Magnetooptické disky

Obsah

1. Magnetooptické disky
2. Princip činnosti magnetooptických disků
3. Zápis dat na magnetooptický disk
4. Čtení dat z magnetooptického disku
5. Odolnost magnetooptických disků a trvanlivost záznamu
6. Paměťová média o průměru 130 mm (5,25 palce) a 90 mm (3,5 palce)
7. Sony MiniDisc a Hi-MD (vysokokapacitní MiniDisc)
8. Literatura a odkazy na Internetu
9. Obsah následující části

1. Magnetooptické disky

V předchozích třech částech tohoto seriálu jsme si popsali paměti určené pro trvalý záznam dat, které byly založeny na principu změny magnetizace feromagnetického materiálu naneseného buď na rotující válec (bubnové paměti), pružnou pásku (všemožné typy páskových pamětí) či rotující tuhý či naopak pružný disk (disketové paměti, pevné disky, Bernoulliho disky). Dnes si vysvětlíme princip činnosti takzvaných magnetooptických disků (MO disků), u nichž je sice záznam také proveden změnou magnetizace vhodného materiálu, ovšem jak při zápisu, tak i při čtení je použit laserový paprsek. Magnetooptické disky tak v sobě kombinují přednosti magnetického záznamu (nedestruktivní a především rychlý zápis prováděný po blocích a nikoli kontinuálně) i záznamu optického (vysoká hustota zapsaných dat, jednoduché mechaniky, bezdotykové čtení i zápis, odolnost záznamu proti vlivům okolního prostředí). V současnosti se sice magnetooptické disky procentuálně používají méně často než v minulosti (především po nástupu levných CD-RW a DVD), ale některé instituce je stále s úspěchem využívají, především pro dlouhodobou úschovu cenných dat (knihovny, archivy, státní úřady).

Obrázek 1: Magnetooptický disk s kapacitou 650 MB o průměru 90 mm (3 1/2 palce)

Před vlastním popisem magnetooptických disků je nutné říci, že ne všechna média, u kterých se při čtení či zápisu kombinuje magnetický záznam a (laserové) světlo, lze považovat za MO média. Například již popsané paměťové médium nazvané Floptical, které (alespoň podle mínění jeho výrobce) mělo nahradit klasickou disketu, používalo ve své mechanice infračervenou LED (s přimhouřením obou očí ji můžeme považovat za jednoduchý laser, holografický Floptical pak používal skutečný laser), pomocí níž se kombinovaná čtecí/zápisová hlava naváděla nad zpracovávanou­ stopu.

Obrázek 2: Paměťové médium Floptical s kapacitou 21 MB

Díky relativně přesnému navádění bylo možné hustotu stop zvýšit z původní hodnoty 135 stop na palec až na hodnotu 1250 stop na palec, což pro oboustranný záznam dat na médium o průměru 3 1/2 palce (755 stop, 27 sektorů na každé stopě) a velikosti sektoru 512 bytů dává výslednou kapacitu na tehdejší dobu velmi slušných 21 MB. Ovšem nejedná se o magnetooptický disk, protože čtení i zápis je prováděn klasicky konstruovanou hlavou (s cívkou a jádrem) přitlačenou na magnetické médium, prakticky stejně jako u disketových jednotek a magnetických pásek. Přesněji řečeno, jeden zásadní rozdíl zde přece jen je – místo podélné magnetizace se používá magnetizace příčná, tj. kolmo na povrch, čímž se dále zvětšuje informační kapacita (ovšem i tato technika je používána u nových pevných disků i některých páskových mechanik).

Obrázek 3: Interní mechanika (3 1/2 palce) a média Floptical

2. Princip činnosti magnetooptických disků

Magnetooptické disky jsou založeny na záznamu informací formou magnetizace vhodného feromagnetického materiálu, ovšem jak zápis dat, tak i jejich čtení je prováděno s využitím laserového paprsku. Podrobnější popis čtení a zápisu bude uveden v následujících dvou kapitolách, zde si popíšeme, jak vypadá struktura samotného magnetooptického disku. Magnetooptický disk je vytvořen z několika vrstev složených z různých materiálů a majících značně rozdílnou tloušťku. Základ tvoří polykarbonátový disk o typické tloušťce 1,2 mm, který je průhledný, aby jím bez zbytečných lomů a rozptylů mohl procházet laserový paprsek (prakticky stejnou vrstvu mají i kompaktní disky). Na tomto disku je nanesena vrstva tlustá pouze 100 nanometrů, která je vytvořena z dielektrického materiálu, typicky AlN nebo SiO₂. Další vrstvu tvoří vlastní feromagnetický materiál, ovšem tato vrstva je velmi tenká, má tloušťku pouhých 30 nanometrů. Materiály se různí, může se jednat například o TbFeCo, který má sice vysokou koercivitu, ale na druhou stranu na vzduchu rychle koroduje (právě proto je použito tolik vrstev). Čtvrtou vrstvu tvoří opět dielektrikum nad nímž je pátá vrstva vytvořená z hliníku – ta slouží k odrazu laserového paprsku a zlepšení účinnosti čtení. Poslední vrstva je tvořena ochranným lakem vytvrzeným ultrafialovým světlem:

Obrázek 4: Jednotlivé vrstvy magnetooptického disku (kolmý řez)

V polykarbonátové vrstvě jsou vytvořeny drážky, které slouží k navádění čtecí a zápisové hlavy. Tvar těchto drážek (groove) je samozřejmě opakován i v dalších vrstvách, jejich šířka, hloubka a vzájemná vzdálenost je do značné míry určena kapacitou daného magnetooptického disku. Jedná se o podobný systém, jaký je použit u zapisovatelných i přepisovatelných kompaktních disků a DVD.

Obrázek 5: Drážky vytvořené v magnetooptic­kém disku

Drážky přispívají k typickému rozkladu světla na magnetooptických discích, na nichž jsou mnohdy viditelné i začátky jednotlivých sektorů, opět vytvořené mechanicky, tj. rýhou kolmou na směr záznamu:

Obrázek 6: Viditelné začátky sektorů na povrchu magnetooptické­ho disku

3. Zápis dat na magnetooptický disk

Zápis informací na magnetooptický disk je prováděn pomocí zapisovací magnetické hlavy a laserového paprsku. Feromagnetická vrstva na magnetooptickém disku je totiž vytvořena z materiálu, který je za běžných pokojových teplot možné zmagnetizovat pouze působením velmi silného pole, který zapisovací hlava nemůže vyvinout. Pokud se však teplota feromagnetické vrstvy zvýší nad takzvanou Curierovu teplotu, překoná náhodný pohyb atomů vnitřní síly působící spontánní magnetizaci a z feromagnetické látky se stává látka paramagnetická, na níž už relativně slabé magnetické pole zapisovací hlavy může působit. Teplota feromagnetické vrstvy je zvyšována laserovým paprskem, který je velmi přesně zaostřen právě na tuto vrstvu a dokáže zvýšit teplotu zápisového místa (to má velmi malou plochu) na cca 180 °C. Tento způsob záznamu umožňuje, aby byla zapisovací hlava umístěna v poměrně značné vzdálenosti od disku, protože případný rozptyl magnetického pole neovlivní okolní bity – na ně totiž laserový paprsek nesvítí, tudíž nemají dostatečnou teplotu.

Obrázek 7: Zápis dat na magnetooptický disk pomocí zapisovací hlavy a laserového paprsku

U starších magnetooptických mechanik se zápis prováděl ve třech fázích – nejprve byla daná část disku (sektor, stopa, celý disk) přemazána kombinací laserového paprsku a zápisové hlavy, která neměnila polaritu magnetického pole – do všech míst se zapsaly nulové bity (u některých mechanik se v této fázi zápisová hlava nepoužívala, pouze se datová vrstva laserem na chvíli převedla na paramagnetickou látku, čímž se původní informace ztratila). Ve druhém kroku byl prováděn vlastní zápis, při němž se otáčela polarita magnetického pole zápisové hlavy v těch místech, kde bylo zapotřebí zapsat bit s hodnotou 1. Třetí fáze spočívala ve verifikaci zapsaných dat. Výsledkem rozfázování zápisu byl nemilý fakt, že zápis dat byl cca 3× pomalejší, než jejich opětovné přečtení (při zachování stejných otáček při čtení i zápisu). Moderní mechaniky však dokáží díky technologii Direct Overwrite první a druhou fázi sloučit, přičemž třetí fáze nemusí být prováděna, podobně jako nemusí být prováděna verifikace při zápisu dat na pevný disk či CD. Rychlost čtení i zápisu je pak srovnatelná.

Obrázek 8: Moderní mechanika pro magnetooptické disky s kapacitou 9,1 GB

4. Čtení dat z magnetooptického disku

Čtení dříve zaznamenaných dat je založeno na mangeto-optickém Kerrově jevu (Magneto-optical Kerr-effect: MOKE). Pokud dopadne na magnetický materiál polarizovaný laserový paprsek, je vlivem magnetizace materiálu pootočen jedním či druhým směrem. Úhel pootočení je sice menší než jeden stupeň, ale díky citlivé elektronice a polarizačním filtrům ho lze změřit. Při čtení dat se používá slabší výkon laseru než při zápisu, tudíž nedochází k ohřevu magnetické vrstvy ani degradaci jejích vlastností. Magnetická hlava se při čtení nepoužívá, některé mechaniky ji dokonce nechávají zaparkovanou (u jiných mechanik je laser i magnetická hlava řízena jedním posuvným mechanismem). Jako analyzátor polarizace se používá takzvaný Wollastonův dvojlomný hranol, sestavený ze dvou krystalů opticky spojených pod úhlem 45°, z něhož vychází oddělené paprsky do dvou fotodiod (detektorů). Princip čtení dat z magnetooptických disků je tedy dosti odlišný od čtení dat z kompaktních disků: u MO disků se měří úhel natočení odraženého polarizovaného laserového paprsku, zatímco u kompaktních disků útlum odraženého paprsku vzniklého posunem jeho fáze na hranicích zaznamenaných pitů.

Obrázek 9: Magnetooptický disk s kapacitou 2,6 GB

5. Odolnost magnetooptických disků a trvanlivost záznamu

Magnetooptické disky jsou známé tím, že jsou v dostatečně velké míře odolné proti vnějším rušivým vlivům a současně je trvanlivost čitelnosti provedeného záznamu velmi vysoká. Na jeden magnetooptický disk je možné provést až deset milionů záznamů aniž aby došlo k poškození záznamové vrstvy, počet čtení je prakticky neomezen, životnost záznamu je minimálně 30 let. Z tohoto důvodu se magnetooptické disky používají v archivech, státních institucích pro uložení dat po velmi dlouhou dobu, v bankách apod. V dalších odstavcích si řekneme, jakým způsobem bylo dosaženo odolnosti magnetooptických disků a čím se liší od konkurenčních (či alternativních) záznamových médií: disket, magnetických pásek (DAT atd.), kompaktních disků či DVD.

Obrázek 10: Magnetooptický disk s kapacitou 5,2 GB (2× více, než médium zobrazené na předchozím obrázku)

U naprosté většiny mechanik magnetooptických disků se předpokládá, že MO disk je umístěn v ochranném pouzdře, podobně jako diskety či ZIP média. Na první pohled se zdá, že se jedná o nedostatečnou ochranu, ovšem prakticky se tak zamezí jakémukoli poškrábání MO disku, otiskům prstů na záznamové ploše, vlivu přímého slunečního záření, poškození při popisování zadní strany disku atd. (disk se při rotaci samozřejmě nedotýká ochranného pouzdra, to je zajištěno distančními kroužky či jiným vhodným mechanismem, laser i magnetická hlava jsou od povrchu vzdáleny cca jeden milimetr). Také střed disku je zesílen a většinou opatřen kovovým kroužkem, takže při přenosu otáčivé síly z motorku na disk nedochází k namáhání relativně měkké nosné části disku (polykarbonát) tak, jak je tomu u CD a DVD (tato námaha se po delší době provozu projeví tím, že disk nemusí být vždy zcela vystředěn a při větších otáčkách znatelně vibruje).

Obrázek 11: Jak vlastní médium, tak i středový kroužek jsou chráněny posuvnými dvířky

Při záznamu dat na magnetooptický disk se sice používá laser, podobně jako při vypalování na CD-R, CD-RW či DVD, ovšem samotná technologie zápisu je v mnoha ohledech odlišná. Zatímco u kompaktních disků dosahuje teplota v místě dopadu paprsku 600 až 800 °C, čímž dochází k postupnému poškozování záznamové i krycí vrstvy, je u magnetooptických disků teplota mnohem nižší. Typicky se pohybuje v rozsahu 150 až 180 °C, což je pro použité materiály tak nízká teplota, že nedochází k destrukci žádné z vrstev MO disku. Výrobci uvádí až 10 milionů zápisů na jedno místo (bit).

Magnetooptický disk je odolný i proti působení silnějšího magnetického pole, takže záznam není poškozen při položení na reprobedny, CRT monitor ani při převozu MO disku vlakem, trolejbusem atd. (oblíbené bylo také položení mobilního telefonu na balíček instalačních disket). K záznamu dat (nebo jejich nechtěnému vymazání) může dojít až při zvýšení teploty záznamové vrstvy nad Curierovu teplotu (oněch 150 až 180 stupňů Celsia) nebo působením opravdu silného magnetického pole. V kancelářích a serverovnách se většinou s tak silným polem nesetkáte :-).

U páskových mechanik dochází k nežádoucí kopii záznamu mezi na sebe položené vrstvy pásky. U zvukového záznamu se to projevuje různými dozvuky a brumy, u záznamu digitálního pak zvýšenou pravděpodobností vzniku chyb, která roste s časem (stárnutí záznamu). Při čtení či zápisu dat na páskových mechanikách a disketách se také čtení/záznamová hlava přímo dotýká média, které je postupně opotřebováváno. Traduje se, že v jedné firmě poctivě dělali denní zálohy dat na pásku a po několika letech, kdy bylo skutečně nutné něco ze zálohy obnovit, se přišlo na to, že na pásce se vlastně už nenachází žádná magnetická vrstva, ta byla neustálými zálohami dokonale setřena a páska byla průhledná.

Podobně jako u CD a DVD, i u magnetoop­tických disků prochází laserový paprsek polykarbonátovou vrstvou, která má tloušťku 1,2 mm. Laserový paprsek je zaostřen přímo na záznamovou vrstvu (tam je stopa jeho světla nejmenší), což mj. znamená, že šířka paprsku v místě dopadu na polykarbonátovou vrstvu, je poměrně velká a paprsek tedy lehce projde ke svému cíli i v případě, že se přímo na polykarbonátové vrstvě nachází nějaká nečistota (většinou zrnko prachu). Podobný jev se projevuje například i u fotoaparátů: malá zrnka prachu na čočce nejsou na výsledné fotce viditelná, protože se na ně nezaostřuje (obraz zrnka je rozmazán do velké plochy fotky). Mimochodem, díky tomu, že se MO disk nachází v ochranném pouzdře, nebývá nabitý statickou elektřinou tak jako CDčka, a proto se na něm zrnka prachu nedrží; naopak při jeho roztočení odlétnou pryč do rohů ochranného pouzdra.

6. Paměťová média o průměru 130 mm (5,25 palce) a 90 mm (3,5 palce)

Nejčastěji se můžeme setkat s magnetooptickými disky, jejichž průměr je 130 mm, což odpovídá 5,25 palce, nebo 90 mm (3,5 palce). Jedná se o média, jejichž tvar, způsob záznamu i kapacita je standardizována. Magnetooptické disky o průměru 130 mm jsou používány především v archivech a větších institucích, zatímco magnetooptická média o menším průměru byla určena i pro menší firmy a jednotlivce – tomu odpovídá i použité rozhraní (SCSI a SCSI2 u 130 mm médií, IDE či USB u 90 mm médií, i když se samozřejmě najdou výjimky).

Obrázek 13: SCSI mechanika pro MO disky o průměru 130 mm (dnes již zastaralý model)

Typické kapacity magnetooptických disků o průměru 90 mm dosahují 128 MB, 230 MB, 540 MB, 600MB, 640 MB, 1,2 GB, 1,3 GB, 2,6 GB a 5,2 GB a 9,1 GB. Zajímavé je, že bývá dodržena zpětná kompatibilita, tj. mechanika určená pro média s kapacitou například 2,6 GB dokáže přečíst i disky s menší kapacitou (to je velmi ceněná vlastnost, vždyť první disky s kapacitou 128 MB byly vyrobeny v roce 1991, takže podle údajů výrobců by měly být čitelné až do roku 2021). Disky s kapacitou 128 MB až 1,3 GB jsou standardizovány ECMA. Rychlost přenosu dosahuje u novějších modelů hodnoty až 5,9 MB za sekundu.

Obrázek 14: IDE mechanika pro MO disky o průměru 90 mm s kapacitou max. 1,6 GB

7. Sony MiniDisc a Hi-MD (vysokokapacitní MiniDisc)

Pravděpodobně nejznámější aplikací MO disků je MiniDisc firmy Sony. Ten se primárně používá pro záznam hudby, ovšem je možné ho využít jako relativně malé a přitom spolehlivé záznamové digitální médium. MiniDisc je poněkud menší než klasické MO disky, jeho průměr je 64 mm a pouzdro má rozměry 7 × 6,75 × 0,5 cm s posuvnými krytkami zakrývajícími otvory pro optickou laserovou a magnetickou záznamovou hlavu.

Obrázek 15: MiniDisc od firmy Sony

V audio režimu lze zaznamenat 160 MB dat (74 minut záznamu, ztrátový formát ATRAC, popř. více než 5 hodin v režimu Long Play), popř. v datovém režimu 140 MB. Kromě toho firma Sony vytvořila i Hi-MD, neboli vysokokapacitní MiniDisc, který obsahuje tři magnetické vrstvy, ovšem šířka stopy je oproti původnímu MiniDiscu šestinová (záznam je prováděn paralelně do všech tří vrstev). Díky tomu bylo možné dosáhnout kapacity jednoho gigabytu.

Obrázek 16: Struktura MiniDiscu (a vlastně i dalších MO médií)

8. Literatura a odkazy na Internetu

1. MO Forum Asia,
   http://www.mo-forum-asia.com/
2. What is a MO?,
   http://www.mo-forum-asia.com/english/MO/what­smo.html
3. Principle of MO / PD disk -No.1-,
   http://www.mo-forum-asia.com/english/MO/tjm­oto1.htm
4. Principle of MO / PD disk -No.2-,
   http://www.mo-forum-asia.com/english/MO/tjm­oto2.html
5. Why are MO disks so reliable?,
   http://www.mo-forum-asia.com/english/MO/re­liable.html
6. Optical Storage Technology Association,
   http://www.os­ta.org/
7. Minidisc Frequently Asked Questions,
   http://www.mi­nidisc.org/mi­nidisc_faq.html
8. Magneto-Optical Storage Systems,
   http://www.us­byte.com/common/MO­systems.htm
9. Wikipedia: Magneto-optical drive,
   http://en.wiki­pedia.org/wiki/Mag­neto-optical
10. Wikipedia: MiniDisc,
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/Mi­niDisc
11. Wikipedia: Curie point,
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/Cu­rie_point
12. Wikipedia: Magneto-optic Kerr effect,
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/Mag­neto-optic_Kerr_effect
13. Wikipedia: Curieův bod,
    http://elektri­ka.cz/termino­log/eterminolog2de­finition.2008–02–04.1652216148

Obrázek 17: Přehrávač MiniDisců

9. Obsah následující části

V další části seriálu pojednávajícího o architekturách počítačů se budeme zabývat převážně optickými paměťmi určenými pro trvalé uchování informací, u nichž je jak záznam, tak i čtení dat prováděno pomocí laserového paprsku o vhodné intenzitě a vlnové délce. Popíšeme si strukturu a funkci lisovaných i vypalovaných kompaktních disků (CD, CD-R), přepisovatelných kompaktních disků (CD-RW), u kterých se zápis provádí změnou struktury látky záznamového média, lisovaných i vypalovaných médií DVD a disků typu Blue Ray. Nezapomeneme ani na takzvané laser disky, které sice nesloužily pro úschovu binárních dat, ale byly v minulosti využity například v některých herních automatech pro přehrávání video sekvencí.

Obrázek 18: Laser Disc