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Optische Speicherplatten
Bis vor wenigen Jahren waren mangnetomotorische Speicher
"die" Massenspeicher der DVS. Inzwischen etablieren sich optische Speicher als Massenspeicher mit sehr hoher Speicherkapazität. Das Besondere an den neuen Speicherverfahren ist der Einsatz von Lasern, die ein kohärentes Licht erzeugen (nur eine Frequenz, gleiche Phasenlage). Sie lassen eine, gegenüber Magnetplatten, wesentlich höhere Schreibdichte zu. Eine optische Platte mit 5,25 Zoll Durchmesser kann bis zu 600 MByte speichern. Auch die Sicherheit der optischen Platte ist höher, als bei Magnetplatten. Die zur Speicherung verwendete Plattenoberfläche ist durch eine transparente Kunststoffschicht geschützt und die Abtastung erfolgt berührungslos. Die Steuerung des Lese- und Schreibkopfes erfolgt prinzipiell wie bei der Magnetplatte. Auch hier ist der Kopf auf einen beweglichen Arm montiert, der radial verschiebbar ist. Arbeitsprinzip:  Die optische Platte dreht sich mit einer konstanten Umdrehungsgeschwindigkeit (z.B. 150 U/min). Mit dem Laserstrahl wird über ein Fokussierungs- und Spurnachführungssystem die ca. 300 Angström dicke Speicherfläche der Platte abgetastet. Der reflektierte Strahl wird in einem halbdurchlässigen Spiegel geteilt. Er trifft einmal auf eine geteilte Photodiode, den Spurfehlerdetektor, der die Nachführung des Stahls auf der Spur regelt. Das durch den Spiegel abgelenkte Strahlenbündel gelangt auf den kombinierten Fokus- und Lesedetektor. Auch dieser Detektor besteht aus einer
geteilten Photodiode. Die Stromdifferenz steuert die
Fokussierungseinrichtung und die Summe der Ströme bildet die
Dateninformation. Der Lesekopf wird
zunächst sehr schnell auf etwa 10 Spuren genau an das Ziel
herangeführt. Danach erfolgt das Anfahren der richtigen Spur
mittels des optischen Regelsystems auf 0.1 µ genau. Die
Positionierzeit beträgt etwa 100 ms. Je nach Typ der Platte
unterscheiden sich die einzelnen Systeme ein wenig. Es gibt derzeit
folgende Typen von optischen Speicherplatten:
CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory)
Diese Platte ist ähnlich aufgebaut, wie die Musik-CD. Die Datenspeicherung
erfolgt während der Herstellung der Platte und die Daten können nur
gelesen werden (Analogie: ROM). Im Gegensatz zu Magnetplatten erfolgt die
Aufzeichnung - wie bei einer Schallplatte - in einer einzigen,
spiralförmigen Spur. In diese vorgeprägte, reflektierende Schicht werden bei
der Herstellung der Masterplatte mit einem Laser Löcher (pits) eingebrannt. Von
der Masterplatte lassen sich dann beliebig viele Kopien herstellen.
Die Kopie wird vom Laserstrahl abgetastet, der durch die unterschiedliche
Stuktur der Speicherfläche mit einer digitalen
Information moduliert wird. Die Spurdichte beträgt bis zu
16'000 Spuren/Zoll. Als Aufzeichnungsstandard hat sich das
Format ISO 9660 durchgesetzt (Transferrate: 1,2 MBit/s,
Kapazität: ca. 600 MByte). Die CD-ROM dient haupsächlich der
Verbreitung größerer Datenmengen und jüngst als Photo-CD.
WORM (Write Once Read Many) als Vorgänger der CD-R
WORM-Platten lassen sich vom Anwender beschreiben, jedoch nur
einmal (Analogie: PROM). Bei 5+-Zoll-Platten sind Speicherkapazitäten bis
1 GigaByte (Transferrate 1,5 MByte/s) möglich. Die
WORM kann zur Archivierung von Daten aller Art verwendet werden
(Backup-Medium). Die Platte arbeitet wie ein Magnetplattenlaufwerk und
kann genauso angesprochen werden, die Treibersoftware
sorgt dafür, daß bei mehrfacher Speicherung einer Datei immer
die jüngste Version angesprochen wird (ältere Versionen lassen
sich über spezielle Programme lesen) --> Speicherung einer
Dateichronologie. Beim Schreiben wird durch hohe Laserenergie
die Plattenstruktur dauerhaft verändert. Beim Lesen wird diese
Veränderung mit niedriger Laserenergie abgetastet und detektiert.
Man unterscheidet zwei Speichertechniken:
- Bei der Blasenerzeugung wird durch den Laserstrahl eine
Polymerschicht erhitzt, die unter einem dünnen Metallfilm
liegt. Es kommt zur Bildung einer Blase, die den Metallfilm
dauerhaft verformt. Bei der Abtastung mit geringer Laserenergie
kann die geänderte Streuung ausgewertet werden.
- Bei der Pit-Erzeugung durchbrennt der Laserstrahl eine
lichtundurchlässige Schicht, die über einer Reflexionsschicht
liegt (Pit entsteht). Beim Lesen werden die so
entstandenen Hell-Dunkel-Zonen ausgewertet.
Die beschreibbare CD - CD-R
Bei der CD-R ist der Aufbau komplexer als bei der CD-ROM. Untern liegt
die Trägerschicht aus Polycarbonat, darauf folgt eine lichtempfindliche
organische Substanz, die durchscheinend ist. Dann kommt eine reflektierende
Goldschicht und schließlich eine Lack-Schutzschicht. Mit erhöhter Laserenergie
kann das organische Material verfärbt bzw. verschmolzen werden und es erhält
so eine andere Reflexionseigenschaft. Die Platte kann danach wie
eine CD-ROM gelesen werden.
DVD - Digital versatile Disc
DVD steht für 'Digital Versatile Disk' (ehemals 'Digital Video
Disk'). Das Medium ist so groß wie eine normale CD-ROM, jedoch wird
mit einer wesentlich höheren Speicherdichte gearbeitet. Dabei
unterscheidet man vier verschiedene Medien. Die einfache
einseitige DVD kann 4,7 GB auf einer Schicht speichern. Es gibt
aber auch zweischichtige DVDs. Dabei wird die Information auf zwei
übereinanderliegenden Schichten gespeichert, eine davon ist
durchsichtig.
Durch unterschiedliche Fokussierung des Lasers wird
die richtige Schicht angesteuert. Damit sind 8,5 GB möglich. Und
dann gibt es das ganze noch zweiseitig. Damit sind 17 GB Daten auf
einer einzigen DVD möglich. Die ersten Laufwerke kommen jetzt
gerade auf den Markt und können einschichtige, einseitige DVDs
lesen. Leider gibt es im Moment noch wenig DVD-Titel mit Videos.
Die Videos werden in MPEG-2 kodiert, was eine sehr gute Qualität
bei der Wiedergabe ergibt. Auch die ersten Brenngeräte für
einseitige, einschichtige DVDs sind schon vorgestellt worden, der
Brenner von Pioneer war im Herbst 97 für etwas über 10000 Mark auf
den Markt gekommen. Aufgenommen wird mit ca. 1 - 2 MB/s, und
speichern kann er maximal 3,9 GB. Inzwischen sind die Preise auf dem
Niveau von CD_ROM-Laufwerken.
Die Lesegeräte können auch normale CDs lesen, jedoch meist keine
CD-Rs, also die beschreibbaren CDs. Dies kommt daher, daß ein
Laser mit einer kürzeren Wellenlänge verwendet wird, der die
selbstgebrannten CDs nicht mehr richtig lesen kann.
Die Zeit der DVD als "Nur-Lese-Medium" währte nur recht kurz. Seit der
Jahrtausendwende gibt es auch DVD-Brenner. Viele Konsumenten werden vom Kauf eines
DVD-Brenners allein deshalb abgehalten, weil sie nicht wissen,
welcher der von den Firmengruppen propagierte Standard sich
langfristig durchsetzen wird. Hier ein kleiner Überblick.
DVD+R, DVD+RW, DVD-R, DVD-RW und DVD-RAM und sind allesamt
Standards für widerbeschreibbare DVDs.
Die DVD-R ist ein einmal brennbarer Rohling für DVD, die
DVD-RW ist ein wiederbeschreibbares DVD-Medium (ähnlich
verwendbar wie die CD-RW). Diese Aufzeichnungsformate werden u. a.
von Panasonic und Pioneer propagiert. DVD-R Medien können von
vielen, aber nicht allen DVD-Laufwerken gelesen werden. Bei neuen
DVD-Laufwerken ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, nach
Marktumfragen bei etwa 95%. Anfängliche
Kompatibilitätsprobleme konnten inzwischen mit neuer
Brenn-Software behoben werden. Im Zweifelsfall hilft nur probieren.
DVD-R-Medien sind in DVD-R for Authoring: DVD-R(A) und
DVD-R for General: DVD-R(G) aufgeteilt. DVD-R(A)-Medien
werden bei der Produktion von DVD-Inhalten eingesetzt und dienen im
Presswerk als Vervielfältigungsvorlage. DVD-R(G)-Medien sind
für den privaten Gebrauch gedacht. Im Gegensatz zu
DVD-R(A)-Medien lassen sich mit DVD-R(G)-Rohlingen keine 1:1-Kopien
kopiergeschützter DVDs anfertigen. DVD-R(A) und DVD-R(G) sind
beide kompatibel mit DVD-ROM Laufwerken und DVD-Playern. Aufgrund
unterschiedlicher Wellenlängen des Schreiblasers (635 nm
für DVD-R(A) und 650 nm für DVD-R(G)) können die
Rohlinge nur in den entsprechenden Recordern beschrieben
werden.
Sowohl im Aufbau der Medien als auch in der
Struktur, wie die Daten auf die DVD gebrannt werden, können
auch DVD+R/DVD+RW-Medien von nahezu allen Geräten (ebenfalls
ca. 95%) verarbeitet werden. Das bedeutet, dass eine im Computer
hergestellte DVD+RW auf nahezu jedem DVD-Player oder auch auf
nahezu jedem Computer-DVD-ROM-Laufwerk abgespielt werden kann, nur
nicht auf einem DVD-R- bzw. DVD-RW-Laufwerk (und umgekehrt).
DVD+R (DVD+Recordable) ist als Bestandteil des
DVD+RW-Standards definiert. Die DVD+R Medien sind wesentlich
günstiger als DVD+RW Medien; der Anwender hat aber die
gleichen Möglichkeiten, die er mit einer DVD+RW hat, abgesehen
davon, dass sich das Medium nicht löschen lässt. DVD+R
Medien können in DVD+RW-Geräten beschrieben werden. Die
DVD+R hat die gleichen Charakteristika wie eine DVD+RW (abgesehen
von der Möglichkeit des Löschens und Neubeschreibens) wie
auch den gleichen Grad an Kompatibilität in bezug auf
DVD-Player und DVD-ROM-Laufwerken, die gleiche Kapazität (4.7
GB) und wird über die gleichen Programme beschrieben.
Das Phase-Change-Aufzeichnungsverfahren findet bei DVD-RW wie
auch DVD+RW Anwendung. Bei den Phase-Change-Medien besteht
die Aufzeichnungsschicht aus vier Lagen: einer unteren
dielektrischen Schicht, der Aufzeichnungsschicht (recording
layer/alloy), der oberen dielektrischen Schicht und aus der
Reflexionsschicht, welche meistens aus einer Aluminium- oder
Messing-Legierung oder Gold besteht.
Die Aufzeichnungsschicht wird mit einem Laserstrahl auf
ungefähr 200 Grad Celsius erhitzt. Dadurch ordnen sich die
Atome innerhalb der Metalllegierung kristallin an. Dieser Zustand
wird durch langsames Abkühlen beibehalten, wodurch dieser
Bereich einen hohen Reflexionsgrad besitzt. Er wird als "Land" oder
logische 0 interpretiert.
Durch Erhöhen der Leistungsstufe des Lasers erhitzt sich
das Material auf 500 bis 700 Grad Celsius und die Atome geraten in
einen amorphen, das heißt nichtkristallinen Zustand. Ein
starker Wärmeentzug durch die beiden dielektrischen Schichten
kühlt die Metallschicht schnell ab. Die Atome erstarren in
ihrem ungeordneten Zustand und reflektieren nun weniger Licht.
DVD-RAM verwendet eine vollständig andere
Speichertechnologie, die mit dem DVD-Standard in keiner Weise
vereinbar ist. Die einzige Ähnlichkeit, die das Medium
eventuell mit einer DVD besitzen könnte, ist seine
ähnliche Kapazität - mehr nicht. Kein auf dem Markt
befindlicher DVD-Player kann diese Medien lesen. DVD-RAM-Medien
sind in einem Caddy untergebracht - und auch wenn man Medien ohne
Caddy herstellen wird, so wird dies nicht von Erfolg gekrönt
sein. Die Laufwerke und Medien sind also nur zur Datenspeicherung
bzw. zum Datenaustausch von PC zu PC geeignet.
Aktuell werden CD-R und CD-RW von vielen Usern als preiswertes
Medium für das Speichern von Daten und Audio verwendet. Daran
wird sich auch die nächsten Jahre nicht viel ändern.
DVD+RW-Geräte werden von Personen verwendet, die große
Datenmengen sichern (PC-Anwender) oder aber auch für
Videoanwendungen (Heimelektronik/PC). Mittel- bis langfristig
werden wohl die DVD+RW-Geräte die CD-Brenner im Heim-PC
ablösen, da die DVD+RW-Geräte auch in der Lage sind,
CD-R- und auch CD-RW-Medien zu verarbeiten (nur schneller und
zuverlässiger). Für ganz vorsichtige Anwender gibt es
inzwischen Geräte, die alle erwähnten Formate
(außer DVD-RAM) verarbeiten können (z. B. von SONY), man
muss aber mit einem Mehrpreis von etwa 50% rechnen.
Magnetooptische Platte
Die magnetooptische Platten erlaubt - wie eine Magnetplatte -
Lesen und Schreiben. Die Speicherkapazität reicht bis 1 Giga-
Byte (Transferrate 1,5 MByte, mittl. Zugriffszeit ca. 100 ms).
Im Gegensatz zu CD-ROM und WORM wird hier die Information nicht
optisch, sondern magnetisch gespeichert. Das Lesen/Schreiben
der Information erfolgt jedoch durch den Laser. Auf der Platte
wird eine Terbium-Eisen-Kobalt-Legierung so aufgebracht, daß
die Vorzugsachse der Magnetisierung senkrecht zur Plattenoberfläche
steht.
Das magneotoptische Material hat bei Zimmertemperatur eine hohe
Koerzivität, bei hohen Temperaturen jedoch eine niedrige Koerzivität.
Deshalb kann ein kleiner Bereich der Platte, wenn er
durch den scharf fokussierten Laserstrahl erhitzt wird, durch
ein angelegtes Magnetfeld magnetisiert werden.
Zum Lesen wird der Kerr-Effekt genutzt. Danach dreht linear
polarisiertes Licht bei der Reflexion an einen magnetischen
Medium seine Polaritätsebene. Je nach Polung des Magnetfeldes
im oder gegen den Uhrzeigersinn. Beim Lesen arbeitet der Laser
mit verminderter Leistung, sodaß die Magnetisierung erhalten
bleibt.
Die Magnetschicht besteht aus einer Kombination von Terbium
(seltene Erden) und Eisen-Kobalt (Übergangsmetall). Die magnetischen
Momente der Terbium-Atome sind entgegengesetzt zu denen
der Übergangsmetall-Atome.
- Bei tiefen Temperaturen überwiegt die Magnetisierung der
Terbium-Atome.
- Bei einer bestimmten mittleren Temperatur (Kompensations-
Temperatur) beträgt die resultierene Magnetisierung null.
- Bei hohen Temperaturen überwiegt die Magnetisierung der
Übergangsmetalle.
- Bei noch höheren Temperaturen wird durch die thermische
Bewegung die Orientierung der magnetischen Momente ganz
aufgehoben (Neel-Temperatur).
Beim Schreiben wird durch den Laserstrahl eine Stelle der Platte
bis knapp unter die Neel-Temperatur aufgeheizt (geringe
Koerzitivität). Es reicht nun ein relativ schwaches Magnetfeld
aus, um die Magnetisierungsrichtung der Übergangsmetalle umzu-
kehren. Nahe der Kompensationstemperatur (Zimmertemperatur) ist
die Koerzivität hoch und die Information bleibt erhalten. Der
Bereich des Magnetfeldes kann also wesentlich größer sein als
die durch den Laser erhitzte Stelle. Es ergibt sich so eine höhere
Speicherdichte als bei der Magnetplatte.
Da es Schwierigkeiten macht, die Magnetisierung mit der für die
hohen Datenraten erforderlichen Geschwindigkeit umzukehren,
wird eine neu zu beschreibende Spur zunächst gelöscht (gleiche
Ausrichtung aller Bereiche) und bei der folgenden Umdrehung neu
beschrieben.
Inzwischen konnte gezeigt werden, daß auch in einem magnetooptischen
Material direktes Überschreiben möglich ist. Der Trick
besteht darin, das entmagnetisierende Feld (Terbium) der Beschichtung
groß genug zu machen (Koerzitivität bei hoher Temperatur hinreichend
niedrig). Die Magnetisierung eines Bereichs kehrt
sich immer dann um, wenn der Bereich aufgeheizt wird. Ein äußeres
Magnetfeld ist dann nicht mehr notwendig.
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DIENSTE
