Компакт диск

Компакт-диск — оптический носитель информации в виде пластикового диска с отверстием в центре, процесс записи/считывания информация на/c который осуществляется при помощи лазера. Дальнейшим развитием CD-дисков стали DVD-диски.

Изначально компакт-диск был создан для хранения аудиозаписей в цифровом виде (известен как CD-Audio), однако в дальнейшем стал широко использоваться как носитель для хранения любых данных (файлов) в двоичном виде (т. н. CD-ROM (англ. Compact Disc Read Only Memory, компакт-диск только с возможностью чтения), или КД-ПЗУ — «Компакт-диск, постоянное запоминающее устройство»). В дальнейшем появились компакт-диски не только с возможностью чтения однократно занесённой на них информации, но и с возможностью их записи и перезаписи (CD-R, CD-RW).

Формат файлов на CD-ROM отличается от формата записи аудио компакт-дисков, и потому обычный проигрыватель аудио компакт-дисков не может воспроизвести хранимую на них информацию, для этого требуется специальный привод (устройство) для чтения таких дисков (сейчас имеются практически в каждом компьютере).

История создания
Компакт-диск был разработан в 1979 году компаниями Philips и Sony. На Philips разработали общий процесс производства, основываясь на своей более ранней технологии лазерных дисков. Sony, в свою очередь, использовала собственный метод кодирования сигнала PCM — Pulse Code Modulation, использовавшийся ранее в цифровых профессиональных магнитофонах. В 1982 году началось массовое производство компакт-дисков, на заводе в городе Лангенхагене под Ганновером, в Германии. Выпуск первого коммерческого музыкального CD был анонсирован 20 июня 1982 года. История гласит, что на нём был записан альбом «The Visitors» группы ABBA.
Значительный вклад в популяризацию компакт-дисков внесли Microsoft и Apple Computer. Джон Скалли, тогдашний CEO Apple Computer, в 1987 году сказал, что компакт-диски произведут революцию в мире персональных компьютеров.
Компакт-диск (CD-ROM) стал основным носителем для переноса информации между компьютерами (вытеснив с этой роли флоппи-диск). Сейчас он уступает эту роль более перспективным твердотельным носителям.

Геометрия диска
Компакт-диск представляет собой поликарбонатную подложку толщиной 1,2 мм и диаметром 120 мм, покрытую тончайшим слоем металла (алюминий, золото, серебро и др.) и защитным слоем лака, на который обычно наносится графическое представление содержания диска. Принцип считывания через подложку позволяет весьма просто и эффективно осуществить защиту информационной структуры и удалить её от внешней поверхности диска. Диаметр пучка на внешней поверхности диска составляет порядка 0,7 мм, что повышает помехоустойчивость системы к пыли и царапинам. Кроме того, на внешней поверхности имеется кольцевой выступ высотой 0,2 мм, позволяющий диску, положенному на ровную поверхность, не касаться этой поверхности. В центре диска расположено отверстие диаметром 15 мм. Вес диска без коробки составляет ~15,7 г. Вес диска в обычной джуэл-коробке («jewel», не «slim») равен ~74 г.

Информационная структура
Информация на диске записывается в виде спиральной дорожки из питов (англ. pit — углубление), выдавленных в поликарбонатной основе. Каждый пит имеет примерно 100 нм в глубину и 500 нм в ширину. Длина пита варьируется от 850 нм до 3,5 мкм. Промежутки между питами называются лендом (англ. land — пространство, основа). Шаг дорожек в спирали составляет 1,6 мкм.

Различают диски только для чтения («алюминиевые»), CD-R — для однократной записи, CD-RW — для многократной записи. Диски последних двух типов предназначены для записи на специальных пишущих приводах. В некоторых CD-плеерах и музыкальных центрах такие диски могут не воспроизводиться (в последнее время все производители бытовых музыкальных центров и CD-плееров включают в свои устройства поддержку чтения CD-R/RW).

Кодирование информации
На изображении Вы видите CD-ROM под электронным микроскопом.
Формат хранения данных на диске, известный как Red Book («Красная книга»), был разработан компанией Philips. В соответствии с ним на компакт-диск можно записывать звук в два канала с 16-битной импульсно-кодовой модуляцией (PCM) и частотой дискретизации 44,1 кГц. Благодаря коррекции ошибок с помощью кода Рида — Соломона, лёгкие радиальные царапины не влияют на читаемость диска. Philips также владеет всеми правами на знак «Compact disc digital audio», логотип формата аудио компакт-дисков.

Считывание информации
Данные с диска читаются при помощи лазерного луча с длиной волны 780 нм. Принцип считывания информации лазером для всех типов носителей заключается в регистрации изменения интенсивности отражённого света. Лазерный луч фокусируется на информационном слое в пятно диаметром ~1,2 мкм. Если свет сфокусировался между питами (на ленде), то фотодиод регистрирует максимальный сигнал. В случае, если свет попадает на пит, фотодиод регистрирует ме́ньшую интенсивность света. Различие между дисками «только для чтения» и дисками однократной/многократной записи заключается в способе формирования питов. В случае диска «только для чтения» питы представляют собой некую рельефную структуру (фазовую дифракционную решетку), причём оптическая глубина каждого пита чуть меньше четверти длины волны света лазера, что приводит к разнице фаз в половину длины волны между светом, отражённым от пита и светом, отражённым от ленда. В результате в плоскости фотоприёмника наблюдается эффект деструктивной интерференции и регистрируется снижение уровня сигнала. В случае CD-R/RW пит представляет собой область с бо́льшим поглощением света, нежели ленд (амплитудная дифракционная решетка). В результате фотодиод также регистрирует снижение интенсивности отражённого от диска света. Длина пита изменяет как амплитуду, так и длительность регистрируемого сигнала.

Скорость чтения/записи CD указывается кратной 150 Кб/с (то есть 153 600 байт/с). Например, 48-скоростной привод обеспечивает максимальную скорость чтения (или записи) CD, равную 48 × 150 = 7200 Кб/с (7,03 Мб/с).

Защита от копирования
Спецификация компакт-дисков не предусматривает никакого механизма защиты от копирования — диски можно свободно размножать и воспроизводить. Однако начиная с 2002 года, различные западные звукозаписывающие компании начали предпринимать попытки создать компакт-диски, защищённые от копирования. Суть почти всех методов сводится к намеренному внесению ошибок в данные, записываемые на диск, так, чтобы на бытовом CD-плеере или музыкальном центре диск воспроизводился, а на компьютере — нет. В итоге получается игра в кошки-мышки: такие диски читаются далеко не на всех бытовых плеерах, а на некоторых компьютерах — читаются, выходит программное обеспечение, позволяющее копировать даже защищённые диски и т. д. Звукозаписывающая индустрия, однако, не оставляет надежд и продолжает испытывать всё новые и новые методы.

Philips заявила, что на подобные диски, не соответствующие спецификациям «Red book», запрещается наносить знак «Compact disc digital audio».
Для дисков с данными также существуют разнообразные методы защиты от копирования, например технологии StarForce, SecurDisc и др. :подмигивание:

Производство компакт-дисков
Первым этапом производства компакт-дисков является мастеринг — процесс подготовки данных, для запуска в серию.

Второй этап — фотолитография процесс изготовления штампа диска. На стеклянный диск наносится слой фоторезиста, на который производится запись информации. Фоторезист — полимерный светочувствительный материал, который под действием света изменяет свои физико-химические свойства.

Третий этап — запись информации. Запись производится лазерным лучом, мощность которого модулируется записываемой информацией. Для создания пита мощность лазера повышается, что приводит к разрушению химических связей молекул фоторезиста, в результате чего он «задубевает».

Четвёртый этап — проявка фоторезиста. Поверхность фоторезиста подвергается кислотному (щелочному) травлению, при котором удаляются (вымываются проявителем) те области фоторезиста, которые не были экспонированы лазерным лучом.

Пятый этап — гальванопластика. Проявленный стеклянный мастер-диск помещается в гальваническую ванну, где на его поверхность производится электролитическое осаждение тонкого слоя никеля.

Шестой этап — штамповка дисков методом литья под давлением с использованием полученного штампа.

Седьмой этап — напыление зеркального металлического (алюминий, золото, серебро и др.) слоя на информационный слой.

Восьмой этап — нанесение защитного лака.

Девятый этап — нанесение графического изображения — лейбла (от англ. Label).

Технология HD-BURN
Суть технологии записи высокой плотности заключается в применении двух новых принципов, которые позволяют записывать вдвое больше информации на обычном носителе — CD-R диске.

1. Длина пита на диске уменьшается до 0,62 микрометра. Длина пита обычного CD составляет 0,83 микрометра. Это означает, что HD-BURN увеличивает емкость диска в 1,35 раза. Длина пита была 0,62 мкм выбрана для того, чтобы все существующие DVD Video плееры и приводы DVD-ROM смогли считывать HD-BURN диски после незначительной модернизации.

2. Применяется иная система коррекции ошибок: вместо CIRC (Cross Interleaved Reed Solomon Code — перемежающийся код Рида-Соломона) используется RS-PC (RS-PRODUCT Code) с модуляцией 8-16. Это позволило увеличить емкость еще в 1,49 раза. Как сообщает Sanyo, новая система коррекции ошибок RS-PC не только более компактна, но и существенно более эффективна чем CIRC.

В итоге, ёмкость одного CD-диска, записанного в режиме HD-BURN, в два раза превышает емкость CD-диска, записанного в обычном режиме.

Объём хранимых данных
Компакт-диски имеют в диаметре 12 см и изначально вмещали до 650 Мбайт информации (или 74 минуты звукозаписи). Согласно одной из легенд, разработчики рассчитывали объём так, чтобы на диске полностью поместилась девятая симфония Бетховена (самое популярное музыкальное произведение в Японии в 1979 году согласно специально проведённому опросу), длящаяся (в самом длинном из известных исполнений) именно 74 минуты. Однако, начиная приблизительно с 2000 года, всё большее распространение получали диски объёмом 700 Мбайт, которые позволяют записать 80 минут аудио, впоследствии полностью вытеснившие диск объёмом 650 Мбайт. Встречаются и носители объёмом 800 мегабайт (90 минут) и даже больше, однако они могут не читаться на некоторых приводах компакт-дисков. Бывают также синглы (не путать с мини-дисками), диаметром 8 см, на которые вмещается около 140 или 210 Мбайт данных или 21 минута аудио, и CD, формой напоминающие кредитные карточки (т. н. диски-визитки).

Увеличение ёмкости хранимой информации стало возможным благодаря полному использованию допусков на изготовление дисков. Так, например, расстояние между дорожками по стандарту ECMA-130 составляет 1,6 ± 0,1 микрометра, линейная скорость вращения диска 1,2 или 1,4 м/с ± 0,01 м/с при тактовой частоте 4,3218 Мбит/с. Ёмкость в 650 Мбайт соответствует скорости 1,41 м/с и расстоянию между дорожками равному 1,7 микрометра, а ёмкость в 800 Мбайт — скорости в 1,19 м/с и расстоянию между дорожками в 1,5 микрометра.

Shape CD
Shape CD (фигурный компакт-диск) — оптический носитель цифровой информации типа CD-ROM, но не строго круглой формы, а с очертанием внешнего контура в форме разнообразных объектов, таких как силуэты, машины, самолёты, сердечки, звёздочки, овалы, в форме кредитных карточек и т. д. Обычно применяется в шоу-бизнесе как носитель аудио- и видеоинформации. Был запатентован рекорд-продюсером Марио Коссом в Германии (1995).

Обычно диски с формой, отличающейся от круглой, не рекомендуют применять в приводах CD-ROM, поскольку при высоких скоростях вращения диск может лопнуть и полностью вывести привод из строя. Поэтому перед вставкой Shape CD в привод следует принудительно ограничить скорость вращения диска с помощью специальных программ. Тем не менее, и эта мера не даёт гарантии безопасности CD-привода.

Версия Джеймса Рассела
Существует версия о том, что компакт-диск изобрели вовсе не Philips и Sony, а американский физик Джеймс Рассел, работавший в компании Optical Recording. Уже в 1971 году он продемонстрировал своё изобретение для хранения данных. Делал он это для «личных» целей, желая предотвратить царапание своих виниловых пластинок иглами звукоснимателей. Спустя восемь лет подобное устройство было «независимо» изобретено компаниями Philips и Sony.