Optikai tárolók

A CD fejlesztéstörténete

Ha a huszadik század utolsó két évtizedének történelmét kellene megírnom, semmiképp sem hagyhatnám ki a Digitális világunk megszületése című fejezetet. Népszerűségének és korszakalkotó mivoltának köszönhetően egy ilyen fejezetben kiemelt cím alatt szerepelne a CD története. Mivel nem vagyok történetíró, ugyanakkor nemcsak a saját mindennapjaim egyik kedvelt, szerves része a CD, megelégszem a fejezet helyett csupán a CD történetének és működésének a leírásával.

A CD története az 1960-as évek végéig nyúlik vissza. Ekkor készítette el a holland Philips cég az első optikai tárolóeszközét, a Lézer Videó Lemezt (LVD – Laser Video Disc). Az LVD lemezek még mintegy 30 centiméter átmérőjű korongok voltak, amelyeken analóg tárolási módszerrel egyaránt lehetett kiváló minőségű filmet és hangot tárolni. Nem tudni pontosan, miért, de a Philips nem dobta piacra termékét egészen 1973-ig, és az ezt követő években sem hódított igazán teret. Az is lehet, hogy picit megelőzte a korát.

A 70-es évektől kezdődően aranykorát élte a közismert audiókazetta. Ugyanakkor számos kellemetlen probléma volt a használatával: csak szekvenciálisan lehetett a zeneszámokat meghallgatni, a szalag idővel elég gyorsan kopott, és gyakorlatilag bármilyen kis sérülés, gyűrődés azonnal minőségromláshoz vezetett.

1983-ban a Philips és a japán Sony cég sikeres együttműködésének eredményeként született meg az audió CD (CD-DA, Compact Disc – Digital Audio). A Philips cég nyújtotta az LVD lemezek számára már kifejlesztett optikai adattárolási és lemezgyártási technológiát, a Sony pedig a digitális hibatűrő adatkódolási rendszert. Az audió CD megjelenésekor még pár évig problémát jelentett a jó minőségű audiófelvételek készítése és mixelése digitalizált formában. Kezdetben a legtöbb CD tartalmát régi analóg vinillemezekről mixelték át, sokszor megfelelő eszközök és szakmai képzettség nélkül. Mindezek ellenére az audió CD kinőtte „gyerekkori” betegségeit, egyre népszerűbbé vált, s így a 90-es évek elejére már gyors hanyatlásban volt az audiókazetták piaca.

A CD 12 cm átmérőjű, 1,2 mm vastag polikarbonát korong. Hogy miért pont ekkora? A történet szerint a Philips cég fejlesztőcsapatának főmérnöke azt szerette volna, hogy a korong pontosan elférjen az ingzsebében, amely 11 cm széles volt. Így a lemezt eredetileg 11 cm-es átmérőjűre tervezték, így készültek el az első prototípusok. Amikor a Sony is bekapcsolódott a fejlesztésbe, komoly problémák adódtak: a Sony cég vezetőjének hitvese nagyon szerette Beethoven szimfóniáit, és azt kérte, hogy egy korongra férjen rá Beethoven Kilencedik szimfóniája, Wilhelm Furtwänglers karmester interpretációjában. Mivel ez 74 percig tartott, a kérésnek csak az átmérő megnövelésével lehetett eleget tenni. Így készült el a ma közismert audió CD klasszikus 74 perces változata. Hogy ezek után a Philips főmérnöke inget cserélt-e, arról nem szól a krónika…

A technológia

Szerkezetileg a lemez nagy részét a polikarbonát réteg alkotja, amelynek többszörös a szerepe: egyrészt védi az adattároló réteget a mechanikai sérülésektől, másrészt pedig biztosítja, hogy a lézer akadálytalanul eljusson az adathordozó felülethez. Az adattároló felület a polikarbonát réteg felső részén helyezkedik el, és rendszerint szerves vegyületekből áll. Ezt követi egy tükröző felület, amely eredetileg nagyon vékony aranyréteg volt, de ezt később ezüst, majd alumínium és további fémek és fémkeverékek váltották fel. Az utolsó réteg egy védőréteg, amelyet sok esetben egyszerűen egy festékréteg alkot. Az olvasás során az olvasóegység egy prizmán és egy lencsén keresztül a korongra vetít egy lézerdióda által kibocsátott fényt. Az adattároló réteg nagy sűrűséggel ún. bemélyedéseket (pits) és kiemelkedéseket (lands) tartalmaz. Ezek határozzák meg, hogy a lézersugár sikeresen elér-e a tükröző réteghez és ezáltal azt, hogy visszaverődik-e vagy szétszóródik. A visszaverődő fényt a prizma választja szét az eredeti lézernyalábtól, majd egy fotódetektor alakítja át elektromos jelekké.

Az audió CD az adattárolás során három részt különböztet meg: (i) a bevezető és tartalmi részt (lead-in), amely a korong belső 4 mm-ét foglalja el, (ii) az adattároló részt, amely az előzőt követi, és 33 mm széles, valamint (iii) a zárórészt (lead-off), amely a korong külső, 1 mm-es sávját foglalja el, és az adatokat határolja el. A CD és a számítógépes mágneslemezek között, az optikai, illetve mágneses módszeren túl két érdekes különbség van: (i) a mágneslemezek esetében az adatok koncentrikus körökön vannak tárolva, és az olvasás során a lemez egyenletes sebességgel forog, így nem egyenletes az adatok olvasási sebessége, (ii) a CD-k esetében az adatok spirál formájában vannak tárolva (akárcsak a vinillemezek esetén), és az audió CD-k esetében az olvasási sebesség állandó, viszont változik a korong forgási sebessége. Azt, hogy milyen precizitást igényel a CD gyártása és olvasása, jól szemlélteti a spirálok száma, amely akár a 16 000 tpi-t (tacks per inch, 1 inch = 2,54 cm) is meghaladhatja a floppylemezek 96 tpi-jével szemben. Ha egy audió CD spirálját kiegyenesítenénk, mintegy 7 km hosszú volna. A CD kiváló hangminőségét a magas, 44,1 KHz-es digitalizálás biztosítja. Ezen az értéken egy lemez audió-csatornánként minden egyes másodpercben 44 100 darab 16 bites értéket tárol. Egy sztereó csatornapár esetén a digitális értékek 75 darab, egyenként 2352 bájtos szektorba szerveződnek, így egy audió CD kapacitása 74 perc x 60 másodperc x 75 szektor x 2352 bájt, azaz megközelítőleg 750 megabájt.

A CD-k a Sony által nyújtott ún. Reed-Solomon hibadetektáló és hibajavító kódokat alkalmazzák. Ezeknek köszönhetően nagyon sok gyártási hiba, valamint karcolások, ujjlenyomatok stb. miatt fellépő olvasási hiba javítható ki. A hibajavító kódok segítségével a hibaarányt 10-8-ra sikerült csökkenteni, azaz minden 100 millió bitből legfeljebb 1 bit hibás, ha a korong egyáltalán olvasható.

Ha nem is kellemes, de igencsak érdekes kép tárul elénk, ha megvizsgáljuk, mit is jelent a környezetünk számára a CD-k előállítása. Egy CD korong előállításához 60 g kőolaj, 2 g bauxit, 0,5 KW villamos energia, 0,05 liter víz, valamint minimális mennyiségű festék szükséges. Egy 16 g tömegű lemez 99%-a polikarbonát, amely újra felhasználható. Csak Németországban már a 90-es évek közepén mintegy 1,5 milliárd CD került forgalomba évente, és azóta ez az érték legalább megkétszereződött. Mindezek ellenére még a fejlett országokban sem oldották meg a CD-k újrafelhasználását.

Finomítás, tömörítés

1985-ben a Philips és a Sony közösen elkészítette a számítógépek számára azóta már hihetetlenül népszerűvé vált CD-ROM (CD Read Only Memory) adatlemezeket. Ma már a CD-ROM lemezek a legnépszerűbb hordozható számítógépes adattárolók. Egyetlen CD-ROM 650 megabájt, azaz mintegy 230 000 A4-es oldalnyi gépelt szövegnek megfelelő adatmennyiséget képes tömörítetlen állapotban tárolni.

1990-ben jelentek meg a CD-R (CD-Recordable) lemezek, azaz az egyszer írható CD-k. Ha addig a CD lemezeket kizárólagosan ipari körülmények között, öntéssel hozták létre előre gyártott matricák alapján, a CD-R lehetővé tette, hogy egy számítógép segítségével egyszerűen és gyorsan lehessen üres CD-R lemezekből audió vagy adat CD-ket készíteni. Szintén 1990-ben készítették el az első magneto-optikai lemezeket (CD-MO, CD Magneto-Optical), amelyek tetszés szerint írhatók, olvashatók és törölhetők voltak. Az MO lemezek mind a mai napig nagy népszerűségnek örvendenek, elsősorban fontos, érzékeny adatok, mint például az orvosi adatok tárolására használják. Pár évvel később piacra dobták az újraírható optikai CD-ket (CD-RW, CD ReWriteable) is. A CD-R és CD-RW író egységek különböző erősségű lézernyalábot felhasználva képesek írás közben rövid időre olvadási pont fölé melegíteni az adattároló réteget, és ezáltal megváltoztatni az optikai tulajdonságát.

A nyolcvanas évek végétől kezdődően a CD-k számtalan továbbfejlesztése jelent meg. Mindezek elsősorban a multimédiával és a multimédia növekvő népszerűségével voltak kapcsolatosak. Így jelent meg például az Eastman Kodak és a Philips közreműködésével 1990-ben a fényképek tárolására specializált CD (Photo CD) vagy a Video CD. Ez utóbbi az ún. MPEG 1-es (Motion Picture Experts Group) videotömörítő algoritmust felhasználva képes volt egy valamivel több, mint egy órás videofilm közepes minőségű tárolására. A későbbi évek során a számítógépek körében is nagymértékben elterjedtek a tömörített audió- és videóanyagot tároló CD-k. Ma már egyetlen CD-re majdnem moziminőségben rá lehet tömöríteni egy kétórás filmet MPEG 4-es tömörítő módszerekkel. A kilencvenes évek elején tört be a piacra az azóta is egyre nagyobb népszerűségnek örvendő ún. MP3-as (MPEG 1/2 Layer 3) audiótömörítő-rendszer. Ha belegondolunk, hogy egyetlen CD-ROM lemezre gyakorlatilag CD-DA minőségben rá lehet tömöríteni közel 200 zeneszámot, akkor azonnal egyértelművé válik az MP3-as technológia sikere.

Ha a CD korongok mérete nem is nőtt az évek folyamán, a kapacitásuk átesett egypár javításon. Ma már egyre népszerűbbek a 80, 90 vagy akár 99 és 100 perces audió CD-k is. Érdekes és fontos kérdés, hogy mennyi ideig tárolják az adatokat az optikai tárolók. Ezt nagymértékben befolyásolják a gyártáshoz felhasznált vegyi anyagok és a használati körülmények is. A gyorsított élettartam-vizsgálatok (amely során a CD-t ciklikus stresszhatásnak, például szélsőséges hőmérséklet- és páratartalom-változásnak teszik ki) azt mutatják, hogy normális körülmények között egy eredeti CD akár több ezer évig is megőrzi az információt. Az írható és újraírható CD-k esetében a különböző vegyi szerkezet miatt ez az idő lényegesen rövidebb. Egy CD-R élettartamát 15–400 évre becsülik. Ez esetben a felső korlát már igazán elfogadható az alsó korlát helyessége pár év múlva mindenképp elválik – reméljük, hogy hibás becslés volt.

Az audió CD-k szinte minden területről kiszorították az audiókazettákat. Kivételt jelentenek például a hordozható kazettalejátszók, ahol a CD-olvasók nem tudták megállni a helyüket, elsősorban a rezgések, valamint a méretük miatt. Véget nem érő tárgyalások és viták után a Philips és a Sony nem tudott közös nevezőre jutni abban, hogy milyen tárolóeszköznek kellene az audiókazetta hordozható utódjának lennie – a Philips, az eredeti audiókazetta kifejlesztője úgy vélte, a folytatásnak egy kisebb méretű, digitális kazettának kellene lennie –, így a továbbiakban különálló fejlesztést végeztek. A Sony 1992-ben vezette be a minilemezt (MD – Mini Disc), amely magneto-optikai technológián alapul, tokozott, így kiváló védelmet és hordozhatóságot is biztosít. Egyelőre azonban – akárcsak a CD a bevezetését követő években – nem terjedt el annyira, mint azt várni lehetett volna. Érdekesképpen ennek egyik oka a „jó öreg” CD lemez, amely az MP3 technológiával együttesen egyelőre még erős ellenfélnek bizonyult.

Az, hogy a CD lemezek is előbb-utóbb kiszorulnak a piacról, nem vitás. Kérdés viszont az, hogy milyen technológiák lesznek az utódai. Legalább két utódjelölt máris megjelent a piacon: az MD és a DVD lemezek. Lehet, hogy végül is egy főmérnök ingzsebe fogja eldönteni a harcot. Egy 6,8 x 7,2 cm-es MD lemez bizonyára elfér benne…



Kapcsolódó

A szerző véleménye nem feltétlenül tükrözi a szerkesztőség véleményét.