a) Optische Speichermedien (CD-ROM, CD-RAM, DVD)

Nach dem großen Erfolg der Audio-CD Anfang der 80er Jahre wurde sehr bald klar, daß das große Speichervolumen der CD auch in der Computerindustrie von Nutzen sein kann. Im Jahre 1985 erfolgte die Spezifikation der CD-ROM. Leider entstand mit der Vielfalt ihrer Einsatzmöglichkeiten auch eine Unzahl an Standardisierungsnormen. So spricht man von CD-DA (Audio), CD-V (Video), CD-ROM, CD-ROM/XA (eXtended architecture), CD-I (Interactive), CD-WO (Write Once), CD-MO, CD+G, CD+Midi, Photo-CD, Movie-CD. Die Standardisierungspapiere tragen Namen wie 'Red Book', 'Yellow Book', 'Green Book', 'Orange Book' oder 'White Book', allgemein 'Rainbow Books' genannt. Sollten sich zukünftige Standards einer Technologie mit blauen, kurzwelligeren Lasern bedienen, kann man sich den Namen der zugehörigen Standardisierungsschrift sicher denken.

Technik

Die heutige CD hat sich wesentlich aus der Bildplattentechnologie, deren Informationen allerdings noch analog moduliert wurden, entwickelt. Erstmals wurde mit diesem Medium, welches Anfang der 70er Jahe von Phillips vorgestellt wurde, das berührungsfreie Auslesen der Daten mit einem Laserstrahl eingeführt. Der Laser trifft hierbei auf längliche Vertiefungen und Erhebungen auf der Plattenoberfläche, welche aus einer reflektierenden Aluminiumschicht besteht. Diese Vertiefungen (Lands) und Erhebungen (Pits) sind in Spuren ähnlich den Rillen auf einer Langspielplatte angeordnet. Diese Spuren verlaufen anders als bei der Vinylplatte jedoch von innen nach außen. Während CLV das Aufzeichnungsverfahren bei der CD ist, erscheinen neuerdings (Lese-)Laufwerke auf dem Markt, die eine CD in einer Mischung aus CAV (Constant Angular Velocity) und CLV (Constant Linear Velocity) abtasten.

Geschichte

Als die CD-ROM entwickelt wurde, sorgten Standardisierungskommissionen für eine Kompatibilität zum CD-Audio "REDBOOK"-Standard. So sollte sich die CD-ROM mit einer konstanten linearen Geschwindigkeit von ca. 176 kB/s (dies entspricht etwa 150kB Daten ohne Overhead) drehen. Erst 1991 erdachte die Firma NEC die Idee eines mit der mehrfachen CD-Audio-Geschwindigkeit arbeitenden CD-ROM-Laufwerks. Also entwickelte man das erste SCSI-Zweifach-CD-ROM (oder doublespeed).

Wenig später war es wiederum NEC, die mit der Einführung des 3x-CD-ROMs einen neuen Standard setzen wollten. Andere Unternehmen ignorierten diesen Schritt, und so kam Plextor als erste Firma mit einem 4x Laufwerk auf den Markt. Trotz der Prophezeiungen einiger namhafter (siehe c't, 1992, Test NEC-Quadspin) Redakteure, daß nun wohl bald ein Limit dessen erreicht sei, was technisch machbar ist, folgten schnell 6x,8x,10x und 12x Laufwerke.

Hier wurde dennoch eine Grenze erreicht, die das weitere Beschleunigen der CD-ROM erschwerte. Bisher verwendete man das CLV-Leseverfahren, bei dem die CD zu den inneren Spuren hin beschleunigt wurde. Wenn nun die CD maximal mit 6000 Umdrehungen pro Minute von den inneren Spuren gelesen werden konnte, so war es auf den äußeren Spuren doch wesentlich einfacher. So implementierten die ersten 16x CD-ROMs den ->CAV-Lesemodus, bei dem die CD beim Lesen zu den äußeren Spuren hin beschleunigt werden konnte. Glücklicherweise wurden CDs immer schon von innen nach außen aufgenommen, was dieses Verfahren erleichtert. Trägt man die Übertragungsrate über der CD-Spur auf, so erkennt man eine treppenartige Abstufung von Zonen, innerhalb derer die Laufwerkselektronik nach dem ->CLV-Verfahren arbeitet. So wird eine CD-ROM beispielsweise innen mit 12x, in der Mitte mit 14x und außen mit 16x Geschwindigkeit gelesen.

Aktuelle CAV/CLV CD-ROM-Laufwerke erreichen mit Rotationsgeschwindigkeiten von mehr als 8500 Umdrehungen pro Minute nun mehr als die 40x der ersten CD-ROM-Laufwerke. Auf den inneren Spuren läßt sich allerdings auch heute nicht mehr als 17x erreichen, da es hier bei 24m/s und einer Winkelgeschwindigkeit von mehr als 1000 1/s sehr schwierig wird, den Laser korrekt den Spuren nachzuführen. Obwohl es Bestrebungen gibt, ein 60x Laufwerk auf den Markt zu bringen, wird es bei mehr als 10000 Umdrehungen pro Minute fast unmöglich, die durch Produktionstoleranzen auftretenden Unwuchten bei CDs und die damit verbundenen Vibrationen auszugleichen.

Doch auch hier zeichnet sich schon ein Ausweg an. Kenwood entwickelte in Zusammenarbeit mit Zen-Research ein Multistrahl-Laufwerk, welches es ermöglicht, über alle Spuren der CD eine Datenübertragungsgeschwindigkeit von mehr als 6 MB/s aufrechtzuerhalten. Dieses CLV-Laufwerk liest mittels mehrerer Laserstrahlen 7 Spuren bei einer Umdrehung, ordnet die Daten und fährt mit dem Lesevorgang fort. Durch integrierte Schaltungen konnte die komplizierte Elektronik jetzt in einem konkurrenzfähigen Produkt umgesetzt werden. Forscher halten es für möglich, in Zukunft Laufwerke mit bis zu 90x Übertragungsrate zu bauen. Diese Laufwerke wären mit einer konstanten Datenrate von mehr als 13 MB/s schneller als der größte Teil der aktuellen Festplatten im Konsumerbereich.

Beim Auslesen verändert sich also die Umdrehungszahl der Platte mit der Positionierung des Auslesekopfes. Die CD wird im CLV-Modus aufgenommen, d.h. die Spuren der CD-ROM werden mit einer konstanten Geschwindigkeit von ca. 1,3 m/s abgetastet. Hier eine Zusammenstellung der technischen Daten der CD:

Die Daten auf der CD werden nicht in den Pits oder Lands kodiert, sondern liegen in der Änderungs Pit->Land oder Land->Pit. Daraus ergeben sich einige Forderungen:

• zwischen zwei Zustandsänderungen muß eine minimale Zeit verstreichen, d.h. zwei aufeinanderfolgende logische 'Einsen' müssen durch zwei Nullen getrennt werden, um eindeutig unterschieden werden zu können.

• Ein Maximum an 'Nullen' darf nicht überschritten werden, d.h. es dürfen maximal 11 Nullen aufeinanderfolgen, da der Lesevorgang 'selbsttaktend' ist. Darüberhinaus kann eine Selbsttaktung nicht gewährleistet werden.

• Um obige Forderungen zu erfüllen, müssen Zeichen (8 Bit-Informationseinheiten) geeignet transformiert werden (Die Fehlerkorrektur basiert auf 8-Bit-Symbolen).

• Wenn die Stoßstellen zwischen zwei Infomationseinheiten ..1-1.. beinhalten, ergibt sich ein unerlaubter Zustand. Hierfür werden sogenannte 'Merging Bits' eingeführt. Dies müssen mind. 2 sein, die die Bedingung, daß zwischen jeweils zwei Zustandswechsel je zwei Nullen kodiert werden müssen, erfüllen. Man fügt jedoch ein drittes Bit hinzu, um die bei langen Nullfolgen auftretende Gleichspannungsarmut des Signals aufzuheben. Da Informationen nur in Zustandswechseln kodiert sind, ist ein solcher Übergang von Pits auf Lands oder umgekehrt durchaus zulässig und beeinflußt die Information nicht.

Zur Erfüllung dieser Forderungen transformiert man die Datenbits mittels EFM (eight-to-fourteen) Transformation. Mit ihr werden jeweils 8 Datenbits auf 14 Bits abgebildet, so daß die Anzahl der 0-1 und 1-0 Übergänge minimiert wird. Es werden nur die Bitkombinationen verwendet, in denen mehr als eine Null, aber weniger als 10 Nullen aufeinanderfolgen. Dies bedeutet, daß Pits (Lands) nur in diskreten Längen von 3 (3T) bis 11 (11T) vorkommen. Fährt der Laser über diese Pits hinweg, bildet sich in der Photodiode ein gut zu unterscheidendes Signal. Die größte Wellenlänge des Signals wird von den 11T Pits (Lands) hervorgerufen. Die Nulldurchgänge repräsentieren die Ecken der Pits, also die binären Einsen des Datenstroms.

Je länger die Wellenlänge, desto stärker ist auch die Amplitude des Signals. Das RF-Signal wird dann in ein Rechtecksignal umgewandelt. Der aus der den Synchronisationsbits zu Beginn eines Frames gewonnene Takt T bestimmt dann die Periodendauer. Jetzt kann die Auswertungselektronik nach dem Synchronisationsrahmen suchen (dies sind 24 Bits: 100000000001000000000010 + 3 Merging-Bits), dann entnimmt sie dem Bitstrom die nächsten 561 Bits, die nach Abzug der 3 Merging Bits - und EFM-dekodiert - nun 33 Bytes ergeben. Nach Abspaltung von CRC und Steuerungsbits bleiben 24 Datenbytes (Nutzdaten).

Die folgende Tabelle zeigt links 10 beispielhafte EFM-Transformationen, rechts den Aufbau eines Datenrahmens. Von diesem Rahmen werden jeweils 98 zu einem Sektor, der kleinsten adressierbaren Dateneinheit der CD, zusammengefaßt. Bei einer Audio-CD entspricht dies einer Quantisierung von 1/75s.

CD-Animation:

Die Ausführung des folgenden Applets erfolgt problemlos mit Browsern mit integriertem Java-Interpreter Version 1.1x. Dies sind z. B. der Microsoft Internet Explorer ab Version 4, SUNs Hotjava oder Netscape ab Version 4.06.

b) Magnetooptische Speichermedien (MOD*)

Seit 1987 IBM die 1,44 MB-Diskette zur Marktreife brachte, hat sich in den letzten 11 Jahren auf diesem Gebiet keine wesentliche Änderung mehr ergeben. Eine Zeitlang erschien es möglich, daß magnetooptische Laufwerke deren Platz einnehmen könnten. Das sie sich am Ende doch nicht durchsetzen konnten und bis heute ein Nischendasein im High-End-Bereich fristen liegt zum großen Teil an der aufwendigen Laufwerkstechnik. Selbst auf dem Audiosektor, dort mit der Minidisk, hat Sony trotz z.T. großer Stückzahlen den Gerätepreis noch nicht unter 500,00 DM drücken können. Im Computersektor kommen heutzutage Laufwerke von bis zu 2,6 GB zum Einsatz, deren Medienpreis von ca. 30,00 DM durchaus konkurrenzfähig ist, bei Laufwerkskosten von bis zu 5.000,00 DM sind der weiten Verbreitung dieser Technik jedoch Grenzen gesetzt.

In diesen Laufwerken kommen gleichzeitig eine Lasereinheit und ein Magnetkopf zum Einsatz. Der Laser erhitzt die Plattenoberfläche an der zu beschreibenden Stelle auf ca. 200°C (Curie*-Punkt), ein Magnetkopf polarisiert dann das Trägermaterial. Nach der Abkühlung ist das Medium jetzt sozusagen 'unlöschbar'. Durch diesen recht komplizierten Schreibvorgang der bei Computerdaten stets noch eine Verifizierung erfordert ist das Beschreiben solcher Medien oft 2-3 Mal so zeitintensiv wie deren Lesen. Datenübertragungsgeschwindigkeiten von 2-3 MB/s bei 2,6 GB Laufwerken beim Schreibvorgang und bis zu 7 MB/s beim Lesen (bei 5400 U/Min) sind erreichbar. [c't 12/92, S.132]

Bei einem Lesevorgang benutzt das MO-Laufwerk denselben Laser um die Daten von der Disk zu lesen. Die optische Sensor registriert eine Reflektion der Daten von Bits, die in eine Richtung polarisiert sind und keine Reflektion, wenn die Bits anders orientiert sind.

MO-Platten haben viele Vorteile:

• Sie stellen sehr hohe Datendichten zur Verfügung, da ein Laser sehr viel stärker fokussiert werden kann, als ein Magnetfeld.

• Die auf ihnen gespeicherten Daten können ergänzt, modifiziert oder gelöscht werden, wie auf einer Festplatte

• Die Daten sind unempfindlich gegen magnetische Felder (solche in Kernspinthomografen einmal ausgenommen)

• Da ein Laser beim Lesen/Schreiben der Daten eine hohe Lokalität der Daten gewährleistet, muß der Schreib-/Lesekopf nicht so nahe an der Plattenoberfläche liegen. Die Gefahr eines 'Headcrashs', also eines Aufsetzens und der damit verbundenen Zerstörung der Plattenoberfläche sind nicht so groß wie bei Festplatten.

Folgende Nachteile lassen sich nennen:

• Der Hauptnachteil der MO-Technologie ist die aufgrund der hohen magnetischen Koerzitivfeldstärke der Medien erreichbare Umpolarisierungsgeschwindigkeit. Darum muß ein Schreibvorgang in zwei Durchgängen erfolgen. Beim ersten wird das Medium gelöscht, erst beim zweiten erfolgt das Beschreiben mit den Daten. Obwohl MO-Laufwerke mit Rotationsgeschwindigkeiten, die der von Festplatten vergleichbar sind, operieren, machen die erforderlichen zwei Rotationen beim Schreiben der Daten sie nur halb so schnell bei Schreibzugriffen. Bald dürfte dieses Problem jedoch gelöst sein und ein Schreibvorgang mit nur einer Rotation erfolgen.

• Der Gerätepreis bewegt sich weit oberhalb derer vergleichbarer Festplatten, zum Teil erreichen sie das zehnfache. Ein 2,6 GB-Gerät liegt bei ca. 3.000 DM, ein Medium kostet ca. 50 DM. Somit kostet eine Gesamtkapazität von 52 GB ganze 4.000 DM. Eine mehr als dreimal so schnelle Festplatte mit 16,8 GB kostet jedoch nur ca. 900 DM. Hier ergibt sich für 4.000 DM eine Kapazität von 75 GB. Solche Lösungen werden heute nur in speziellen Gebieten, wie z.B. dem Desktop-Publishing eingesetzt.

*MOD Magneto-Optical Device
*Curie-Punkt: Temperatur, bei der sich die Magnetpartikel durch ein Magnetfeld ausrichten lassen