Optisches Storage (Optical Storage)
Optische Speicher sind alle Speichermedien, bei denen Daten mit einem Laser geschrieben und gelesen werden. In der Regel werden die Daten auf optische Medien wie Compact Discs (CDs) und Digital Versatile Discs (DVDs) geschrieben. Einst galten optische Discs als potenzieller Ersatz für Festplattenlaufwerke (HDDs) in Computersystemen, aber ihr mangelndes Kapazitätswachstum im Vergleich zu HDDs und später Flash-basierten Solid-State-Laufwerken (SSDs) hat die Verwendung optischer Speicher hauptsächlich auf die Langzeitarchivierung und Datensicherung beschränkt.
Obwohl optische Medien haltbarer und weniger anfällig für Umwelteinflüsse sind als Bänder, HDDs und SSDs, sind optische Disks langsamer als typische Festplatten und deutlich langsamer als SSDs und bieten geringere Speicherkapazitäten als beide. Blu-ray-Disks sind derzeit die schnellsten optischen Medien auf dem Markt und bieten mehr Kapazität als CDs und DVDs, aber sie liegen immer noch hinter HDDs und SSDs zurück.
Beispiele optischer Medien
Im Laufe der Jahre haben optische Medien eine Vielzahl von Formen angenommen, darunter LaserDisc (LD), HD-DVD oder einmalig beschreibbare optische Kassetten (WORM). Aus dieser Mischung haben sich drei Formate als Standards auf dem heutigen Markt für optische Speicher herauskristallisiert:
- Compact Disk (CD). Die CD stellt die erste Generation der kommerziellen optischen Speicher dar. Nach ihrer Einführung hat sie sowohl die Schallplatte als auch die Kassette als bevorzugtes Audiomedium schnell abgelöst. Ursprünglich waren CDs nur als vorbespielte Nur-Lese-Disks erhältlich, aber es dauerte nicht lange, bis sie auch als beschreibbare und wiederbeschreibbare Disks für die Datenspeicherung zur Verfügung standen. Die CD kann bis zu 700 Megabyte (MB) an Daten speichern.
- Digital Versatile Disc (DVD). Die DVD, die auch als digitale Videodisk bezeichnet wird, war ursprünglich ein Nur-Lese-Medium, ähnlich wie die CD, das jedoch genügend Daten speichern kann, um einen Spielfilm in voller Länge abzuspeichern. Auf einer einschichtigen DVD können 4,7 Gigabyte (GB) Daten gespeichert werden, auf einer zweischichtigen DVD 8,5 GB. Nicht lange nach der Einführung der DVD wurden beschreibbare und wiederbeschreibbare Discs für die Datenspeicherung verfügbar.
- Blu-ray. Die Blu-ray-Disk hat sich als klarer Marktführer auf dem heutigen Markt für optische Speichermedien durchgesetzt. Im Gegensatz zu CDs und DVDs, bei denen ein roter Laser zum Lesen und Schreiben von Daten verwendet wird, verwendet eine Blu-ray-Disk einen blauen Laser, der die Kapazität und die Datenübertragungsrate gegenüber CDs und DVDs erheblich steigert. Heutige Blu-ray-Disks können bis zu 128 GB Daten speichern und sind als Nur-Lese-Disks, die vorbespielte High-Definition-Spielfilme enthalten können, sowie als beschreibbare und wiederbeschreibbare Disks zur Datenspeicherung erhältlich.
Die Standardgröße für alle drei Formate ist gleich: 120 mm (4,7 Zoll) Durchmesser und 1,2 mm (0,05 Zoll) Dicke. Dieser Standard ermöglicht es, dass Blu-ray-Laufwerke DVDs und CDs und DVD-Laufwerke CDs unterstützen. Optische Laufwerke sind jedoch nur mit früheren Formaten kompatibel und nicht umgekehrt. CD-Player können keine DVD- oder Blu-ray-Discs abspielen, und DVD-Laufwerke können keine Blu-ray-Discs abspielen.
Geschichte der optischen Medien
Die erste Methode zur Speicherung von Daten mit Hilfe von Licht auf einem harten Medium wurde von James T. Russell in den späten 1960er Jahren erfunden. Russells erste Erfindung hatte wenig Ähnlichkeit mit der heutigen optischen Speichertechnologie.
Seine Erfindung verwendete mikrometergroße helle und dunkle Punkte, um das Vorhandensein oder Fehlen eines digitalen Bits anzuzeigen. Dieses Muster wurde gelesen, indem Licht durch das ansonsten transparente Medium fiel, auf dem es kodiert war.
In den 1970er Jahren verfeinerte Russel seinen Entwurf weiter, als das CD-Format allmählich Gestalt annahm, aber erst 1982 erhielt die CD ernsthafte Anerkennung, als Philips und Sony den weltweit ersten kommerziellen CD-Player vorstellten. Im Gegensatz zu Russells ursprünglichem Design werden bei diesen modernen Discs mit einem Laser Vertiefungen auf einer reflektierenden Oberfläche wie einer Aluminiumfolie erzeugt, die unter einer harten, transparenten Kunststoffhülle liegt. Die Größe der Vertiefung wird durch die Wellenlänge des Laserlichts bestimmt.
Da das blaue Laserlicht, das bei Blu-ray-Discs verwendet wird, eine kürzere Wellenlänge hat als rotes Laserlicht, können 25 GB Speicherplatz auf einer einzigen Schicht einer Blu-ray-Disc codiert werden. Im Vergleich dazu kann eine CD nur 700 MB und eine einschichtige DVD nur 4,7 GB speichern, was Blu-ray zum derzeitigen Standard für die Speicherung optischer Discs macht.
Obwohl die optische Speicherkapazität nach wie vor geringer ist als bei HDDs oder SSDs, werden die Forschungs- und Entwicklungsbemühungen in Richtung größerer Kapazitäten fortgesetzt. Im Jahr 2016 kündigte Sony eine Blu-ray-Disc an, die bis zu 3,3 Terabyte (TB) an Daten speichern kann.
Seitdem gab es wenig Hinweise darauf, ob Sony sein Versprechen noch einhalten will, aber das Unternehmen bietet jetzt eine vierschichtige Blu-ray Disc an, die 128 GB Daten speichern kann. In der Zwischenzeit setzt sich die Blu-ray Disc Association für Ultra HD Blu-ray ein, die bis zu 100 GB Daten speichern kann.
Vor- und Nachteile des optischen Storage
Einer der größten Vorteile der optischen Speichermedien gegenüber anderen ist die Haltbarkeit. Optische Discs sind nicht anfällig für Datenverluste aufgrund von Stromausfällen wie flüchtiges Memory, und sie sind nicht so verschleißanfällig wie nichtflüchtiges Memory (NVM) wie HDDs und Flash-SSDs. Optische Datenträger sind auch viel stabiler als Magnetbänder, die das führende Speichermedium für die Archivierung sind.
Ein weiterer Vorteil der optischen Disc ist, dass das Speichermedium kostengünstig in der Herstellung ist, obwohl die Kosten je nach Art der Discs und ihrer Verwendung variieren können. Discs, die vorbespieltes Material enthalten, wie Audio-CDs oder Blu-ray-Filme, bestehen hauptsächlich aus Aluminiumfolie und Kunststoff. Die Hersteller können diese Art von Discs leicht in großen Mengen herstellen, indem sie eine Matrizen- und Stempeltechnik verwenden, bei der die winzigen Vertiefungen in das reflektierende Folienmedium in einem Fließbandverfahren gepresst werden.
Optische Discs für die Datenspeicherung haben andere Anforderungen. Im Gegensatz zu vorbespielten Discs, die nur einmal beschrieben werden, müssen optische Discs für die Speicherung in der Regel wiederbeschreibbar sein, was ein anderes Aufzeichnungsmaterial erfordert. Wiederbeschreibbare Discs können nicht wie vorbespielte Discs eine kostengünstige reflektierende Folienschicht verwenden. Stattdessen müssen sie eine teurere Schicht aus Phasenwechselmaterial verwenden, die es ermöglicht, die Daten mehrfach zu löschen und zu überschreiben.
Trotz dieser Unterschiede bestehen optische Speichermedien zumeist aus Kunststoff und können in großen Mengen hergestellt werden, was ihre Herstellung im Vergleich zu anderen Speichermedien billiger macht.
Der größte Nachteil der optischen Speicherung ist die Speicherkapazität. Die neuesten 12-cm-Blu-ray-Discs haben eine maximale Kapazität von 128 GB, was weit unter dem liegt, was heute mit HDDs oder SSDs pro Zentimeter möglich ist. Gleichzeitig hat das Aufkommen von Internet-Streaming und USB-Flash-Laufwerken auch die Abhängigkeit von optischen Datenträgern verringert.
Die Zukunft der optischen Speichermedien könnte jedoch nicht in Plastikscheiben, sondern in Quarzkristallen liegen, zumindest für die Archivierung oder einmalig beschreibbare Daten. Microsofts Projekt Silica arbeitet aktiv an einer Speichertechnologie, die ultraschnelle Laseroptik zur Speicherung von Daten in Quarzglas verwendet.
Als ersten Beweis des Konzepts speicherte das Projekt den Superman-Film von 1978 in einem Stück Quarzglas, das 2 mm dick und 75 mm im Quadrat groß ist. Die Forscher glauben, dass sie in der Lage sein werden, 360 TB an Daten auf einem Quarzglasstück von der Größe einer DVD zu speichern.
