Трехмерный диск - диск будущего?

Обычного компакт-диска (640 Mb) уже не давно не хватает. Конечно, нас радует возможность хранения на DVD до 17 Gb информации, но запаса прочности у этой достаточно популярной сегодня технологии уже практически нет - такой объем, в принципе, сейчас является предельным. Иначе говоря, возникла необходимость в принципиально новом способе хранения информации на съемных носителях, который, как и CD/DVD, был бы дешев и позволял бы хранить значительные объемы информации. И вот компанией Constellation 3D был продемонстрирован новый формат - FMD (Fluorescent Multilayer Disk), который. возможно, уже скоро может стать новым лидером.

Первым поколением дисковых продуктов компании Constellation 3D станет семейство 120-миллиметровых многослойных FM-дисков с вместимостью до 140 Gb и со скоростью чтения до 1 Gbits/s. Это позволит, например, вмещать до 20 часов фильмов в формате HDTV, сжатых по MPEG'у. Как видно, FMD значительно превосходит DVD по емкости.

На рисунке представлен внешний вид FMD-ROM. Можно увидеть, что FMD прозрачный, и вы, возможно, спросите: а где же отражающий слой, как на СD- и DVD-дисках? Дело в том, что данная технология не нуждается в присутствии отражающего слоя. В оптических носителях типа CD, DVD и МО (о MO смотрите здесь) процесс считывания происходит следующим образом. Луч полупроводникового лазера падает на поверхность информационного слоя, затем отражается от алюминиевой (или другой металлической - это роли не играет) подложки и фиксируется детектором-приемником. В носителях FMD не используется отраженный луч лазера, так как при воздействии лазерного луча на информационный слой последний сам начинает излучать. Принцип действия флуоресцентных дисков основан на явлении фотохромизма. Несколько лет назад российские химики открыли стойкий органический материал "стабильный фотохром", под воздействием лазерного луча приобретающего флуоресцентные свойства (флуоресцентное свечение).

Информационный элемент FM-диска (фотохром) может менять свои физические свойства (такие как цвет или наличие флуоресценции) под воздействием лазера определенной мощности и длины волны. Изначально фотохром не обладает флуоресцентными свойствами. При воздействии лазера большой мощности инициируется фотохимическая реакция, в результате которой и начинают проявляться флуоресцентные свойства. При считывании данное вещество опять же возбуждается, но посредством лазера меньшей мощности, и начинает флуоресцировать. Это свечение улавливается фотоприемником и принимается как значение "1". Возбужденный фотохром излучает свет, сдвигая спектр падающего на него излучения в сторону красного цвета на определенную величину (в пределах 30-50 нм), что позволяет легко различить сигнал лазера и свет, излучаемый материалом диска.Также возникает вопрос об устойчивости состояния фотохрома с точки зрения долговечности, так как все физические элементы природы со временем теряют свои свойства. По заявлению компании С3D, ухудшения происходить не будет. Необходимо отметить, что данная технология позволяет обойти проблему множественной интерференции между слоями, которая может привести к потери луча в многослойном диске, так как излученный фотохромом свет не когерентен (вспомните школьный курс физики) и хорошо контрастирует с отраженным лазером, свободно проходит сквозь слои и легко определяется фотодатчиком.

В обычных оптических носителях (СD/DVD), при увеличении числа информационных слоев происходит качественное ухудшение сигнала. Это объясняется тем, что в данных технологиях используется отраженный от информационного слоя сигнал, то есть существует необходимость в зеркальных поверхностях. Поэтому в технологии DVD при изготовлении двухслойных дисков внешний информационный слой делается полупрозрачным для того, чтобы дать возможность лазеру добраться до внутреннего слоя. При этом сигнал, проходящий через внешний слой, оставляет в нем часть энергии вследствие отражения. Причем отраженные от обоих слоев сигналы интерферируют (накладываются друг на друга или складываются) из-за их когерентности (совпадения частоты и постоянной во времени разности фаз), в результате чего происходят потери полезного сигнала. Увеличение количества слоев усугубляет эффект множественной интерференции между слоями, и усложняется процесс считывания. Эту проблему можно решить путем усовершенствования детекторов-приемников, но пока это возможно осуществить только в лабораторных условиях. В случае флуоресцентных дисков такое качественное ухудшение сигнала при нарастании числа слоев происходит гораздо медленнее. Если это представить в виде графика, то выглядеть все будет примерно так:

По заявлению разработчиков FMD-ROM, даже при количестве слоев больше сотни не будет происходить сильного искажения полезного сигнала, так как все слои диска прозрачны и однородны. На этом рисунке вы можете посмотреть FM-диск в разрезе. Как видно из рисунка, диск состоит из нескольких пластиковых (поликарбонатных) слоев, соединенных между собой. Слой содержит поверхностные структуры (питы), которые заполняются флуоресцентным материалом. При считывании лазер фокусируется на определенном слое и возбуждает его флуоресцентные элементы, после чего это свечение улавливается фотодетектором. Разработчики заявляют, что при использовании синего лазера (480 nm) возможно увеличение плотности записи до десятков Tb на один FM-диск. Другая интересная особенность данной технологии заключается в возможности параллельного считывания. Если записывать последовательность бит не вдоль дорожки, а вглубь по слоям, то можно значительно повысить скорость выборки данных. Вследствие этого разработчиками FMD, в шутку или всерьез, было предложено название своему детищу как "трехмерный диск". Действительно, смысл в таком названии есть...

Что очень важно, FMD-технология совместима с CD и DVD форматами, поддерживая ту же систему распределения данных на каждом слое. Необходимо также отметить, что многие этапы производства FMD унифицированы под уже давно существующие методы производства CD/DVD. Процесс мастеринга (изготовление копий дисков для продажи) очень похож на аналогичный для CD/DVD.

Конечно, требуются некоторые изменения, в частности, они касаются формы пита и способов заполнения флуоресцентным материалом, а также убирается технологическая операция по напылению алюминиего слоя, что уменьшает количество шагов при изготовлении одного информационного слоя. В технологии FMD очень важно получение точной формы пита, так как в последствии производится его заполнение флуоресцентным материалом. Поэтому технология изготовления все же заметно DVD и FMD отличается. Здесь мастер-копией является никелевая матрица (назовем ее штампом). Она, также как и в DVD-технологии, является негативной копией производимого диска. FM-диск состоит из нескольких слоев, поэтому процесс разбивается на этапы: отдельно изготавливаются информационные слои, после чего они связываются между собой. Технологическое производство FM дисков имеет две разновидности. В первой используется метод горячего тиснения (выдавливания). Каждый слой получается посредством прессовки поликарбонатового слоя двумя штампами (мастер-копиями) при высокой температуре. В результате получается так, что один слой несет информацию с двух сторон. Затем производится заполнение питов флуоресцентным материалом. После того, как он затвердевает, изготовленные слои спрессовываются под давлением. На рисунке представлен пример структуры семислойного диска, производимого по вышеописанному методу.

Второй метод использует процесс фотополимеризации, при котором многослойный диск получается складыванием слоев одним за другим, формирующиеся из тонких отпечатков (или информационных слоев). Изготовление одного информационного слоя представляет собой изготовление пластиковой пленки с определенными оптическими характеристиками. Толщина пленки варьируется от 25 до 30 микронов. Пленка (на которую вскоре будет нанесена информация) либо штампуется, либо вырезается лазером до необходимого размера. Приготовленная пленка закрепляется в специальной оснастке и устанавливается на внешнюю поверхность никелевой матрицы, несущую негативную копию изготавливаемого информационного слоя. В процессе вращения фотополимерное вещество равномерно вносится в пространство между поверхностью штампа и пластиковой пленки. Позднее, когда фотополимерное вещество затвердевает, пленка отделяется от поверхности штампа. Подложка теперь содержит питы с определенной геометрией. При этом геометрия пита по качеству превосходит геометрию, получаемую при использовании матриц для изготовления CD или DVD, так как в этих технологиях используется процесс выдавливания питов (штампования). После получения слоя с необходимым расположением питов, производится их заполнение флуоресцентным материалом. Во время заполнения питов, флуоресцентный материал равномерно наносится на всю информационную сторону. После нанесения полимера производится химическая обработка поверхности для достижения желаемой контрастности питов и флэтов. Далее производится проверка копии на наличие различных дефектов и правильности заполнения питов, для чего производится возбуждение фотоэлементов, и затем вся картина улавливается CCD-камерами и производится необходимый анализ. После слои налепляют на подложку, толщина которой 0.6 mm. Сверху все это дело заливается защитным слоем, который в последствии можно использовать для какого-либо графического оформления. Для избежания физического контакта с информационными слоями на кромке диска эта область также заполняется полимерным материалом, аналогично технологиям CD или DVD.

Пока что (2001 год) не существует устройств чтения FM-дисков, которые бы были запщены в серийное производство. На фотографии представлен прототип устройства, работающего с FMD. Разработчики заявляют, что приводы, предназначенные для чтения этих дисков, будут легко понимать форматы как CD, так и DVD-дисков. В этом есть необходимость, так как рынок переполнен CD и (в меньшей степени) DVD-дисками. По строению приводы для FM-дисков аналогичны приводам для CD/DVD по многим компонентам, например, по таким как наличие лазера, оптика, сервопривод, система трекинга и фокусировки, различные контроллеры. Добавляются лишь системы, способные улавливать и различать флуоресцентное свечение от лазерного, а также сервис по выборке информационного слоя.

Другая тема - запись на FMD-ROM. На момент написания статьи еще не был представлен прототип записывающего устройства на FM-диски, но компания C3D заявляет, что оно в стадии разработки. При записи на FMD-ROM используется технология WORM (Write Once Read Many - один раз записал, много раз прочитал). Серия перезаписываемых дисков так и будет называться: FMD-WORM. Технология производства данных дисков остается та же, что и при производстве FMD-ROM, за исключением того, что будет использоваться иной флуоресцентный материал, способный обратимо менять свое состояние под действием лазера при записи. При этом появляются некоторые правила, согласно которым запись на диск следует двум критериям: необходимо иметь достаточную мощность записывающего лазера, который наделял бы элемент диска флуоресцентным свойством при записи использовать пороговую мощность лазера, при которой происходит изменение флуоресцентных свойств материала, а при чтении использовать меньшую мощность лазера, дабы не испортить записанные на диске данные (то есть технология аналогична CD-R). Также очень важно выбрать метод записи на диск. Разработчики FMD-технологии предлагают 2 принципа записи. Первый принцип (термический) предполагает использование материала, изначально обладающий флуоресцентным свойством (логическая единица). При записи же участки, на которые производится термическое воздействие посредством лазера, теряют это свойство (логический ноль). Второй принцип (химический) предполагает использование материала не обладающим флуоресцентным свойством. При воздействии лазера происходит фотохимическая реакция, в результате которой материал наделяется флуоресцентным свойством. Для возбуждения данной реакции достаточно маломощного лазера либо обычного светодиода (или светодиодной матрицы). При использовании светодиодной матрицы возможна одновременная запись целого массива информации, что ускоряет процесс.

Записывающие устройства не имеют принципиальных отличий от считывающих устройств. Единственное отличие будет в использовании немного другой формы лазера, позволяющей производить как чтение, так и запись. Необходимо отметить еще одну интересную особенность в плане того, что есть возможность совмещение WORM и ROM на одном носителе. Например, представьте себе 20 слойный диск, у которого 10 слоев уже содержат информацию (записанную при изготовлении), а остальные 10 оставлены под нужды пользователя. Компания C3D также планирует выпуск перезаписываемых FM-дисков. Принцип записи остается тоже практически таким же, как и у СD-RW технологии за исключением того, что здесь нет необходимости управлять отражающей способностью слоя - достаточно будет переводить флуоресцентный материал из одного состояние (отсутствие флуоресценции) в другое (наличие флуоресценции). Например, весь слой FM диска будет покрыт флуоресцентным материалом, изначально не обладающим флуоресценцией (логический ноль), и при записи логической единицы в нужном месте посредством маломощного лазера возбуждается фотохимическая реакция, вследствие чего этот участок наделяется флуоресценцией. Стирание будет производится более мощным лазером, под действием которого элементы теряют флуоресценцию. Достоинством данной технологии можно назвать то, что флуоресцентный материал намного устойчивее к фазовым преобразованиям, нежели используемый в CD-RW, поэтому возможно произвести намного больше циклов перезаписи.

Как уже упоминалось выше, в данной технологии существует возможность параллельного чтения, то есть последовательность бит записывается не вдоль дорожки, а вглубь по слоям. Таким образом, появляются три способа чтения данных: последовательный, последовательно-параллельный и параллельный. Процесс параллельного чтения производится с помощью фоточувствительного элемента, который представляет собой массив CDD камер. Данный прибор способен считывать маломощное свечение с частотой в несколько десятков MHz. При этом скорость считывания достигает гигабита в секунду. Надо отметить, что механическая скорость работы привода при этом в 450 раз меньше, чем у DVD (хотя нет причин ей не повышаться, и тогда скорость увеличится еще больше). Кстати, компания заявляет, что в лабораторных условиях был изготовлен диск в 50-слойном исполнении с вместимостью 1 Tb и скоростью передачи данных до 1 Gbits/s.

В заключение можно сказать, что появление этой продукции вполне может потеснить на рынке уже занявшие свою нишу технологии DVD. Остается надеяться, что это произойдет достаточно скоро и станет доступно большинству пользователей.