+RW Alliance).

pc2807

Obrázek 7: Struktura DVD+R s vylisovanou stopou a datovou vrstvou

V roce 1998 byla vytvořena první verze DVD+RW, avšak ta byla zahozena a v roce 2001 nahrazena verzí používanou dodnes. Teprve letos však bylo DVD+RW schváleno i „konkurenčním“ DVD Forem. Mnoho uživatelů si při pohledu na zmatky okolo „plusů“ a „minusů“, ke kterým se navíc přidává principielně zcela odlišný DVD-RAM, klade logickou otázku, proč vlastně musela vzniknout další technologie zapisovatelných a přepisovatelných DVD, která z jejich pohledu pouze vede k pochybením při výběru přehrávačů, vypalovaček, nákupu vlastních médií a také při distribuci vypálených médií. Skutečnost je totiž taková, že DVD+R(W) mají sice nepatrně větší odolnost proti chybám při zápisu, lépe pracují s méně kvalitními médii a současně také mají menší kapacitu (o cca 3000 dvoukilo­bytových sektorů, což je s ohledem na celkovou kapacitu médií naprosto minimální rozdíl), ovšem tyto technické detaily ke vzniku nového typu médií v žádném případě nevedly.

pc2808

Obrázek 8: Optické jednostranné jednovrstvé médium DVD+RW s kapacitou 4,7 GB

Hlavní důvod tkví v tom, že původní licence na DVD-R a DVD-RW byly pro výrobce přehrávačů a mechanik poměrně nákladné, nehledě na to, že se muselo platit přímým konkurentům (taková platba je vlastně dvojnásobná). Právě z tohoto důvodu vznikla DVD+RW Alliance výše zmíněných firem, které vytvořily konkurenční technologii k DVD-R a DVD-RW.

pc2809

Obrázek 9: Toto DVD „dvojče“ dokáže vytvářet kopie 1:1 ve formátech DVD-R(W) i DVD+R(W)

Tato technologie se i přes pozdější nástup na trh prosadila (mj. i díky paketovému zápisu dat), proto jsou dodnes používány všechny čtyři typy zapisovatelných a přepisovatelných optických médií (navíc ještě DVD-RAM), kupodivu ani nedošlo k tomu, že by jeden typ médií výrazně převažoval nad dalšími typy. Uživatelům tedy nezbývá nic jiného než pečlivě zkoumat, jaké přehrávače, optické mechaniky a média si mají koupit. Moderní zařízení jsou sice konstruována tak, aby pracovala se všemi prozatím vyjmenovanými typy médií, ovšem některé levnější a starší DVD přehrávače (uvádí se okolo 20 až 30 procent) mohou mít problémy s DVD+R a DVD+RW, o DVD-RAM ani nemluvě.

pc2810

Obrázek 10: Optické (opět) jednostranné jednovrstvé médium, tentokrát však DVD+R s kapacitou 4,7 GB

5. DVD-RAM

Zatímco výše popsané čtyři formáty zapisovatelných a přepisovatelných DVD ideově vychází z principů zavedených již u prvních lisovaných kompaktních disků (jediná spirálová stopa v každé vrstvě, jenž začíná u středu disku a končí na jeho okraji), jsou média DVD-RAM svým formátem zápisu (nikoli však technologií) podobná spíše magnetooptickým diskům, které jsme si v tomto seriálu již popsali (viz odkazy na další díly zobrazené níže). Namísto jedné stopy ve tvaru spirály je u DVD-RAM použit systém kruhových stop rozdělených na sektory, přičemž vždy několik desítek stop umístěných vedle sebe má stejné množství sektorů. Právě díky tomu jsou sektory na povrchu disku viditelné, jejich začátky jsou totiž na disk vylisovány při jeho výrobě. Řízení hlavy s laserem při čtení a zápisu je prováděno přímo ve firmware optické mechaniky, což mj. znamená, že se DVD-RAM uživateli jeví jako další pevný disk či disketa, ze které může data číst či na ni zapisovat (přesněji řečeno, součinnost mechaniky s operačním systémem je samozřejmě nutná, ovšem uživateli se vše její transparentně, žádný vypalovací program nepotřebuje, jen některé velmi staré či zastaralé operační systémy vyžadují driver, popř. pomocný program, aby dokázaly pracovat se souborovým formátem UDF, který je vhodný pro DVD-RAM).

pc2811

Obrázek 11: Na povrchu DVD-RAM jsou viditelné začátky sektorů umístěných v soustředných stopách

Vzhledem k tomu, že DVD-RAM má mnohem lépe vyřešenou detekci a korekci chyb, umožňuje provést mnohem více přepisů než ostatní dvě technologie (sto tisíc přepisů versus jeden tisíc) a podle všeho má i dlouhou životnost záznamu (udává se hodnota přes 30 let), je velmi populární v oblasti počítačů, především při zálohování dat. Ta totiž bývají mnohem důležitější a v důsledku i dražší než multimédia, pro nějž se většinou používá některá z ostatních čtyř technologií, jejichž média jsou levnější. Ovšem i mnohé kamery DVD-RAM používají, především kvůli tomu, že editace záznamu je s touto technologií velmi jednoduchá. Také kapacita médií je vyšší, například oboustranná optická média DVD-RAM ve verzi 2.0 mají kapacitu 9,4 GB oproti 8,5 GB u dvouvrstvých DVD-RW či DVD+RW médií. Původně se DVD-RAM dodávaly v kazetě (cartridge), dnes se můžeme běžně setkat i se samostatnými médii, což se samozřejmě promítlo na nižší ceně.

pc2812

Obrázek 12: Útroby přehrávače všech typů DVD

6. Blu-ray

Už při popisu rozdílů mezi kompaktním diskem a DVD jsme si řekli, že nejdůležitější faktor, který přispěl k tomu, že DVD má mnohem větší kapacitu než CD, je kratší vlnová délka použitého laseru emitovaného laserovou diodou. Zatímco u kompaktních disků se používá vlnová délka 780 nanometrů, je u DVD použito světlo z červené oblasti viditelného spektra, konkrétně 650 nanometrů (některá chráněná DVD navíc mohou obsahovat oblasti čtené laserem o vlnové délce 635 nanometrů, to však není běžný případ). Kratší vlnová délka, tj. vyšší frekvence laserového světla, dovoluje použití menších pitů i zúžení a přiblížení datové stopy a tím pádem i zvýšení informační kapacity. U kompaktního disku je podélná šířka pitu rovna 2,11 mikrometrům, u DVD pouze 1,32 mikrometrů. Vědci i technici tuto závislost samozřejmě znali, takže jim bylo jasné, že optická paměťová média s vyšší kapacitou musí používat laserové diody, jejichž světlo se ve spektru posune směrem k vyšším frekvencím (od červené směrem k fialové barvě a možná až do oblasti ultrafialové).

pc2813

Obrázek 13: Rozdíl velikostí pitů a vzdáleností stop všech třech popisovaných technologií optických médií

Po několik dlouhých let však zůstával nevyřešený jeden dosti zásadní problém – nebyla k dispozici vhodná technologie pro výrobu prakticky použitelných laserových diod s potřebnou vlnovou délkou vyzařovaného světla (naproti tomu s detektory odraženého laserového paprsku takový problém nebyl). Až Shuji Nakamura vynalezl první prakticky použitelné laserové diody se světlem v modré oblasti spektra a po několika letech, ve kterých se řešily (jak to již začíná být pravidlem) spory okolo patentů, bylo možné tyto diody použít i v nových typech optických pamětí (tentýž člověk se podílel i na vzniku bíle svítících LED, které se dnes používají například v některých úsporných „žárovkách“).

pc2814

Obrázek 14: U CD, DVD a Blu-ray jsou použity různé typy laserů, které se současně ostří na odlišnou vzdálenost

Adeptů na nový standard optických paměťových médií bylo více. Nám již známé a úspěšné duo Philips a Sony do svého týmu přibralo i pracovníky z Pioneeru a takto vzniklé konsorcium pracovalo dokonce na dvou projektech – UDO (Ultra Density Optical) a DVR Blue (právě tento projekt vyústil k dnešnímu Blu-ray). Naproti tomu Toshiba s firmou NEC navrhla standard Advanced Optical Disc, který byl později přejmenován na HD DVD. Obávaná válka formátů, která dosti podstatným způsobem ovlivnila vývoj DVD, však po několika letech skončila, protože HD DVD již není aktivně vyvíjeno.

pc2815

Obrázek 15: HD DVD, tj. asi nejvážnější konkurence Blu-ray, taktéž umožňovala na jednom disku současně použít jak DVD-kompatibilní záznam, tak i záznam s vysokou hustotou

Zbývá tedy Blu-ray, optické paměťové médium, které má pro disky o průměru 12 cm kapacitu jedné vrstvy celých 25 GB, ve dvouvrstvé technologii pak lze dosáhnout až 50 GB. V Blu-ray se používá laserové světlo s vlnovou délkou 405 nm, což umožnilo zmenšit šířku stopy i délku jednotlivých pitů. Současně se musela zmenšit tloušťka polykarbonátového disku na čtecí straně, aby nedocházelo k nežádoucí disperzi úzkého laserového paprsku, což má ovšem za následek menší odolnost vůči škrábancům (nejvíce odolné jsou z tohoto pohledu kompaktní disky, protože u nich je stopa paprsku na povrchu disku největší). Díky tomu, že je datová vrstva Blu-ray blízko k povrchu, je možné kombinovat Blu-ray se záznamem kompatibilním s DVD. Také se zvýšila rychlost přenosu dat; v případě jednorychlostní mechaniky se jedná o datový tok 36 Mbitů za sekundu, u mechaniky dvanáctirychlostní (to je v současnosti nejvyšší komerčně dostupná rychlost) až o 432 Mbitů za sekundu. Jak velká kapacita optického paměťového média, tak i vysoká přenosová rychlost je uzpůsobena pro přehrávání filmů (videa) v rozlišeních HDTV (z tohoto důvodu se přehrávače Blu-ray většinou připojují k HDTV, protože na klasických televizích s obrazovkami uzpůsobenými pro normy PAL a NTSC není přednost vyššího rozlišení využita. Pro HDTV rozlišení se používá buď kodek MPEG-2 (stejně jako u DVD) nebo novější H.264.

Blu-raye je také použit nový způsob šifrování dat pro účely DRM (Digital rights management), tato velmi komplexní a také diskutabilní problematika však bude probrána v některé z navazujících částí tohoto seriálu.

7. Odkazy na Internetu

  1. What's on a DVD?
    http://www.do­om9.org/index­.html?/dvd-structure.htm
  2. What is DVD?:
    http://www.vi­deohelp.com/dvd
  3. What's the difference between + (plus), – (minus) and DVD-RAM format media?:
    http://svp.co­.uk/helpdesk/in­dex.php?_m=know­ledgebase&_a=vi­ewarticle&kbar­ticleid=69
  4. Content Scramble System:
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/Con­tent_Scramble_Sys­tem
  5. Disc Technology (Fresh Spin Disc Technologies):
    http://www.fresh-spin.com/fsDis­cTechnology.htm
  6. HD DVD and DVD Layers On A Single Disc:
    http://www.avi­ransplace.com/2004/12­/08/hd-dvd-and-dvd-layers-on-a-single-disc/l
  7. How DVD increased density over CD ROM:
    http://www.mpeg­.org/MPEG/DVD/G­eneral/Gain.html
  8. How To Choose CD/DVD Archival Media:
    http://adterras­peraspera.com/blog/20­06/10/30/how-to-choose-cddvd-archival-media
  9. DeCSS:
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/DeC­SS
  10. Jon Lech Johansen:
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/Jon_Lech_­Johansen
  11. Wikipedia EN: DVD
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/DVD
  12. Wikipedia CZ: DVD
    http://cs.wiki­pedia.org/wiki/DVD
  13. Wikipedia EN: DVD-R:
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/DVD-R
  14. Wikipedia EN: DVD-RW:
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/DVD-RW
  15. Wikipedia EN: DVD+R:
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/DVD%2BR
  16. Wikipedia EN: DVD+RW:
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/DVD%2BRW
  17. Wikipedia EN: DVD-RAM:
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/DVD-RAM
  18. History of optical storage media:
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/His­tory_of_optical_sto­rage_media
  19. History of DVD technology:
    http://www.ce­.org/Press/CE­A_Pubs/929.asp
  20. DVD Frequently Asked Questions:
    http://www.dvdde­mystified.com/dvdfaq­.html
  21. DVD Copy Control Association and the Content Scramble System (CSS):
    http://www.dvdcca­.org/
  22. Lorenc P., Matulík R.: Optické paměti 1,
    ComArr, IDG
  23. Risks Associated with the Use of Recordable CDs and DVDs as Reliable Storage Media in Archival Collections – Strategies and Alternatives:
    http://portal­.unesco.org/ci/en/ev­.php-URL_ID=22734&UR­L_DO=DO_TOPIC&UR­L_SECTION=201­.html
  24. CD-R Media Survey, Jerome L. Hartke, Media Sciences, Inc.:
    http://www.msci­ence.com/surve­y.html
  25. Why CD-Rs Fail, Jerome L. Hartke, Media Sciences, Inc.:
    http://www.msci­ence.com/cdrfa­il.html
  26. Why DVD+R(W) is superior to DVD-R(W):
    http://www.cdfre­aks.com/review­s/Why-DVDRW-is-superior-to-DVD-RW
  27. Do Burned CDs Have a Short Life Span?:
    http://www.pcwor­ld.com/article/124312/d­o_burned_cds_ha­ve_a_short_li­fe_span.html
  28. CD-R/DVD-R reliability:
    http://www.rou­mazeilles.net/new­s/en/wordpres­s/2007/01/04/cd-rdvd-r-reliability/
  29. Frequently Asked Questions, Interchangeable Media for Computer Mass Storage:
    http://www.msci­ence.com/faq.html

root_podpora

8. Obsah následující části seriálu

V navazující části seriálu o architekturách počítačů se již budeme věnovat zcela odlišným typům pamětí, konkrétně Flash pamětem (technologie NAND), které jsou stále více populární, ať již ve formě „USB klíčenek“ nebo ve formě paměťových karet různých typů používaných například v kamerách a digitálních fotoaparátech. Samozřejmě nezapomeneme ani na SSD (Solid State Disc) a hybridní disky, včetně úvahy nad praktickými důsledky maximálního počtu zápisů do jednotlivých paměťových buněk (tyto úvahy nabraly na intenzitě především s nástupem miniaturních notebooků, z nichž některé obsahují místo klasických pevných disků právě SSD).

pc2816

Obrázek 16: Ceny Flash pamětí (zde označovány zkratkou NAND), jak naznačuje tento graf, neustále klesají, což je jistě příjemné. Zajímavá je především vertikální osa grafu – má nelineární měřítko.

Byl pro vás článek přínosný?

Autor článku

Vystudoval VUT FIT a v současné době pracuje na projektech vytvářených v jazycích Python a Go.