Následovníci lisovaných kompaktních disků

Obsah

1. Následovníci lisovaných kompaktních disků
2. Zapisovatelné kompaktní disky (CD-R)
3. Přepisovatelné kompaktní disky (CD-RW)
4. Životnost zapisovatelných a přepisovatelných kompaktních disků
5. Literatura a odkazy na Internetu
6. Obsah následující části seriálu

1. Následovníci lisovaných kompaktních disků

Klasické lisované kompaktní disky popsané v předchozí části tohoto seriálu, tj. CD-DA (Digital Audio), CD-I (CD Interactive) i CD-ROM, jsou vhodné především pro jednosměrnou (směrem distributor → zákazník) distribuci hudby, videa, aplikací i dalších dat, protože jejich výroba je při větších počtech kusů velmi levná, samotná média mají relativně vysokou spolehlivost i životnost a kompatibilita vylisovaných médií i přehrávačů je zajištěna všeobecně dodržovanými standardy (Red Book, Yellow Book) a normami, především ISO 9660 („Volume and file structure of CD-ROM for information interchange“). Není tedy divu, že se kompaktní disk prosadil jak na poli hudby, tak i v oblasti distribuce aplikací a dat.

Z hlediska distributorů hudby bylo CD-DA jasným nástupcem gramofonových desek i kompaktních kazet; podobně jako pro výrobce softwaru CD-ROM postupně nahradil nekonečné sloupy disket (instalace MS Windows 3.11 for Workgroups, MS Wordu 6.0 nebo AutoCADu 14 z disket byla opravdovou lahůdkou, zvláště pokud se stejná procedura měla opakovat na více počítačích). Ovšem samotní uživatelé, včetně malých i velkých firem, měli kromě pasivního přijímání hudby či dat i oprávněné požadavky na vlastní výrobu kompaktních disků – ať už pro účely přenosu nebo zálohování. Původní systém CD-DA a CD-ROM tyto požadavky samozřejmě nesplňoval, protože výroba raznic vyžaduje složité a drahé zařízení a také se nejedná o činnost, kterou by bylo možné dělat pravidelně každý den (zálohování). Výsledkem snah o vytvoření přepisovatelných optických disků je CD-R a CD-RW.

Původní standard CD-DA popsaný v Red Booku hovořil o možnosti uložení maximálně 74 minut hudby při použití digitálního stereo záznamu se vzorkovací frekvencí 44100 Hz a šestnácti bity na každý vzorek (sampl). Tento standard byl v relativně nezměněné podobě převzatý do ISO-9660 pro účely datových disků, neboli CD-ROM. Výsledkem je disk s maximální kapacitou cca 650 MB. Pro účely zálohování objemných dat či pro záznam videa (průměrně dlouhého filmu) v dostatečné kvalitě je to však nedostatečná kapacita. Z tohoto důvodu výrobci (resp. konsorcia výrobců a producentů) pracovali na zdokonalení kompaktních disků tak, aby se jejich kapacita několikanásobně zvýšila při zachování všech výhod původních CD. Výsledkem těchto snah, které ovšem ne vždy respektovaly skutečné potřeby uživatelů, je DVD, Blu-ray a již pravděpodobně mrtvý HD-DVD.

Obrázek 1: Pro připomenutí – příčný řez lisovaným kompaktním diskem

2. Zapisovatelné kompaktní disky (CD-R)

Firmy Sony a Philips (což jsou, jak již víme z předchozí části tohoto seriálu, firmy, které navrhly i původní „lisovaný“ kompaktní disk) v roce 1988 vytvořily specifikaci zapisovatelných kompaktních disků, označovaných původně zkratkou CD-WO (CD Write-Once). Později byla tato zkratka nahrazena kratší verzí CD-R (CD-Recordable), která se používá dodnes. Jedná se o optické disky typu WORM, neboli Write Once, Read Many, které uživateli umožňují informace na disk zapsat pouze jedenkrát, přepis jednou zapsané informace není umožněn. Počet čtení jednou zapsaných informací je omezen pouze životností záznamu i vlastního paměťového média. Podle původní specifikace firem Sony a Philips je možné CD-R použít jak pro zvuková data (podle normy CD-DA), tak i pro uložení programů a dalších digitálních dat (podle normy CD-ROM).

Kvůli zpětné kompatibilitě s CD-DA i CD-ROM má paměťové médium CD-R stejné základní rozměry (průměr 12 cm, někdy 8 cm, formát vizitky), vzdálenost datové vrstvy od povrchu disku (1,2 mm), formát záznamu, strukturu dat i způsob kódování. I maximální kapacita je shodná s CD-DA (maximálně 74 minut hudby) a CD-ROM (650 MB dat), i když se dnes používají média s vyšší deklarovanou kapacitou, která byla dosažena buď využitím rezervovaných částí datové stopy (80 minut resp. kapacita 700 MB) nebo ignorováním specifikace Yellow Booku (média s maximální délkou záznamu 90 minut/790 MB nebo 99 minut/870 MB). U těchto médií se v rozporu se specifikací zmenšuje vzdálenost mezi jednotlivými stopami a také se zkracuje část stopy rezervovaná pro vypálení jednoho bitu. Tyto disky nemusí být čitelné ve všech přehrávačích a mechanikách CD-ROM.

Čistý disk CD-R má ve své datové vrstvě předdefinovánu spirálovou stopu, kterou zapisovací hlava s laserem sleduje. Tato předdefinovaná stopa obsahuje značky ATIP, neboli Absolute Time in Pregroove (pregroove je ona předdefinovaná stopa), které slouží k přesnému zaměření hlavy s laserem nad stopu i k synchronizaci zápisu dat konstantní rychlostí. Kromě toho jsou ve značkách uloženy i další informace, například o výrobci optického média, kapacitě disku, požadovaných parametrech zápisu (výkon laseru) apod. Vzhledem k tomu, že značky ATIP nejsou při zápisu dat zničeny, lze je použít k detekci, zda se jedná o originální disk (CD-DA, CD-ROM) či kopii (CD-R). Předdefinovaná stopa je vytvořena na spodní straně polykarbonátového disku, tj. na stejném místě, kde jsou u lisovaného kompaktního disku umístěny pity se zaznamenanou informací. Na této straně polykarbonátového disku je taktéž nanesena velmi slabá vrstva organického barviva, do níž jsou informace zapisovány.

Vrstva organického barviva je pro laserový paprsek částečně průsvitná (především v těch místech, kde nejsou „vypáleny“ pity), proto je na ní nanesena tenká reflexní vrstva vytvořená buď ze stříbra, slitiny stříbra s jiným kovem (indium apod.) či ze zlata. Před poškrábáním chrání tuto kovovou vrstvu lak vytvrzený ultrafialovým zářením (i když už jsem viděl i optická média, ze kterých se dala kovová vrstva jednoduše, i nechtěně, sloupnout, ale není se čemu divit, když měl výrobce ve svém názvu slovo „gramofon“).

Samotný zápis dat probíhá tím způsobem, že hlava s laserovou diodou zapnutou na nízký výkon sleduje předdefinovanou spirálovou stopu, optické médium přitom většinou mění své otáčky tak, aby byla zajištěna konstantní rychlost zápisu (přesné časování i navádění hlavy zajišťují značky ATIP spolu s elektronikou ve vypalovací mechanice). V místech, kde by na lisovaném kompaktním disku měl být vytvořen pit, je intenzita laserového paprsku zaostřenému na datovou vrstvu zvýšena, takže dojde ke vzrůstu teploty na vrstvě organického barviva. Teplota (určená výkonem laseru a zápisovou rychlostí) je zvolena tak, aby došlo k trvalé modifikaci optických vlastností organického barviva – dojde ke změně odrazivosti (nikoli tedy ke skutečnému vypálení otvoru, jak by se ze slovesa „vypalovat“ mohlo zdát).

Čtení dat je prováděno stejným způsobem jako v případě lisovaného kompaktního disku – hlava s laserem nastaveným na nízký výkon (který optické vlastnosti organické vrstvy nemění) sleduje stopu a čte z ní dříve zapsané informace, které jsou vyhodnocovány na základě změny intenzity odraženého laserového paprsku. Změna intenzity přitom znamená zápis logické jedničky, absence změny pak logickou nulu; všechny údaje jsou zapisovány v kódu Eight-To-Fourteen, podobně jako u lisovaného CD (každý byte, tj. osm bitů je rozšířen na čtrnáct bitů s tím, že počet za sebou jdoucích jedniček a nul zajišťuje větší hustotu záznamu i synchronizaci čtených bitů). Zatímco u lisovaného kompaktního disku je intenzita odraženého laserového paprsku určena přítomností nebo naopak nepřítomností pitu (prohlubně), je u CD-R místo prohlubní použita organická vrstva, ve které se na základě zapsaných informací střídají místa s vysokou a nízkou odrazivostí (přesněji řečeno místa, která laserový paprsek propustí až k reflexní vrstvě a místa, kde naopak dojde k jeho většímu utlumení). Avšak u lisovaných CD je rozdíl mezi tmavým a světlým místem větší, než u CD-R, což může některým starším mechanikám vytvořeným pouze pro potřeby CD-DA či CD-ROM způsobovat problémy.

Obrázek 2: Příčný řez optickým médiem CD-R s vyznačením jednotlivých vrstev a způsobem záznamu

3. Přepisovatelné kompaktní disky (CD-RW)

Dalším stadiem vývoje optických pamětí byly přepisovatelné kompaktní disky označované zkratkou CD-RW (CD ReWritable). Princip těchto médií do jisté míry vychází z výše popsaných zapisovatelných kompaktních disků, protože jak zápis, tak i zpětné čtení dat je prováděno pomocí laserového paprsku. Samotný způsob zápisu informace i materiál použitý pro vytvoření datové vrstvy je však odlišný. Datová vrstva je v případě CD-RW vytvořena ze slitiny, která při určité teplotě mění svou původně krystalickou strukturu na strukturu amorfní a při odlišné teplotě naopak krystalizuje. Během zápisu dat jednotlivá místa v datové vrstvě mění svoji strukturu z fáze krystalické na fázi amorfní, přičemž u krystalické fáze slitina odráží více světla, než v případě, že je čtená ploška ve fázi amorfní. Mazání dat, které předchází zápisu, se provádí zpětnou změnou fáze, tj. z původně amorfní fáze do fáze krystalické.

Zápis informací probíhá tak, že se na zapisované místo, které má představovat analogii prohlubně (tj. má laserový paprsek více pohlcovat), zamíří laserový paprsek, který místo zahřeje nad teplotu tání materiálu. V tomto místě dojde ke změně fáze; materiál se stane amorfní, což se projeví na jeho odrazivosti. Při mazání dat se dané místo zahřeje na nižší teplotu, než je bod tání. V tomto případě se fáze změní z amorfní na krystalickou, jelikož krystalická fáze je více stabilní. Dvojici operací mazání dat+zápis dat je možné opakovat cca 1000×, než dojde k degradaci datové vrstvy vlivem neustálého lokálního zahřívání. Poměr mezi výkonem laserového paprsku při zápisu a mazání je zhruba 10:1 v závislosti na konkrétním materiálu použitém při výrobě datové vrstvy.

Data lze na CD-RW zapisovat buď ve formátu specifikovaném v Red booku (CD-DA) nebo ISO-9660 (CD-ROM), ovšem v tomto případě je možné informace zapisovat buď na celý disk současně („Disk at Once“) nebo celou stopu současně („Track at Once“). Tyto způsoby zápisu jsou výhodné pouze v případě, že je disk používán pro jednorázový zápis většího množství dat, jejich přednost spočívá v tom, že se médium chová jako běžný lisovaný kompaktní disk (až na rozdílnou odrazivost vrstev, s tím se však elektronika optických mechanik dnes již bez problémů vyrovná), tj. lze ho použít ve velkém množství zařízení, jenž dokáží zpracovat strukturu zápisu CD-DA nebo CD-ROM. Mnohdy je však zapotřebí CD-RW využít spíš jako velkokapacitní náhradu diskety, tj. zapisovat či mazat jednotlivé soubory, měnit adresářovou strukturu apod. Pro tento účel je možné CD-RW naformátovat tak, aby byl umožněn paketový zápis dat, který se snaží na kompaktním disku simulovat chování diskety či pevného disku.

Obrázek 3: Příčný řez optickým médiem CD-RW s vyznačením jednotlivých vrstev a způsobem záznamu

4. Životnost zapisovatelných a přepisovatelných kompaktních disků

If you want to avoid having to burn new CDs every few years, use magnetic tapes to store all your pictures, videos and songs for a lifetime.
Kurt Gerecke, expert na problematiku záznamových médií, IBM

V případě, že se zapisovatelné a přepisovatelné kompaktní disky nepoužívají pouze pro přenos dat (což je s rozvojem vysokorychlostního Internetu a levných Flash pamětí stále méně časté), ale i pro jejich dlouhodobější zálohu, vyvstává před uživateli těchto médií celkem zajímavá a důležitá otázka – jaká je vlastně životnost zapsaných údajů a odolnost těchto optických médií vůči vnějším vlivům? Lisované optické disky mají životnost poměrně dlouhou (výrobci uváděli minimálně 30 let, což je hodnota získaná testy „rychlého stárnutí“), zejména při použití zlaté či stříbrné reflexní vrstvy. V případě, že je místo těchto materiálů použit hliník, může hrozit jeho oxidace a postupné zhoršení odrazivosti. Oněch udávaných třicet let životnosti média se bude moci dát v praxi velmi brzy ověřit, protože již v roce 1982 byly na trhu dostupné první přehrávače CD-DA a v roce 1985 se objevily (externí) mechaniky CD-ROM.

Ovšem v případě zapisovatelných a možná ještě více přepisovatelných kompaktních disků je situace složitější, protože tato média jsou méně odolná proti vnějším vlivům a i kvalita a způsob zápisu informací do značné míry ovlivňuje jak chybovost, tak i celkovou životnost. Původně se na základě testů rychlého stárnutí předpokládala relativně vysoká životnost média (psalo se i o výše zmíněných třiceti letech, podobně jako u lisovaných médií), ukazuje se však, že se neuvažovaly všechny možné vnější vlivy. Dnes lze při použití průměrně kvalitních médií a dobře provedeném vypalování možné předpokládat životnost záznamu dva až pět roků s tím, že postupnou degradaci optického média je zapotřebí průběžně zkoumat – pouhé přečtení dat z média však o ničem nevypovídá, protože detekční a korekční kódy dokážou opravit i relativně velké množství chyb, takže se disk může zdát v pořádku i za situace, kdy je jeho poměrně velká část nečitelná (existují speciální programy, které optický disk otestují a vypíšou všechny důležité parametry, některé utility tohoto typu se dodávají i k vypalovacím aplikacím). Viz odkazy uvedené v další kapitole.

Při úvahách o dlouhodobější archivaci dat je také dobré brát v potaz budoucí vývoj optických mechanik. Je možná skvělé, že dnes lze pořídit paměťové médium umožňující záznam 90 minut audia, existují i speciální metody zápisu, kdy se překračuje kapacita 1 GB, ale v obou případech se jedná o postupy, které nejsou popsány v žádné specifikaci a kdo ví, zda za pět let bude ještě nějaký výrobce dodávat mechaniku, která tato média přečte (ostatně proč by měl, pravděpodobně se bude jednat o komba Blu-ray+DVD+CD, hlavním tahákem bude Blu-ray, takže 90 minut audia na CD již nikoho neohromí). Teoreticky by problémy mohly nastat i s osmdesáti­minutovými disky, absolutní jistotu v dopředné i zpětné kompatibilitě pak přináší 74 minutové disky a 63 minutové – ty jsou popsány v ISO-9660 popř. Red Booku.

Jaké vlivy vlastně životnost záznamu na CD-R a CD-RW snižují? Z těch na první pohled nenápadných vlivů je to světlo a ultrafialové záření. Média reagují na silnější denní světlo, nejhorší je samozřejmě přímé sluneční záření (obsahuje i ultrafialovou složku). Z tohoto důvodu je vhodné média vždy vracet zpět do obalu (původní „tlustý“ jewel case je nejlepší, má černou spodní část), nenechávat média na stole otočená průhlednou plochou nahoru atd. Ostatně stačí si udělat jednoduchý pokus: koupit nějaké levné médium, část disku zalepit černou páskou a položit (nevypálený) disk na několik týdnů na okenní parapet. Pokud na médium bude svítit slunce, bude již po čtrnácti dnech jasně viditelný rozdíl mezi zakrytou a nezakrytou částí – a když rozdíl zachytí lidské oko, co teprve laser? Ostatně někteří manažeři tuto vlastnost optických médií nepochybně znají a proto IT oddělení (kde se mj. provádí zálohy dat) umisťují do sklepa nebo alespoň do místností bez oken. Pokud je ve vaší firmě IT oddělení v prosluněné místnosti, je potřeba zajistit nápravu – možné řešení je ukázáno například v seriálu IT Crowd :-)

Dále, a to je méně známé, na optická média negativně působí i nepatrně vyšší teplota. Bezpečná teplota se pohybuje okolo 25°C, ovšem v létě může i v běžné místnosti být více než 30°C a ta již životnost snižuje. Pozor se také musí dát na to, že se médium zahřívá v mechanice a to mnohdy i na dost vysokou teplotu. Proto je dobré média s důležitými daty nenechávat v mechanice zbytečně dlouho.

Negativní vliv může mít také vlhkost, která způsobuje oxidaci reflexní vrstvy. Ta by sice neměla být dostupná vnějším vlivům (z jedné strany se nachází 1,2 mm silný polykarbonát, z druhé strany tvrzený lak), ovšem vlhkost může k této vrstvě pronikat z nechráněné boční části (několik takových CD-R mám, jde o běžná média prodávaná před několika lety za 15 korun, tj. lepší průměr). Oxidace má za následek postupnou degradaci záznamu směrem od okraje disku k jeho středu (hliník černá, stříbro šedne). Pokud není médium zcela zaplněné, nemusí se jednat o katastrofu, protože u kompaktního disku datová stopa začíná u středu.

Jaké jsou tedy ideální úložné podmínky pro média, která slouží pro trvalý záznam dat? Teplota spíše nižší, 10 až 15°C, vlhkost vzduchu 20–50%, média umístěná v originálním obalu (jewel case), dále zajistit úložný prostor tak, aby v blízkosti nebyl silný zdroj světla ani sálavé teplo.

Ovšem ani tyto podmínky nezaručí, že záznam bude po mnoha letech čitelný. Záleží také na samotném médiu a způsobu vypalování. Při výrobě médií rozhoduje především materiál reflexní vrstvy (hliník, stříbro, zlato, nejlepší je samozřejmě zlato, s hliníkem se, pokud vím, prakticky nesetkáte), materiál vrstvy s organickým barvivem, způsob výroby polykarbonátového disku (mohou vznikat bublinky a zamlžené plochy) a přesnost výroby (i nepatrně vychýlený středový otvor způsobuje při čtyřicetinásobných otáčkách velké vibrace, které jsou kritické především v době vypalování, kdy musí být laserový paprsek velmi přesně zaměřen na střed stopy).

Původní organické barvivo cyanine (http://en.wi­kipedia.org/wi­ki/Cyanine), které bylo vyrobeno firmou Taiyo Yuden, mělo problémy s chemickou stabilitou, proto bylo později nahrazeno jinými sloučeninami. Dnes se používá phthalocyanine, který je velmi stabilní, vydrží i poměrně vysoké teploty a míru vlhkosti http://en.wiki­pedia.org/wiki/Phtha­locyanine; ideální je jeho kombinace se zlatem či stříbrem použitým na reflexní vrstvu. Jedinou nevýhodou tohoto barviva je jeho vyšší citlivost na přesné určení výkonu laserového paprsku během zápisu dat – zde se nejvíce projeví volba vhodné rychlosti zápisu a kvalitní firmware vypalovací mechaniky. Více náchylná na vyšší teplotu, sluneční záření a vlhkost je sloučenina cyaninu s kovem, v levných médiích je však stále používána. Dnes se také často používá barvivo AZO, někdy kombinované s kovem, které je stabilnější, především při použití zlaté reflexní vrstvy.

V minulosti bylo relativně snadné rozpoznat jednotlivé typy použitých organických barviv právě podle jejich barvy. Dnes to prakticky není možné (resp. se můžeme velmi snadno splést), protože výrobci mohou barvu ovlivnit přidáním další chemické složky, která však životnost záznamu nijak nezlepší. Která kombinace je ideální? Zde se názory v různých článcích rozchází, zcela jistě se však jedná o zlatou reflexní vrstvu kombinovanou pravděpodobně s organickým barvivem phthalocyanine a kvalitně provedenou zadní vrstvou s tvrzeným lakem (viz výše zmíněné médium, ze kterého se reflexní vrstva sloupávala). To vše musí být podpořeno dobře zvoleným postupem vypalování – ideální jsou menší rychlosti vypalování, protože pak nedochází k nežádoucímu jitteringu a nemusí se používat příliš silný výkon laserového paprsku (čím vyšší je rychlost vypalování, tím silnější výkon musí laser použít, závislost však není lineární). Vypalovací mechanika by také měla obsahovat nový firmware, který bude daná média správně zpracovávat.

Obrázek 4: Tento kompaktní zapisovatelný disk má údajnou životnost 300 let – nejedná se však o pětikorunové médium ze supermarketu

5. Literatura a odkazy na Internetu

1. Lorenc P., Matulík R.: Optické paměti 1,
   ComArr, IDG
2. 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
3. CD-R Media Survey, Jerome L. Hartke, Media Sciences, Inc.:
   http://www.msci­ence.com/surve­y.html
4. Why CD-Rs Fail, Jerome L. Hartke, Media Sciences, Inc.:
   http://www.msci­ence.com/cdrfa­il.html
5. Do Burned CDs Have a Short Life Span?:
   http://www.pcwor­ld.com/article/124312/d­o_burned_cds_ha­ve_a_short_li­fe_span.html
6. CD-R/DVD-R reliability:
   http://www.rou­mazeilles.net/new­s/en/wordpres­s/2007/01/04/cd-rdvd-r-reliability/
7. Frequently Asked Questions, Interchangeable Media for Computer Mass Storage:
   http://www.msci­ence.com/faq.html#CD

6. Obsah následující části seriálu

V následující části seriálu o architekturách počítačů budou popsána lisovaná, zapisovatelná i přepisovatelná optická média DVD včetně standardů, pseudostandardů a uměle zavedených omezeních, které se při poměrně bouřlivém vývoji DVD vytvořily. Kromě toho si řekneme základní informace i o třetí generaci optických pamětí, tj. aktivně prosazovaném Blu-ray a pravděpodobně již definitivně opuštěném HD-DVD.