Untitled Document100GB容量光盤(pán)不是夢(mèng)
中國(guó)電腦教育報(bào) 2002-12-10
“DVD事件”讓我們吃夠了專(zhuān)利的苦頭，也讓我們更重視“核心技術(shù)”了，近期我們欣慰地看到如此多的計(jì)算機(jī)獨(dú)創(chuàng)技術(shù)，甚至核心的CPU，今后我們還要制定自己的標(biāo)準(zhǔn)，“光存儲(chǔ)”就已經(jīng)邁出了這一步。
光盤(pán)的核心是光存儲(chǔ)技術(shù)，它是通過(guò)光學(xué)方式在光盤(pán)上進(jìn)行信息讀寫(xiě)的技術(shù)。光盤(pán)上“布滿(mǎn)”了記錄信息的“坑”，在普通的VCD上我們能夠記錄大約650MB容量的數(shù)據(jù)，大約為1小時(shí)的電影節(jié)目。可是，有人聽(tīng)說(shuō)過(guò)能在普通CD-R盤(pán)片上刻錄3倍于650MB容量的刻錄機(jī)嗎？使用這種稱(chēng)之為“多階CD刻錄機(jī)”的產(chǎn)品可以記錄2GB的數(shù)據(jù)，可錄下3個(gè)多小時(shí)的電影節(jié)目。而且，用這種技術(shù)做成的光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器價(jià)格與普通光驅(qū)接近，遠(yuǎn)低于DVD光驅(qū)的價(jià)格。
清華大學(xué)教授徐端頤（左2）與他的年輕團(tuán)隊(duì)（本文作者錢(qián)坤，右2）
11月28日，這項(xiàng)成果已經(jīng)開(kāi)始了正式的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、光盤(pán)錄像機(jī)樣機(jī)已研制成功。普通光盤(pán)錄像機(jī)只需增加一個(gè)集成芯片即可成為多階CD錄像機(jī)。這是以國(guó)家光盤(pán)工程中心為主的973項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)3年研究，取得了這一獨(dú)創(chuàng)性成果，并申報(bào)了9項(xiàng)中國(guó)專(zhuān)利和1項(xiàng)美國(guó)專(zhuān)利。
由中科院院士母國(guó)光為主任的鑒定委員會(huì)認(rèn)為，多波長(zhǎng)多階存儲(chǔ)技術(shù)具有獨(dú)創(chuàng)性，可兼容現(xiàn)有技術(shù)，總體上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)的多階光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器具有實(shí)際推廣應(yīng)用價(jià)值，為我國(guó)光盤(pán)產(chǎn)業(yè)發(fā)展開(kāi)辟了一條具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的道路。
多階CD刻錄機(jī)是采用多階（MultiLevel 簡(jiǎn)稱(chēng)ML）光存儲(chǔ)技術(shù)的新型刻錄機(jī)，由于采用了多階技術(shù)，可在容量為0．65GB的普通光盤(pán)上記錄2GB數(shù)據(jù)，而價(jià)格遠(yuǎn)低于DVD光驅(qū)。
普通盤(pán)片實(shí)現(xiàn)2GB存儲(chǔ)
在光存儲(chǔ)技術(shù)中，對(duì)于只讀光盤(pán)，采用在盤(pán)片上壓制凹坑的辦法，利用凹坑邊緣記錄“1”，平坦部分記錄“0”；對(duì)于可擦寫(xiě)光盤(pán)，通過(guò)激光加熱改變盤(pán)片的反射率來(lái)產(chǎn)生凹坑。用“0”和“1”這兩種狀態(tài)來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)的方法稱(chēng)為二階存儲(chǔ)，每個(gè)信息符（記錄一種狀態(tài)的最小物理單位）可以保存1 bit的數(shù)據(jù)；所謂多階存儲(chǔ)，就是在同一個(gè)信息符上記錄8種數(shù)據(jù)狀態(tài)（0，1，2，…，7）。具體的實(shí)現(xiàn)辦法有很多種，可以利用信息坑的深度進(jìn)行分階，也可以利用材料的反射率變化得到多階，每個(gè)信息符可以保存3 bit的數(shù)據(jù)。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，采用多階刻錄技術(shù)可以將普通光盤(pán)的容量擴(kuò)大到3倍，2GB≈650MB×3。
縮短激光波長(zhǎng)的思路
目前，對(duì)于未來(lái)的光儲(chǔ)存技術(shù)，國(guó)際上一般是建立在“縮短激光波長(zhǎng)”的基礎(chǔ)上，與以上的“多階”的思路是有很大差異的。無(wú)論是CD、DVD或下一代光盤(pán)Blu-ray Disc，所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都被記錄在光盤(pán)記錄材料層上的螺旋軌道上。與CD光盤(pán)相比，DVD光盤(pán)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軌道間的距離更近，這樣在一張光盤(pán)上就可以容納更多的軌道。在DVD光盤(pán)中，相近兩條軌道上的信息符之間的距離為0.74μm，比CD的1.6μm小一半以上；在DVD盤(pán)上，信息符的尺寸也更小，為0.4μm，推出的Blu-ray Disc，將采用405nm作為激光波長(zhǎng)，信息符尺寸縮小到0.2μm以下。這樣同樣一條軌道就可以容納更多的信息符，大約是23.3 GB，從而儲(chǔ)存更多的信息。
CD和DVD光盤(pán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軌道間距和記錄點(diǎn)大小的比較示意圖，光盤(pán)上記錄點(diǎn)的數(shù)量最終決定光盤(pán)存儲(chǔ)的信息量，在同樣尺寸的光盤(pán)上，信息符尺寸越小，光盤(pán)容量越大。
我們要實(shí)現(xiàn)單盤(pán)100GB
取長(zhǎng)補(bǔ)短，充分發(fā)揮各自技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，才能達(dá)到技術(shù)的巔峰。不只是多階技術(shù)可以擴(kuò)大光盤(pán)容量，多波長(zhǎng)技術(shù)同樣可以達(dá)到提高容量的目的。此次清華大學(xué)研制的系統(tǒng)既包括多階存儲(chǔ)技術(shù)，也包括多波長(zhǎng)存儲(chǔ)技術(shù)。多波長(zhǎng)（Multi-Wavelenghth）光存儲(chǔ)技術(shù)，是在同一記錄層上用多種波長(zhǎng)的激光進(jìn)行分別記錄。該記錄層由幾種材料混合而成，其中一種材料只對(duì)某種激光敏感，而不受其他幾種激光的影響。這樣，同一信息符可以記錄多個(gè)信息。系統(tǒng)中采用了三種不同的激光，可以理解為不同的顏色，650nm的激光是紅色，532nm是綠色，405nm為藍(lán)色。如果在同一個(gè)信息符采用三種不同的光源意味著同一個(gè)信息符可以記錄3 bit數(shù)據(jù)。
縮小信息符尺寸、采用多階存儲(chǔ)與采用多層存儲(chǔ)之間并不矛盾，如果三種方法使用，可以實(shí)現(xiàn)光盤(pán)單盤(pán)容量100GB。
任重道遠(yuǎn) 前途光明
從上述說(shuō)明可以看出，多波長(zhǎng)、多階存儲(chǔ)等新技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。負(fù)責(zé)多波長(zhǎng)多階存儲(chǔ)項(xiàng)目的首席科學(xué)家、清華大學(xué)教授徐端頤說(shuō)，CD、DVD這兩代光存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展和規(guī)范，由國(guó)外廠(chǎng)商及研究機(jī)構(gòu)所掌控，我國(guó)的光存儲(chǔ)技術(shù)則比較落后，而我們現(xiàn)在的研究成果“多波長(zhǎng)多階存儲(chǔ)技術(shù)”是在光存儲(chǔ)技術(shù)中的物理格式這一關(guān)鍵層次上的創(chuàng)新。
運(yùn)用此項(xiàng)新技術(shù)可以在原有技術(shù)基礎(chǔ)上大幅度提高存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)傳輸率，而無(wú)需改變記錄尺寸，是DVD之后的下一代光存儲(chǔ)技術(shù)的一種新型解決方案，可與國(guó)外即將推出的藍(lán)光DVD競(jìng)爭(zhēng)。我國(guó)有可能憑借此項(xiàng)目取得的研究成果，制定一套適合中國(guó)國(guó)情、具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光盤(pán)格式及標(biāo)準(zhǔn)，有助于我國(guó)光存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)徹底改變受?chē)?guó)外壟斷集團(tuán)制約的局面。
小知識(shí)：
多波長(zhǎng)存儲(chǔ)方法是將每個(gè)平面床位改為多層床位，例如：旅館里一個(gè)面積為60平米的房間，每個(gè)床位占據(jù)2平米，這樣一棟房間里可以存儲(chǔ)60÷2=30 bit的數(shù)據(jù)。提高容量的傳統(tǒng)方法是縮小每個(gè)床位所占據(jù)的空間，如果每個(gè)床位占據(jù)1平米，那么一棟房間里可以有60個(gè)床位，存儲(chǔ)60÷1=60 bit數(shù)據(jù)。
多波長(zhǎng)存儲(chǔ)方法是將每個(gè)平面床位改為多層床位，雙波長(zhǎng)存儲(chǔ)就好比旅館房間里都使用大學(xué)宿舍里那種上下鋪床位。三波長(zhǎng)存儲(chǔ)就是使用三層床位，如果每個(gè)床位占據(jù)的面積還是2平米，那么一棟房間可以存儲(chǔ)60÷2×3=120 bit的數(shù)據(jù)。
從這個(gè)例子可以看出，縮小信息符尺寸、采用多階存儲(chǔ)與采用多層存儲(chǔ)之間并不矛盾，如果三種方法使用，可以實(shí)現(xiàn)光盤(pán)單盤(pán)容量100GB。
