CHƯƠNG 3

CÔNG NGHỆ BỘ NHỚ QUANG

Phần 1: Lý Thuyết Thiết Kế Bộ Nhớ Quang

1. Đĩa Quang (optical disc ):

1.1 Khái niệm:

 Đĩa quang là thuật ngữ dùng để chỉ chung các loại đĩa mà dữ liệu được ghi/đọc bằng tia ánh sáng hội tụ.

 Đĩa quang là dạng lưu trữ dữ liệu không mất dữ liệu khi ngừng cung cấp điện (non-volatile).

1.2 Nguyên lý lưu trữ dữ liệu:

 Đĩa quang sử dụng các tính chất quang học để lưu trữ dữ liệu.

 Track là những vòng tròn (hở) đồng tâm nhau trên mặt làm việc của đĩa quang. Các track được nối liền nhau thành một đường xoắn trôn ốc. Còn Sector là những khoảng chứa dữ lệu nhỏ trên track.

 Trên đĩa quang có các rãnh theo hình xoắn trôn ốc từ trong ra ngoài chứa các chấm sáng và tối

 Tia ánh sáng đọc các chấm và chuyển sang tín hiệu nhị phân.

1.3 Cấu tạo và thông số:

 Cấu tạo:

Đĩa quang gồm có:

 Lớp nhãn đĩa (chỉ có ở loại đĩa quang một mặt)

 Lớp phủ chống xước (chỉ có ở loại đĩa quang một mặt).

 Lớp bảo vệ tia tử ngoại.

 Lớp chứa dữ liệu.

 Lớp polycarbonat trong suốt (phía bề mặt làm việc)

 Kích thước:

Từng loại đĩa quang khác nhau thì chúng có kích thước khác nhau và được chia thành các loại chính:

 Đĩa lade có kích thước lớn nhất: đường kính ngoài đến 300 mm.

 Đĩa CD/DVD có cùng kích thước: đường kính ngoài đên 120 mm.

 Một số loại đĩa quang có hình dáng thiết kế mỹ thuật: hình dáng bên ngoài có thể gần giống hình tròn (đảm bảo chống rung lệch khi đọc đĩa) như quả bóng, trái tim...

1.4 Phân loại:

 Về dạng thức dữ liệu tồn tại: Đĩa quang thường được chia thành các loại sau:

 Đĩa đã ghi dữ liệu: Loại này người sử dụng không thể ghi thêm dữ liệu vào được (trừ một số trường hợp đặc biệt).

 Đĩa chưa ghi dữ liệu - Loại ghi một lần: Chỉ cho phép người sử dụng ghi dữ liệu lần đầu Loại đĩa này thường có ký hiệu "R"

 Đĩa chưa ghi dữ liệu - Loại ghi nhiều lần: Cho phép người sử dụng có thể ghi dữ liệu và sau đó có thể xoá đi để ghi lại dữ liệu khác (hoàn toàn khác nội dung trước đó). Loại này thường có ký hiệu: "RW"

 Với dạng thức: Số mặt chứa dữ liệu, đĩa quang có hai dạng sau:

 Đĩa chỉ có một mặt chứa dữ liệu: Là loại đĩa thông dụng nhất: Dữ liệu chỉ chứa trên một mặt của đĩa, mặt còn lại thường là nhãn đĩa và các lớp bảo vệ.

 Đĩa có cả hai mặt chứa dữ liệu: Cả hai mặt đĩa đều được ghi dữ liệu do đó loại đĩa này thường không có lớp nhãn đĩa hoặc các lớp bảo vệ phần dữ liệu. Người sử dụng có thể lật mặt đĩa để đọc dữ liệu tại mặt còn lại. Dung lượng đĩa hai mặt lớn nhất (tất nhiên) gấp đôi đĩa một mặt.

1.5 Ghi dữ liệu:

 Trong công nghiệp:

 Ghi theo một quy trình sản xuất từng lớp đĩa riêng biệt theo dạng tạo khuôn mẫu, do đó các đĩa ghi công nghiệp thường bền hơn. Để phân biệt, sự dễ nhận thấy nhất là các đĩa quang ghi trong công nghiệp có bề mặt làm việc màu ánh kim (trắng).

 Các đĩa quang ghi công nghiệp thường thực hiện với số lượng lớn, khi đó chúng có giá thành/chiếc thấp hơn so với các đĩa được ghi do người sử dụng

 Ghi đĩa ở người sử dụng

 Với loại đĩa quang ghi một lần: Tia lade sẽ đốt lớp màu này tại từng điểm khác nhau (theo yêu cầu ghi dữ liệu) để tạo thành các điểm tối, các điểm còn lại không được đốt là các điểm sáng.

 Với loại đĩa quang ghi lại nhiều lần: Lớp chứa dữ liệu là lớp kim loại có thể chuyển biến trạng thái: trạng thái tinh thể và trạng thái vô định hình. Khi ghi dữ liệu vào loại đĩa này, ổ đĩa quang cần thực hiện hai công đoạn: dùng tia lade để xoá dữ liệu và ghi dữ liệu mới.

2. Đĩa CD (Compact Disc ):

2.1 Giới thiệu:

 Đĩa CD chúng thường được chế tạo bằng chất dẻo, đường kính 4,75 inch

 Dùng phương pháp ghi quang học để lưu trữ khoảng 80 phút âm thanh hoặc 700 MB dữ liệu

2.2 Cấu Tạo & Thông Số Đĩa CD:

Đĩa được làm bằng chất liệu polycarbonate. Đĩa có cấu tạo với các kích thước như sau:

 Dung lượng của CD là 650MB (hoặc 700MB, có thể dùng phần mềm tăng lên 712MB).

 Đường kính đĩa là 120mm (cũng có dạng đường kính 80mm và dung lượng 180MB), đường kính lỗ tròn nhỏ phía trong là 15mm.

 Vùng trong cùng của đĩa không chứa dữ liệu, dữ liệu bắt đầu được ghi ở vị trí bán kính 23mm và kết thúc ở đường kính vòng ngoài là 117mm.

 Vùng bán kính từ 23mm đến 25mm gọi là vùng lead-in.

 Vùng đường kính từ 116-117mm là vùng lead-out, vùng này chứa mã đặc biệt cho biết hết vùng chứa dữ liệu trên CD.

 Các pit được phủ một lớp kim loại

(nhôm, bạc, vàng) dày từ 50-100nm.

Lớp nhãn được phủ lụa ở mặt trên

cùng của đĩa (mặt không ghi).

 Để ghi dữ liệu, người ta dùng tia laser đỏ có bước sóng 780nm.

 Tia laser phải đi qua 2 môi trường: không khí và nhựa trong (polycarbonate).

 Số liệu được khắc trên các pit và land dưới dạng nhị phân, nên khi tia laser chiếu vào, một cảm biến sẽ nhận diện tia phản chiếu từ bề mặt lõm sang lồi và ngược lại.

 Hầu hết tất cả các đĩa CD đều làm việc cùng với một thông số như nhau (chỉ ngoại trừ trường hợp miniCD có kích thước khác biệt một chút hoặc với một số định dạng cá biệt khác).

 Đĩa CD sử dụng công nghệ quang học để đọc và ghi dữ liệu.

 Thông số hai loại đĩa CD thông dụng:

2.3 Tổ Chức Dữ Liệu Trên CD:

CD tổ chức dữ liệu theo sector. Ở CD-ROM đọc trung bình khoảng 75 sector/giây. Cấu trúc mỗi sector của CD chia làm 3 loại.

 Mode 1

 Mode 2 Form 1

 Mode 2 Form 2

Chính vì vậy, tùy thuộc vào mode của cấu trúc sector mà dung lượng MB tối đa của mỗi đĩa CD khác nhau (ví dụ đĩa CD-ROM Mode 2 Form 2 có dung lượng nhiều hơn đĩa Mode 1).

 Mode 1 và Mode 2 Form 1 gần giống nhau về dung lượng và cơ chế sửa lỗi.

 Mode 2 Form 2 không có cơ chế sửa lỗi nhưng tăng được dung lượng (2324B thay vì 2048B) nên thích hợp để ghi dữ liệu audio và video.

 Mỗi sector trong Mode 1 chứa 2048B nên tổng dung lượng đĩa CD-ROM đạt 656MB. Trong Mode 2, mỗi sector chứa 2048B (Form1) hoặc 2324B (Form2) nên có dung lượng lớn hơn.

2.4 Các Định Dạng Đĩa CD:

 Có nhiều định dạng CD như Audio CD, CD - ROM, CDR, CD - RW ... Tuy nhiên nhìn chung về cơ bản chúng đều giống nhau về kích thước, cấu tạo, nguyên tắc hoạt động.

 Một số loại CD thường gặp:

3. DVD:

 Đĩa DVD (còn được gọi là "Digital Versatile Disc" hoặc "Digital Video Disc") là một định dạng lưu trữ đĩa quang phổ biến. Công dụng chính của nó là lưu trữ video và lưu trữ dữ liệu.

 Sự khác nhau về thuật ngữ DVD thường được mô tả phương pháp dữ liệu được lưu trư trễn đĩa: DVD-ROM có dữ liệu chỉ có thể đọc mà ko thể ghi, DVD-R và DVD+R có thể ghi một lần và sau đó có chức năng như DVD-ROM, và DVD-RAM, DVD-RW, or DVD+RW chứa dữ liệu có thể xóa và ghi lại nhiều lần.

 DVD-Video và DVD-Audio được dùng để nói đến hai định dạng khác hẳn nhau, một bên là cấu trúc video và một bên là nội dung audio. Các dạng đĩa DVD khác, bao gồm nội dung video, có thể được hiểu như là đĩa DVD-Data. Khái niệm "DVD" thường được sử dụng sai để chỉ các định dạng đĩa quang độ nét cao, như Blu-ray và HD-DVD.

3.1. Cấu tạo của DVD:

 Đĩa DVD thì có hình dáng không khác so với đĩa CD, phiên bản bình thường của chúng thì cũng có đường kính 120 mm, lỗ tâm đường kính 15 mm và có độ dày 1,2 mm.

 Tuy nhiên so với đĩa CD thì đĩa DVD có mật độ xít chặt hơn hẳn để có thể chứa được nhiều dữ liệu hơn (4,7 GB so với 700 MB dung lượng của đĩa CD). Chính vì thế mà về cơ bản thì tính chất kỹ thuật của đĩa DVD gần giống như của đĩa CD, nhưng với một mức độ tiên tiến hơn, sử dụng hiệu quả khoảng không gian giữa các track.

3.3.Cấu trúc hai lớp của DVD:

Giống như CD, DVD có 3 vùng: lead-in, vùng chứa dữ liệu, lead-out và đi từ trong ra ngoài. Nhưng với đĩa DVD có 2 lớp và cấu trúc phân vùng có khác.

1. Cấu trúc song song : layer 0 và layer 1 đều có vùng lead-in trong cùng, vùng dữ liệu ở giữa và vùng lead-out ngoài cùng

2. Cấu trúc ngược chiều: layer 0 bắt đầu ở vùng trong cùng của đĩa và layer 1 bắt đầu ở điểm nối tiếp layer 0.

Cấu trúc này chỉ có 1 vùng lead-in (trên layer 0) và lead-out (trên layer 1) và có 2 vùng giữa. DVD-Video sử dụng cấu trúc này nhằm tránh việc chuyển từ layer này sang layer kia làm phim bị đứng hình (thường dùng trong định dạng DVD-9 và DVD+R DL).

3.4. Cấu trúc tập tin

 Tập tin chứa trên DVD cũng dựa trên cấu trúc sector như CD. Mỗi sector chứa 2048B cộng thêm 12B dữ liệu đầu vào. Cứ một chuỗi 16 sector liên tục sẽ được dùng cơ chế nhận diện lỗi RSPC (Reed Solomon Product Code).

 Cấu trúc tập tin có 3 vùng căn bản: lead-in, vùng dữ liệu chính và lead-out, cấu trúc sector của 3 vùng này cũng giống nhau. Vùng lead-in chứa các thông tin về đĩa gồm 3 loại: loại đĩa (trừ đĩa DVD-RAM không có vùng thông tin này), cấu trúc đĩa, và sector header gồm thông tin của cấu trúc đĩa và thêm thông tin về tỉ lệ phản chiếu. Do đó, các đầu đọc DVD hiện thời dễ dàng đọc được 2 loại định dạng DVD-R/RW và DVD+R/RW. Nếu đầu đọc của bạn không hỗ trợ một trong 2 định dạng trên, bạn nên cập nhật lại firmware hay cần dùng một tiện ích nào đó (tùy vào nhà sản xuất ổ đĩa, định dạng DVD-RAM hiện có ít ổ đĩa hỗ trợ).

3.5. Khả năng lưu trữ

Ban đầu có 4 loại DVD:

 DVD-5: có một mặt và một lớp lưu thông tin, khả năng lưu trữ là 4.7 gigabyte

 DVD-9: có một mặt và hai lớp lưu thông tin, khả năng lưu trữ là 8.5 gigabyte

 DVD-10: có hai mặt và mỗi mặt có một lớp lưu trữ thông tin (phải lật đĩa DVD lại để xem mặt thứ hai), khả năng lưu trữ là 9.4 gigabyte

 DVD-18: có hai mặt và hai lớp lưu thông tin mỗi mặt, khả năng lưu trữ là 17 gigabyte

 Hiện tại, những đĩa DVD trên thị trường (đĩa phim, ca nhạc...) thương là loại DVD-9 bởi chúng cho một chất lượng âm thanh và hình ảnh cao hơn loại DVD-5.

3.6. Công nghệ ghi dữ liệu lớp kép

 Ghi dữ liệu lớp kép cho phép đĩa DVD-R và DVD+R lưu trữ được nhiều dữ liệu hơn, gần 8.5 Gigabyte mỗi mặt, so với 4.7 gigabyte đối với một đĩa đơn lớp. DVD-R lớp kép được phát triển cho Diễn đàn DVD bởi tập đoàn Pioneer, DVD+R lớp kép được phá triển cho khối liên minh DVD+RW bởi Philips và Mitsubishi Kagaku Media (MKM).

 Một đĩa lớp kép khác với những đĩa DVD lớp đơn ở điểm là thêm một lớp vật lý vào trong đĩa. Ổ đĩa lớp kép truy xuất đến lớp thứ hai bằg cách chiếu tia laser xuyên qua lớp thứ nhất một nửa trong suốt. Sự thay đổi cơ học giữa các lớp có thể làm cho các đầu đọc DVD có một khoảng dừng, dài khoảng 2 giây. Điều này làm người xem lo lắng rằng đĩa lớp kép của họ có thể bị hư hoặc có thiếu xót, và kết quả cuối cùng là các hãng sản xuất phải lên tiếng rằng việc có khỏang dừng đó là kết quả tất yếu trên tất cả các gói đĩa lớp kép.

3.8. Các loại định dạng của đĩa DVD

 Đĩa DVD recordable và rewritable

HP đầu tiên phát triển định dạng DVD có thể ghi (DVD recordable) từ yêu cầu của việc lưu dữ liệu để lưu trữ và vận chuyển.

DVD recordable còn được sử dụng cho khách hàng trong việc lưu trữ nhạc và phim. Ba định dạng được phát triển: DVD-R/RW (minus/dash), DVD+R/RW (plus), DVD-RAM.

 DVD-Video

DVD-Video là một tiêu chuẩn để lưu trữ nội dung video. Ở Mỹ, số đĩa DVD-Video bán ra hàng tuần đã vượt xa số băng cassette VHS bán ra tháng 6 năm 2003, cho thấy sự chấp nhận đông đảo bởi thị trường.

 DVD-Audio

DVD-Audio là một định dạng âm thanh độ trung thực cao lưu trữ trên DVD. Nó cho phép lưu trữ nhiều cấu hình kênh khác nhau ( từ mono sound cho đến hệ thống âm thanh 7.1) với nhiều tần số lấy mẫu khác nhau ( cho đến 24-bits/192kHz đối với CDDAs 16-bits/44.1kHz).

3.8. Các loại định dạng của đĩa DVD

 Đĩa DVD recordable và rewritable

HP đầu tiên phát triển định dạng DVD có thể ghi (DVD recordable) từ yêu cầu của việc lưu dữ liệu để lưu trữ và vận chuyển.

DVD recordable còn được sử dụng cho khách hàng trong việc lưu trữ nhạc và phim. Ba định dạng được phát triển: DVD-R/RW (minus/dash), DVD+R/RW (plus), DVD-RAM.

 DVD-Video

DVD-Video là một tiêu chuẩn để lưu trữ nội dung video. Ở Mỹ, số đĩa DVD-Video bán ra hàng tuần đã vượt xa số băng cassette VHS bán ra tháng 6 năm 2003, cho thấy sự chấp nhận đông đảo bởi thị trường.

 DVD-Audio

DVD-Audio là một định dạng âm thanh độ trung thực cao lưu trữ trên DVD. Nó cho phép lưu trữ nhiều cấu hình kênh khác nhau ( từ mono sound cho đến hệ thống âm thanh 7.1) với nhiều tần số lấy mẫu khác nhau ( cho đến 24-bits/192kHz đối với CDDAs 16-bits/44.1kHz).

4.Blu-Ray

 Là 1 chuẩn DVD, tiếp theo chuẩn DVD +RW

 Có công suất lưu trữ lớn khi nội dung có độ phân giải cao

 Chuẩn này do các nhà chế tạo như Sony, Matsushita công bố và thống nhất.

 Thay vì dùng tia laser đỏ như các chuẩn khác thì công nghệ Blu-Ray dùng tia laser xanh

II.Các công nghệ nổi trội

1. Công nghệ mới phát triển bộ nhớ quang thế hệ thứ 4.

-các nhà vật lý ở Anh đã tạo ra phần tử nhớ mang tính đột phá = cách sử dụng các hạt nano đơn giản.

-công nghệ lưu trữ hiện nay dựa trên nguyên lý các hệ lưu trữ nhị phân trong khi công nghệ này sử dụng sự thay đổi pha để lưu trữ

2. Bộ nhớ quang- từ nanolaser

-linh kiện nanolaser cho phép hội tụ 1 chùm ánh sáng với công suất 200nw vào 1 điểm nhỏ có đường kính chưa đầy 35 nm. Nó đồng nghĩa với việc bộ nhớ quang với mật độ lưu trữ 1Tbit/inch2 đã trở thành hiện thực

-nanolaser bằng cách lắng đọng một lớp màng mỏng kim loại vào rìa phát quang của một điốt laser

3. PMC: Công nghệ thay thế bộ nhớ flash trong tương lai

-Công nghệ bộ nhớ mới này được gọi là PMC (Programmable Metallization Cell), được phát triển nhằm mở rộng giới hạn vật lý của công nghệ lưu trữ hiện tại