То, что информация на обычных оптических DVD не долговечна все наверное не раз убеждались сами. Не говоря уже о том, что в процессе использования диск царапается и перестает читаться, даже записанный и убранный в коробку диск тоже не пролежит долго.
Почему так происходит c DVD и CD и что это за "вечный диск"?
Для понимания причин и механизмов ухудшения качества дисков и предотвращения потери информации целесообразно рассмотреть следующие вопросы: строение и состав CD- и DVD-дисков, прогнозируемый срок службы дисков, факторы, оказывающие влияние на оптические диски.
Слои, в состав которых входит органический краситель (диски R) или фазоинверсные вещества (диски RW), содержат данные, и поток света при прохождении через информационный слой либо пропускается, либо блокируется. Отражение пучка света от красителя, металлической пленки или от "питов" (прессованных точек на дисках ROM) преобразуется в нули и единицы во время чтения диска лазером.
Многие факторы определяют срок службы оптических дисков (некоторые из них зависят от пользователя, другие не поддаются контролю и управлению, так как обусловлены естественными причинами):
- тип диска;
- качество изготовления;
- условия хранения диска перед записью информации;
- условия обращения и меры профилактики;
- окружающие условия.
В каждом из трех основных типов дисков - ROM, R и RW (RAM) — для создания информационного слоя используются: алюминий, органический краситель или пленка из фазоинверсного материала. Разрушение этих материалов является основной причиной порчи диска.
Условия окружающей среды гораздо быстрее приводят к разрушению именно информационного слоя диска, нежели прозрачной поликарбонатной подложки, на которой в настоящее время изготавливаются почти все оптические диски. Поликарбонатная подложка может разрушаться главным образом из-за небрежного обращения с диском, ведущего к ее физическому повреждению. Если длительное время диск держать не вертикально, а под углом или под каким-либо грузом, то его поверхность может искривиться. Но поскольку уже при разрушении информационного слоя диск становится непригодным для использования, то и в оценках долговечности и сохраняемости дисков относительная скорость разрушения поликарбонатного слоя не учитывается.
Какова продолжительность срока службы оптического диска?
Для большинства пользователей понятие "срок службы диска" означает время, в течение которого диск находится в состоянии, пригодном для работы. Однако в это время накапливаются факторы, приводящие к деструкции (необратимой порче) материалов, из которых состоит диск. Какой тип деструкции и какая ее степень являются допустимыми? Что касается CD- и DVD-дисков, то пользователь не замечает деструкцию на ранней стадии ее возникновения, так как система коррекции ошибок, встроенная в оборудование, позволяет исправлять часть этих ошибок (отказов), возникающих из-за химического или физического разрушения компонентов диска. Пользователь обращает внимание на возникшую проблему только в тот момент, когда эффективность коррекции оказывается недостаточной для того, чтобы исправлять все возникающие ошибки.
Один из способов определения срока службы диска основывается на подсчете количества ошибок и оценке механизма их исправления. С повышением этого количества возрастает опасность деструкции, но определить то количество, которое безусловно вызовет проблемы при использовании диска, оказывается сложно, так как это зависит от объема исправленных ошибок, а также от их распределения внутри массива записанных данных. Изготовители дисков используют эту информацию для определения долговечности носителей информации.
Оценку долговечности проводят на базе ускоренных моделей старения образцов (повышенная температура, высокая влажность, облучение и т.п.), позволяющих прогнозировать срок службы какого-либо материала или композиции в обычных условиях эксплуатации. Анализ данных, полученных при ускоренном старении дисков, показывает, что информация на CD-R-дисках может храниться до 217 лет. При оценке действия лишь одного фактора можно утверждать, что 95% дисков CD-R могут сохраняться в течение 12 тысяч лет и даже дольше!
Теория и практика зачастую расходятся
Некоторые фирмы-изготовители, проводящие подобные испытания, заявляют, что при соблюдении рекомендуемых условий хранения диски типа CD-R, DVD-R и DVD+R имеют "срок жизни" от 100 до 200 лет и более, диски типа CD-RW, DVD-RW, DVD+RW и DVD-RAM могут гарантированно эксплуатироваться не менее 25 лет. Сроки, в течение которых CD-диски с однократной записью могут храниться и использоваться, варьируются от 20 до 100 лет. Для дисков DVD-R и DVD+R установлен еще более широкий диапазон: от 20 до 250 лет. Проведенные испытания действительно дают основание утверждать, что красители (фталоцианин и азотные соединения), обладающие повышенной устойчивостью к разрушающему действию солнечных лучей и ионизирующего излучения, должны сохранять свои свойства в течение 100 лет и более.
Изготовители CD-R предлагают такие данные о предельном сроке годности дисков: "100-years archival life" (100-летний срок архивирования), "guaranteed archival lifespan of more than 100 years" (гарантированная продолжительность архивного хранения более 100 лет) или "one million read cycles" (один миллион циклов чтения). Однако исследования голландского компьютерного журнала PC Active показали, что некоторые диски CD-R перестают читаться уже через два года. В испытательной лаборатории журнала в 2001 г. была записана тестовая информация на дисках CD-R тридцати компаний-изготовителей, а затем в августе 2003 г. проверена читаемость этих дисков. Примерно у 10% дисков возникли проблемы из-за старения (т.е. выцветшего красящего слоя), но при этом неизвестно, в каких условиях хранили диски.
Аналогичные результаты получены компанией Vogon International, которая занимается восстановлением данных с дисков CD-R: ошибки, связанные с деструкцией красящего слоя, отмечались в том числе на дисках, находящихся в использовании всего лишь полгода. Таким образом, приходится констатировать, что заявления изготовителей о сроке хранения в 100 лет на практике не подтверждаются.
На сохранности дисков CD-R отрицательно сказываются: прямой солнечный свет, влажность и повреждение поверхности (царапины), поэтому сразу после использования их необходимо убирать в непрозрачный пакет или коробку.
Большинство испытаний по оценке долговечности оптических дисков проводилось на образцах записываемых дисков (CD-R, DVD-R, DVD+R). Такие испытания, как правило, проводятся изготовителем, и в зависимости от используемого металла и типа красителя дискам присваивается определенная категория. В указанных дисках для изготовления отражающего слоя применяется золото, серебро или сплав серебра, а не алюминий, как в ROM-дисках. Золото не поддается коррозии, но это слишком дорогой материал. Серебро обладает большей отражательной способностью, чем золото, но подвержено коррозии при действии диоксида серы, проникающего с влагой из окружающей среды в диск. Чтобы минимизировать коррозию серебра, изготовители пытаются совершенствовать состав сплава. Было замечено, что скорость коррозионного поражения серебра диоксидом серы ниже скорости окисления алюминия, вызванного действием высокой влажности. Хранение дисков в чистой атмосфере может свести к минимуму или полностью исключить действие диоксида серы. При хранении в оптимальных условиях эти диски могут пережить ту технологию, по которой они были изготовлены.
На R-диски наносится слой органического красителя, на который в дальнейшем и записывается информация. Так как эти диски предназначены лишь для однократной записи, то при воспроизведении они не повреждаются CD- и DVD-приводами. Органические красители подвергаются естественной деструкции, но этот процесс протекает с относительно невысокой скоростью. Процесс деструкции ускоряется с повышением температуры и относительной влажности воздуха. Длительное воздействие ультрафиолетовых лучей также может привести к разложению красителя и невозможности считывания данных.
Кроме того, ускоренное разложение красителя может быть вызвано воздействием солнечного света или нахождением вблизи источников тепла. Изготовители утверждают, что срок хранения дисков CD-R и DVD-R перед записью равен 5-10 годам, однако на упаковках с такими дисками гарантийный срок хранения не указывается; отчеты по экспериментальным исследованиям отсутствуют, и нет возможности проверить правильность и объективность заявлений изготовителей. Целесообразно приобретать новые диски только в случае необходимости, а не закупать большие партии и хранить стопки дисков до того времени, когда они могут пригодиться для записи.
Диски CD-RW, DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM
Не все записываемые диски одинаковы. В перезаписываемых компакт-дисках (CD-RW) для записи данных используют металлические фазоинверсные материалы, а не светочувствительную краску, как в CD-R-дисках, поэтому проблемы деструкции и выцветания красящего слоя для них неактуальны.
Диски RW и RAM обычно не испытывают на долговечность и надежность, поэтому нет точных данных о сроке их годности. В перезаписываемых дисках для записи данных используется тонкий слой фазоинверсного металлического сплава, а в качестве отражающего слоя — слой алюминия. Металлический сплав не обладает такой высокой стабильностью, как краситель в R-дисках, — он разрушается гораздо быстрее.
Тепло и ультрафиолетовые лучи — это два основных фактора, которые оказывают сильное влияние на долговечность пленки из фазоинверсного сплава и могут значительно ускорить процесс разрушения информационного слоя, как это происходит с R-дисками. Но на настоящий момент нет четких и точных сведений о влиянии условий хранения на диски RW и RAM.
Данные, записанные на слое фазоинверсного металлического сплава, можно стереть, а затем снова записать (утверждается, что количество циклов перезаписи может достигать 1000 для RW-дисков и 100 тыс. — для RAM-дисков). Однако каждая перезапись влечет за собой сокращение срока последующего хранения диска; носитель, на котором произведена первичная запись, будет храниться дольше, чем тот, который подвергался нескольким последовательным перезаписям. Если за основу принять скорость старения в обычных условиях, то долговечность RW- или RAM-дисков будет ниже, чем R-дисков. Если же учесть возможность многократной перезаписи данных, то срок годности окажется еще меньше.
Срок хранения диска будет изменяться в зависимости от числа перезаписей информации, соответственно меняется и степень надежности хранения информации. Данные, записанные на диски RW и RAM, подвержены искажениям или порче в результате перезаписи. Информация на R-дисках находится в большей безопасности, так как ее нельзя изменить или перезаписать.
Так какой же предлагается выход для очень долгого хранения данных?
Производство российских информационных дисков из кварцевого стекла для коммерческого использования начнется к 2021 году, до этого их протестируют в библиотеках и архивах. Об этом рассказал в интервью ТАСС руководитель лаборатории лазерного наноструктурирования стекла (совместный проект Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева и Фонда перспективных исследований) Иван Глебов.
По его словам, такой диск сможет сохранить данные в течение 100 тысяч лет, выдержать огонь, воду и космическую радиацию. «Мы планируем запуск пилотных проектов совместно с Российской книжной палатой, Российской государственной библиотекой, некоторыми государственными архивами уже к 2019 году, а к 2021 планируются запуск опытно-промышленного производства для вывода «вечного диска» на коммерческий рынок», — рассказал он.
По словам Глебова, разработка принципа записи и считывания информации а также выбор записываемого материала начались в 2015 году в качестве одного из проектов Фонда перспективных исследований. Проект рассчитан на три года, в 2018 году начнутся опытно-конструкторские работы по созданию прототипа. Их итоги можно будет подвести еще примерно через год, когда стартуют пилотные проекты по переводу важных государственных данных на «вечные диски».
(a) Установка для записи информации состоит из фемтосекундного лазера, пространственного модулятора света (SLM), линз Фурье (FL), полуволновой фазовой пластинки (λ/2 M), дихроматического зеркала, иммерсионного объектива 1,2 NA, образца кварцевого стекла и платформы. (b) Цветовые коды матрицы с полуволновой фазовой пластинки, впечатанные в кварцевое стекло для контроля поляризации.
Как отметил собеседник агентства, основными пользователями «вечных дисков» будут архивы, музеи, библиотеки, госструктуры, армия, банки, предприятия госкорпораций, которым нужно хранить информацию особой важности — цифровые копии госдокументации, отчетности, библиотечные и музейные фонды. По мнению главы лаборатории, также «вечный диск» будет широко востребован IT-компаниями, использующими «холодное хранение» данных, подразумевающее редкое использование информации.
«Для «холодного хранения» данных многие IT-компании, например, Facebook, используют оптические диски (DVD/Blu-Ray). Это экономит стоимость хранения данных, которые могут остаться невостребованными, к примеру, миллионы фотографий без «лайков», ведь для поддержания архива на оптических дисках не нужно тратить энергию постоянно, их просто нужно раскрутить в нужный момент», — рассказал он.
«Вечные» стеклянные диски могут быть отличным решением для «холодного хранения» данных — «тонны» фотографий могут храниться в «вечной информационной мерзлоте», — пояснил Глебов. По его словам, при массовом производстве стоимость «вечного диска» будет соизмерима со стоимостью современных жестких дисков.
Еще в 2013 году учёным из университета Саутгемптона впервые в мире удалось успешно записать и считать информацию из пятимерного носителя (5D) в кварцевом стекле.
В силу своей прочности и химической инертности кварцевое стекло — уникальный носитель информации. Диск из кварцевого стекла потенциально может вместить до 360 терабайт информации, при этом выдерживает температуру до 1000°C и имеет практически неограниченный срок хранения.
В «кристаллах памяти» из плавленого кварца информация записывается в пяти измерениях: координаты в 3D-пространстве, ориентация и размер. Два последних параметра контролируются с помощью поляризации и интенсивности лазерного луча.
Во время эксперимента в кристалл был успешно записан текстовый файл объемом 300 килобайт. Файл записан с помощью фемтосекундного лазера с длиной волны 1030 нм, импульсами по 8 микроджоулей продолжительностью 280 фемтосекунд с частотой 200 кГц, с помощью выжигания в кристалле точек, слоями на расстоянии 5 мкм друг от друга (1 микрометр — одна миллионная метра) на глубине 140 мкм от поверхности кварцевого стекла.
Для демонстрации технологии запись была осуществлена двумя разными способами: 1 бит в точке, на иллюстрации — (b) справа, и 4 бита в точке, на иллюстрации (b) слева.
Использование пространственного модулятора света и полуволновой фазовой пластинки позволяет избавиться от подвижных компонентов в записывающей установке.
Выжженные точки меняют оптические характеристики кристалла и поляризацию проходящего через него света, что можно обнаружить с помощью оптического микроскопа и поляризатора. Именно такая комбинация приборов используется для считывания информации. Во время эксперимента использовался оптический микроскоп Olympus BX51 с системой измерения двойного лучепреломления
Медленная, но долговечная память нового типа может найти применение для резервного копирования информации. Особенно в компаниях, которые способны купить фемтосекундный лазер за $100 тыс.
Научная работа “5D Data Storage by Ultrafast Laser Nanostructuring in Glass” (pdf) представлена на конференции по лазерам и оптоэлектронике (CLEO’13) в Сан-Хосе.
Оценили 18 человек
18 кармы