UNIVERSIDADE ANHEMBI MORUMBI FÁBIO SCARELA ANÁLISE TÉCNICA E COMPARATIVA ENTRE DISCOS HOLOGRÁFICOS VERSÁTEIS E BLU-RAY

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1 UNIVERSIDADE ANHEMBI MORUMBI FÁBIO SCARELA ANÁLISE TÉCNICA E COMPARATIVA ENTRE DISCOS HOLOGRÁFICOS VERSÁTEIS E BLU-RAY São Paulo 2010

2 1 FÁBIO SCARELA ANÁLISE TÉCNICA E COMPARATIVA ENTRE DISCOS HOLOGRÁFICOS VERSÁTEIS E BLU-RAY Monografia apresentada como exigência para a obtenção do diploma do curso de graduação de Ciência da Computação da Universidade Anhembi Morumbi Orientador: Prof. Alberto Souza São Paulo 2010

3 2 FÁBIO SCARELA ANÁLISE TÉCNICA E COMPARATIVA ENTRE DISCOS HOLOGRÁFICOS VERSÁTEIS E BLU-RAY Monografia apresentada como exigência para a obtenção do diploma do curso de graduação de Ciência da Computação da Universidade Anhembi Morumbi Aprovado em: Prof. XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Universidade Anhembi Morumbi Prof. XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Universidade Anhembi Morumbi Prof. XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Universidade Anhembi Morumbi

4 3 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO Objetivo Justificativa Abrangência Estrutura do Trabalho ARMAZENAMENTO ÓPTICO Compact Disc Estrutura de um CD-ROM Camada de Dados Estrutura de Dados Capacidade e Taxa de Transferência de Dados Disco Versátil Digital Tecnologia Estrutura de Dados Capacidade e Taxa de Transferência de Dados BLU-RAY Tecnologia Capacidade e Taxa de Transferência de Dados Desenvolvimento Futuro ARMAZENAMENTO HOLOGRÁFICO Memória Holográfica Funcionamento DISCO HOLOGRÁFICO VERSÁTIL Tecnologia Estrutura de Dados Sistema de Gravação de Dados Sistema de Leitura de Dados Capacidade e Taxa de Transferência de Dados METODOLOGIA DE TESTES Definições Gerais Definições para o CD Definições para o DVD... 33

5 Definições para o Blu-Ray Definições para o HVD Testes ESTUDO COMPARATIVO ENTRE O HVD E MÍDIAS ÓPTICAS ANÁLISE DE RESULTADOS Capacidade de Armazenamento e Taxas de Transferência Atraso Rotacional Tempo de Busca Tempo de Total Acesso CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 45

6 5 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Camadas de um CD-ROM Figura 2 Diferenças das trilhas do CD, DVD e Blu-Ray Figura 3 Principais diferenças físicas entre o DVD e o Blu-Ray Figura 4 Blu-Ray experimental da Sony Figura 5 Diagrama do processo de gravação em memória holográfica Figura 6 Diagrama do processo de leitura de dados em memória holográfica Figura 7 Disco holográfico versátil da Optware Figura 8 Detalhe da estrutura física de um HVD Figura 9 Imagem de uma página de dados holográficos Figura 10 Diagrama do processo de gravação de um HVD Figura 11 Diagramas do processo de leitura de dados armazenados no HVD... 29

7 6 LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1 Comparação de capacidade (GB) Gráfico 2 Comparação de taxa de transferência (MB/s) Gráfico 3 Atraso rotacional de cada mída (ms) Gráfico 4 Tempo de busca de dados (s) Gráfico 5 Tempo de total de acesso a 200MB de dados (min)... 40

8 7 1 INTRODUÇÃO As mídias Blu-Ray foram introduzidas comercialmente em junho de 2006 com o lançamento de alguns títulos anteriormente disponíveis apenas em DVD. O lançamento do Blu-Ray marcou uma nova era para o armazenamento óptico, ampliando os limites existentes, possibilitando que o conteúdo de até 10 DVDs comuns pudesse ser gravado em um único disco. (HIGH-DEF DIGEST, 2006). Ao mesmo tempo em que o desenvolvimento do Blu-Ray caminhava para evoluir a tecnologia de armazenamento óptico, outra tecnologia vinha sendo extensivamente estudada e desenvolvida, o armazenamento holográfico. A transição e adaptação dos consumidores ao Blu-Ray, em relação ao DVD, foi a mais rápida já vista neste meio, porém desde o seu lançamento pouca coisa mudou e não existe perspectiva de que novos avanços apareçam no mercado tão cedo. O armazenamento holográfico surge como potencial substituto ao Blu-Ray devido a sua capacidade e eficiência que pode chegar, teoricamente, até 10TB com taxas de transferência de dados de até 1 Gbit/s. As primeiras mídias do disco holográfico versátil (HVD) devem aparecer no mercado em 2011, com custo relativamente altos e capacidades modestas. 1.1 OBJETIVO O objetivo deste trabalho é identificar através de análises e comparações de dados técnicos e tecnológicos, o meio de armazenamento removível que, entre o Blu-Ray e o HVD, apresenta mais impactos positivos a clientes corporativos e consumidores finais. 1.2 JUSTIFICATIVA Desde o seu lançamento, em 2006, o custo de mídias Blu-Ray tem se mantido de forma estável por conta da tecnologia empregada em sua fabricação. Foi observada queda nos preços de reprodutores, os chamados Blu-Ray Players, cuja aplicação principal é reproduzir filmes ou áudio, sendo utilizado separadamente de computadores. Aparelhos que possibilitam gravação e reprodução para

9 8 microcomputadores tiveram apenas uma leve queda de preço, mantendo o custo/benefício do Blu-Ray ruim, se comparado a evolução dos preços de seu antecessor, o DVD. Um grande desafio, portanto, será encontrar um formato ou tecnologia que permita combinar capacidade e eficiência a um custo atraente. Considerando este cenário, o HVD desponta como potencial candidato a substituir o Blu-Ray, de maneira gradual. 1.3 ABRANGÊNCIA O trabalho abrange o estudo do funcionamento das tecnologias ópticas e holográficas direcionadas, respectivamente, ao Blu-Ray e ao HVD. Serão apresentados conceitos, informações tecnológicas e técnicas, dados de mercado e aplicações futuras. O trabalho apresentará breves detalhes e descrições de tecnologias anteriores ao Blu-Ray, mas não abrangerá tecnologias de armazenamento de dados em 3D que não envolva armazenamento holográfico. O estudo comparativo entre os formatos e a análise de resultados mostrará, apenas, qual das tecnologias é mais atraente nos quesitos custo/benefício, aplicações existentes e futuras e aspectos tecnológicos, compreendendo a viabilidade de expandir e desenvolver a tecnologia, focando, para cada quesito, em consumidores finais e corporativos. O trabalho não abrange características de software para nenhuma das mídias apresentadas. 1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO A estrutura do trabalho está dividida nos seguintes capítulos: O capítulo 2 aborda o desenvolvimento do armazenamento óptico, tratando das caracteristicas do CD e do DVD. O capítulo 3 aborda aspectos e detalhes do Blu-Ray. O capítulo 4 aborda o funcionamento e conceitos do armazenamento holográfico. O capítulo 5 aborda aspectos e detalhes da tecnologia empregada no disco holográfico versátil.

10 9 O capítulo 6 define a metodologia utilizada para comparar os discos holográficos versáteis com o Blu-Ray e com outras mídias de armazenamento óptico. O capítulo 7 apresenta a comparação de acordo com a metodologia definida no capítulo anterior. O capítulo 8 apresenta uma análise dos resultados obtidos em contraste com os resultados esperados. O capítulo 7 aborda uma análise dos resultados obtidos no capítulo 6. O capítulo 8, por fim, apresenta a conclusão da monografia e propõe idéias para trabalhos futuros.

11 10 2 ARMAZENAMENTO ÓPTICO O disco óptico foi inventado em 1958, tendo patentes registradas em 1961 e 1969 para um disco óptico analógico cuja função era armazenar vídeo. (GREGG, 1969). Inicialmente empregado em aplicações específicas, os discos ópticos ficaram populares com a introdução do CD (Compact Disc) no mercado em 1982, projetado para ser o sucessor dos antigos discos de vinil. A versão que possibilitava armazenar dados (CD-ROM), e não apenas música, surgiu em 1985, e a versão gravável (CD- R) em 1990, ambos desenvolvidos em conjunto pela Phillips e Sony. Durante os anos 90, inúmeras outras versões para aplicações específicas do CD foram lançadas, mas nunca ganharam popularidade. Entre 1996 e 1999 o disco versátil digital (DVD), também conhecido como disco de vídeo digital, foi introduzido no mercado, em 1996 no Japão, em 1997 nos Estados Unidos, em 1998 na Europa e em 1999 na Austrália. O propósito inicial do DVD era servir como meio de armazenamento de dados. O fato de ser de muito simples manuseio fez com que fosse empregado no ambiente corporativo substituindo dispositivos magnéticos, como as fitas DAT. O custo inicial dos discos restringiu o público consumidor a empresas. Anos mais tarde o DVD passou a ser empregado pela indústria cinematográfica como meio de distribuição de filmes, popularizando o formato em todo o mundo. A crescente expansão nas vendas de computadores, popularização da internet de banda larga, desenvolvimento dos computadores pessoais e aplicações geraram uma grande demanda por mídias removíveis versáteis com grande capacidade de armazenamento. Atendendo a esta necessidade, em junho de 2006, o Blu-Ray foi oficialmente lançado. (WATSON, 2004) 2.1 COMPACT DISC O desenvolvimento do CD começou durante os anos 70, e sua primeira demonstração pública foi realizada pela Sony em setembro de O foco inicial era suprir necessidades da indústria fonográfica. O primeiro álbum musical lançado em CD foi o 52nd Street, de Billy Joel, em A mídia a ser introduzida aqui, no entanto, é o CD-ROM.

12 ESTRUTURA DE UM CD-ROM A norma que regulamenta e define a estrutura física e lógica do CD-ROM é a ECMA-130, publicada pela ECMA International. Sua mais recente edição foi publicada em Junho de Um CD-ROM normatizado de acordo com a ECMA-130 possui diâmetro de 12 centímetros e 1,2 milímetros de espessura, pesando entre 14 e 33 gramas. O disco é formado por quatro camadas sobrepostas, confome a figura abaixo: Figura 1 Camadas de um CD-ROM. Fonte: Pbroks13 (2008) Camada de dados (A): consiste em uma camada espessa transparente fabricada normalmente em policarbonato. Esta é a camada aonde os dados podem ser armazenados. Pelo fato de ser transparente, ela permite que a luz gerada pelo laser a ultrapasse. Camada metálica (B): é uma camada fina, geralmente fabricada em alumínio, visando refletir a luz emitida pelo laser de volta ao ponto de origem. Desta maneira o laser consegue capturar as informações escritas na camada de dados. Camada de proteção (C): é composta de verniz. O objetivo é prevenir a oxidação da camada metálica e oferecer proteção contra radiação ultravioleta, que pode danificar ou alterar a camada metálica.

13 12 Camada superficial (D): camada opcional que permite a impressão do rótulo do disco. (PRADO, 2006) CAMADA DE DADOS A camada de dados compreende uma série de cavidades alojadas em trilhas espirais, que são moldadas no topo da camada. Essas cavidades (que são conhecidas como pits ou trilhas) têm aproximadamente 100nm de profundidade e 500nm de largura, com o comprimento variando entre 850nm e 3,5µm. A distância entre as trilhas é de 1,6µm e o laser utilizado para leitura possui um comprimento de luz de 780nm, quase infravermelho. O laser incide na parte de baixo do disco e variações no tamanho das cavidades fazem com que a intensidade da luz refletida sofra variações. Os dados podem ser lidos utilizando um fotodiodo para medir as diferenças na intensidade da luz refletida. (ECMA, 1996) O disco comporta entre 20 mil e 22 mil trilhas, dependendo de sua capacidade, totalizando aproximadamente 5,3 km de trilhas. Os CDs são suscetíveis a danos por conta do uso diário ou por mera exposição ao ambiente. Devido à proximidade das trilhas, sujeira e pó, por exemplo, podem fazer com que informações deixem de ser lidas pelo laser. Arranhões, no entanto, podem ser reparados se tampados com o mesmo material da camada ou através de polimento. (PRADO, 2006) O diâmetro total da camada de dados em um CD-ROM é de 118 mm, aonde no máximo 116 mm podem ser utilizados para armazenar dados acessíveis aos usuários. A zona inicial de buffer (localizada imediatamente antes da camada de dados acessíveis) deve ter entre 2 mm e 4 mm de diâmetro. O tamanho da zona inicial de buffer influencia diretamente na capacidade um CD-ROM. (ECMA, 1996) ESTRUTURA DE DADOS Em um CD os dados são armazenados em setores de 2352 bytes. Os dados podem ser armazenados em três modos, dividindo os setores em até quatro partes. Ao gravar dados regulares em um disco o modo 1 é utilizado. No modo 1, um setor é divido em sync (12 bytes), header (4 bytes) dados (2048 bytes) e ECC (288 bytes). A área identificada como sync é utilizada para indicar o começo de um setor e

14 13 sempre é preenchida com um byte 00, 10 bytes FF e um byte 00. O cabeçalho, por sua vez, contém três bytes que indicam o endereço do setor e um byte para indicar o modo. A área de dados é preenchida com os dados do usuário e não possui nenhuma subdivisão. A área destinada ao ECC (código de correção de erros) é utilizada para corrigir possíveis erros de leitura e permitir verificação dos dados gravados. (STALLINGS, 2002) O modo 2 é utilizado para gravação de áudio. Neste modo não há bytes destinados ao ECC, de modo que a área de dados compreende 2336 bytes. As zonas destinadas ao sync e cabeçalho não são afetadas. No modo 0 também não há ECC, de modo que a estrutura do setor é idêntica ao modo 2. A diferença é que o modo 0 é utilizado para inutilizar o espaço livre em disco. Neste modo os 2336 bytes destinados a dados são preenchidos com zeros. (ECMA, 1996) CAPACIDADE E TAXA DE TRANSFERÊNCIA DE DADOS CD-ROMs com dimensões de 12 cm de diâmetro por 1,2 mm de espessura comportam, normalmente, entre 650MB e 700MB de dados ou então 74 ou 80 minutos de áudio. A taxa de transferência de dados pode chegar a 56x (cada 1x equivale a 150 KiB/s), que representa até 68,8Mbit/s a rotações por minuto. (PRADO, 2006) De acordo com Stallings, em um CD os dados são escritos a uma velocidade de 1,2 m/s (1x). A velocidade para leitura de dados em um CD é sempre constante, podendo ser linear ou angular. Ao utilizar velocidade linear constante o disco é lido seqüencialmente da borda interna para a borda externa a velocidades de até 12x (14,4 m/s). Para manter uma velocidade linear constante à medida que a cabeça de leitura move-se para diferentes posições a velocidade angular varia de 500rpm no centro do disco a 200rpm na borda externa do disco (em relação à 1x). Ao utilizar velocidade linear constante há um maior atraso rotacional na borda externa do disco, o que pode afetar o tempo de acesso a informações localizadas nessa região. (STALLINGS, 2002) Quando o disco é lido utilizando velocidade angular constante o número de rotações por minuto do disco não sofrerá variações quando medida em duas

15 14 posições diferentes do disco. A vantagem de utilizar velocidade angular constante é que a cabeça de leitura pode mover-se para qualquer setor do disco ao buscar por um setor específico, endereçando blocos individuais de dados por trilha e setor. Discos de áudio são sempre executados a 1x, de modo que o tempo total de reprodução seja o da capacidade indicada pelo fabricante (entre 74 e 80 minutos). 2.2 DISCO VERSÁTIL DIGITAL O DVD foi comercialmente introduzido no Japão primeiramente, em novembro de Trata-se de uma evolução dos CD-ROMs, já que as tecnologias empregadas para leitura e escrita são similares. A principal inovação é o disco poder conter mais de uma camada. (ECMA, 2001) O DVD é o meio mais popular para distribuição de filmes, sendo esta uma de suas principais aplicações. É comum ser utilizado para distribuição de softwares, armazenamento de dados e backup TECNOLOGIA O DVD emprega um laser com comprimento de luz menor do que o do CD, de 650nm. Isso permite que as cavidades destinadas a dados sejam menores, já que a área atingida pelo laser será inferior. Dado o comprimento da onda, a cor da luz emitida pelo laser é vermelha. A distância das trilhas no DVD é de 0,74µm, menos da metade da distância das trilhas em um CD, tornando possível aumentar consideravelmente sua capacidade de armazenamento. (PRADO, 2006) O formato do DVD também foi definido e padronizado pela ECMA International. Diferentemente do CD-ROM, cada variante do DVD possui uma norma diferente. A norma ECMA-267 de abril de 2001 (terceira edição) contém o padrão do DVD-ROM e a norma ECMA-359 de dezembro de 2004 define as características do DVD-R com no máximo uma camada de dados em cada lado disco.

16 15 Figura 2 Diferenças das trilhas do CD, DVD e Blu-Ray. Fonte: Blu-Ray Disc Association (2004) O DVD pode possuir até duas camadas de policarbonato, cada uma de 0,6mm, resultando na mesma espessura do CD. Além disso, o comprimento mínimo das cavidades em um DVD é de 0,4µm. Ao ajustar o laser empregado para que focalize em diferentes profundidades, é possível acessar mais de uma camada. No DVD a camada superior de policarbonato (mais próxima do laser) é semitransparente, de modo que o laser consiga atravessá-la para atingir a segunda camada e a camada refletiva. (PRADO, 2006) ESTRUTURA DE DADOS De acordo com a norma publica pela ECMA International em 2001, os dados em um DVD são armazenados em estruturas chamadas de quadro de dados. Cada quadro de dados possui 12 filas com 172 bytes cada, totalizando 2064 bytes por quadro. O início da primeira fila de cada quadro contém obrigatoriamente 4 bytes de identificação, 2 bytes com um código de identificação do código de detecção de erros

17 16 e 6 bytes chamados de RSV. Os 160 bytes restantes da primeira fila são destinados ao armazenamento de dados acessíveis ao usuário. Os últimos 4 bytes da última fila são utilizados para armazenar o código de detecção de erros. Em cada quadro há 2048 bytes disponíveis para armazenar dados que podem ser acessados pelo usuário. (ECMA, 2001) Os bytes destinados a identificação incluem o número do setor do quadro de dados e informações do setor. O campo com 6 bytes chamado de RSV é destinado a aplicações específicas que dependem deste campo para executar o conteúdo do disco. Aplicações de vídeo normalmente utilizam este recurso. Os 2048 bytes de dados armazenados na área acessível ao usuário são criptografados de um modo que a ordem dos bits é alterada de acordo com o padrão definido pelas normas da ECMA International. O procedimento de alterar a ordem dos bits é feita seqüencialmente em blocos com 16 quadros. Cada bloco com 16 quadros recebe configurações de ECC, de modo que são acrescentados os bytes necessários para que os procedimentos de verificação de erros possam funcionar. O tamanho total de cada bloco de dados com ECC é de bytes, com bytes de dados acessíveis pelo usuário. (ECMA, 2001) Para gravar os dados no disco o bloco de ECC é divido em 16 quadros de gravação com 2366 bytes cada, sendo que cada quadro é divido em 13 linhas de 182 bytes CAPACIDADE E TAXA DE TRANSFERÊNCIA DE DADOS DVDs podem armazenar, nominalmente, entre 4.7GB e 17.08GB de dados. O aumento no armazenamento é significativo se comparado ao CD. As mídias mais utilizadas no mercado armazenam 4.7GB, usada para gravação geral de dados, e de 9.4GB, utilizada pela indústria fonográfica para distribuição de filmes e conteúdo audiovisual. Discos que apresentam maiores capacidades possuem dupla densidade e/ou até quatro camadas de dados, duas em cada uma de suas superfícies, de modo que não há camada de rótulo. As taxas de transferência de DVDs variam de 1x a 24x, mas a equivalência é diferente da usada nos CDs. A taxa de transferência de 1x para um DVD equivale a

18 17 1,35MB/s (1440 rpm ou 24 Hz). Discos próprios para 24x podem, portanto, atingir uma taxa máxima de transferência de 32,40MB/s. (ECMA, 2001)

19 18 3 BLU-RAY O Blu-Ray foi lançado oficialmente, de forma comercial, no dia 20 de junho de 2006, quando os primeiros títulos de filmes foram lançados no formato. A tecnologia empregada nos Blu-Ray nada mais é do que uma evolução daquela empregada nos CDs e DVDs, permitindo desta vez um grande número de camadas. O Blu-Ray não é compatível com reprodutores construídos para reproduzir DVDs ou CDs, mas os aparelhos aptos a reproduzir Blu-Ray podem reproduzir seus antecessores. Isso acontece devido ao comprimento da onda utilizada para ler dados escritos em um Blu-Ray: não é possível adaptar um reprodutor de DVD para ler trilhas mais finas do que a de um DVD, mas é possível adaptar reprodutores de Blu- Ray para ler trilhas mais espessas de dados. (WATSON, 2004). A necessidade de um disco óptico de alta densidade surgiu com a popularização da televisão de alta definição e a distribuição de vídeo em alta definição, que trabalha com resoluções de até 1920 x 1080 pixels (contra 720 x 480 pixels do DVD). Para atingir tal resolução foi necessário alterar o modo de compressão do vídeo. Em DVDs é predominante a compressão no formato MPEG2, que permite armazenar até 240 minutos de vídeo em um disco de 9.4GB sem perda de qualidade. Para armazenar vídeo digital de alta definição em um Blu-Ray o foi necessário adaptar o formato MPEG4 que já estava em sua nona versão. A versão 10 do codec MPEG4 (que é conhecida como MPEG4 Advanced Video Coding ou MPEG4 Parte 10). Este formato de compressão gera arquivos muito maiores do que o formato utilizado pelo DVD, por conter mais quadros por segundo e sustentar uma taxa de transferência superior, o que não permite incluir uma quantia significativa de vídeo em um DVD. 3.1 TECNOLOGIA O nome Blu-Ray foi escolhido pelo fato da luz emitida pelo laser ser próxima de um tom de azul (na realidade, a luz é roxa). O comprimento da onda é de 405nm. (BLU-RAYDISC, 2008) O comprimento menor de onda empregado no Blu-Ray permite que as trilhas sejam muito mais finas do que as empregadas nos DVDs. No entanto, o sistema de laser é mais complexo e custoso. (WATSON, 2004).

20 19 A normatização do Blu-Ray foi definida pela Blu-Ray Disc Association, uma associação de cerca de 30 empresas. De acordo com os trabalhos publicados pela Blu-Ray Disc Association os fabricantes dos discos possuem uma grande flexibilidade para desenvolver seus próprios discos. Para o Blu-Ray, o comprimento das trilhas é de 0.32µm, e a camada de dados, composta de policarbonato, fica a apenas 0,1mm da superfície exposta ao laser, ou seja, a distância é seis vezes menor do que em um DVD. A menor distância entre o laser e a camada de dados resulta uma baixa taxa de erros de leitura ou escrita, permitindo a escrita nas trilhas não sofra interferência. O comprimento mínimo de cada cavidade é de apenas 0,15µm. (WATSON, 2004). Devido ao fato de os dados ficarem muito próximos da superfície do disco, a camada de policarbonato é extremamente vulnerável a arranhões e danos causados pelo uso diário. Para tentar contornar este problema, cada fabricante deve optar por um método próprio de proteção para os dados, de modo que isso não afete o desempenho, especificações técnicas ou aspecto do disco. Outro aspecto do disco que fica a critério do fabricante diz respeito ao material utilizado na fabricação do disco. Apesar de normalmente os discos serem fabricados com ligas metálicas e materiais inorgânicos, a TDK comercializa discos fabricados inteiramente com materiais orgânicos. (BLU-RAYDISC, 2008) Figura 3 Principais diferenças físicas entre o DVD e o Blu-Ray. Fonte: Blu-Ray Disc Association (2004)

21 20 O Blu-Ray é utilizado em aplicações que exigem alta definição de imagem ou som, incluindo os mais recentes formatos de televisão em alta definição e para armazenamento de dados. (WATSON, 2004) Os dados acessíveis ao usuário são armazenados em setores lógicos de 2048 bytes que ficam dentro de blocos de ECC de bytes. (BLU-RAYDISC, 2008) 3.2 CAPACIDADE E TAXA DE TRANSFERÊNCIA DE DADOS Existem discos com uma camada de dados ou duas. Discos com uma camada de dados estão disponíveis em versões com capacidade de 25GB ou 50GB e discos com dupla camada em versões de 50GB ou 100GB. A taxa de transferência para o Blu-Ray é lida de maneira diferente se comparada a do DVD. Está disponível em velocidades que variam de 1x a 12x, sendo que 1x equivale a 4,5MB/s, permitindo uma taxa de transferência máxima de 54MB/s, cerca de 22MB/s a mais que o DVD. (BLU-RAY DISC FOUNDERS, 2004) Os discos Blu-Ray são lidos e gravados utilizando velocidade linear constante. Em discos de 25GB ou 50GB a velocidade de referência (1x) é de 4,92 m/s. (BLU- RAYDISC, 2008) 3.3 DESENVOLVIMENTO FUTURO Apesar das normas definidas para a fabricação dos discos indicarem capacidades de 25GB ou 50GB os fabricantes possuem flexibilidade para desenvolver a tecnologia de modo a preservar sua base. Engenheiros da TDK e da Hitachi já mostraram um disco com quatro camadas, capaz de armazenar até 100GB. O disco foi construído mantendo todas as características iniciais do Blu-Ray e, segundo os fabricantes, são compatíveis com reprodutores disponíveis no mercado. (CDRINFO, 2007) Em 2007 a Ritek anunciou a criação de um disco experimental capaz de armazenar 250GB em dez camadas, porém, segundo o próprio fabricante, o disco não é compatível com os reprodutores e gravadores no mercado. (YAM, 2007)

22 21 Figura 4: Blu-Ray experimental da Sony. Fonte: Sony Corporation (2008) Em dezembro de 2008 a Pioneer revelou ter desenvolvido um disco capaz de armazenar 400GB (contendo 16 camadas de 25GB cada) que pode ser compatível com a tecnologia no mercado após uma atualização dos firmwares dos equipamentos fabricados pela própria Pioneer. A Pioneer pretende ainda chegar a discos de 1TB até (DIGITIMES, 2008) Em janeiro de 2010 a Sony anunciou planos para trabalhar com a Panasonic para aumentar a capacidade dos discos de 25GB para 33.4GB, ampliando a capacidade da camada de dados. (DREUTH, 2010) A fabricação de discos com especificações dimensionais referentes à espessura da camada de dados, largura da trilha e comprimento das cavidades implica em desenvolver novos equipamentos e até mesmo lasers com características específicas para atender a novos requisitos ópticos. Este processo pode inviabilizar a comercialização de discos com tais características por conta do custo de produção e da tecnologia agregada. Algo semelhante ocorre na fabricação de microprocessadores para computadores pessoais, onde diminuir o tamanho dos transistores é viável, mas unir vários núcleos com tecnologias já existentes pode ser mais produtivo e rentável.

23 22 4 ARMAZENAMENTO HOLOGRÁFICO O armazenamento holográfico é uma tecnologia que pode, potencialmente, substituir os meios ópticos convencionais para armazenamento removível. Dispositivos magnéticos ou ópticos baseiam-se em bits únicos sendo armazenados através de mudanças magnéticas ou ópticas na superfície da mídia. O método holográfico supera essa barreira ao aproveitar não apenas a superfície, mas o volume da mídia e ser capaz de ler diversas páginas de bits em uma mesma área utilizando luz em ângulos diferentes. Além disso, enquanto o armazenamento óptico trabalha de maneira linear, o método holográfico pode ler e gravar paralelamente milhões de bits simultaneamente, alcançando taxas de transferência extremamente altas. 4.1 MEMÓRIA HOLOGRÁFICA A memória holográfica oferece a possibilidade de armazenar 1TB de informações em um cristal do tamanho de um cubo de açúcar, ou seja, um trilhão de bytes. (BONSOR, 2000). A idéia de usar memória tridimensional surgiu nos anos 60 com o cientista Pieter J. van Heerden, empregado da Polaroid. Durante os anos 70 e 80 muitos avanços foram registrados na área, incluindo testes bem sucedidos de gravações e leitura de dados. No entanto, não havia tecnologia suficiente disponível para que a memória holográfica pudesse ser viabilizada comercialmente. 4.2 FUNCIONAMENTO A Lucent e a IBM foram pioneiras na criação de protótipos de dispositivos capazes de armazenar hologramas em mídias removíveis. Embora um pouco diferentes, as técnicas possuíam o mesmo fundamento. Os componentes básicos para a construção de um dispositivo do tipo incluem um laser azul/verde, espelhos para dividir o raio emitido pelo laser, um painel LCD (modulador de luz espacial), lentes para focar os raios, material fotossensível para armazenar dados e um sensor CMOS. (BONSOR, 2000)

24 23 Quando o laser é disparado, o feixe de luz é dividido em dois raios. Um deles, chamado de sinalizador, atravessa o espelho divisor dos raios e viaja através do modulador de luz espacial. O modulador é um painel LCD que exibe páginas de dados binários, identificando os estados através de caixas claras ou escuras. A informação do painel é carregada pelo raio sinalizador até o material fotossensível. O segundo raio, chamado de raio de referência, ricocheteia o divisor de raios e segue um caminho diferente do raio sinalizador até o material fotossensível. Quando os dois raios se encontram novamente, no material fotossensível, a interferência gerada armazena os dados obtidos pelo raio sinalizador (usando o painel LCD) em uma área específica no materal. Os dados são armazenados como um holograma. (BONSOR, 2000) Figura 5: Diagrama do processo de gravação em memória holográfica. Fonte: Lucent (2004) Uma grande vantagem da memória holográfica é que uma página inteira armazenada em um determinado material fotossensível pode ser recuperada rapidamente e de uma só vez. Para ler e reconstruir a página armazenada, o raio de referência incide no material fotossensível exatamente no mesmo ângulo utilizado por ele para armazenar aquela página de dados. Cada página é armazenada em local diferente no material, determinado pelo ângulo de incidência do raio de referência. (BONSOR, 2000) Durante a reconstrução o raio sofrerá difração pelo material fotossensível para permitir que a página seja reconstruída. A página reconstruída é então direcionada

25 24 ao sensor CMOS, que interpretará a imagem que havia sido gerada pelo painel LCD. (BONSOR, 2000) Note que o detalhe chave para o armazenamento holográfico está no ângulo que o raio de referência incide no materal fotossensível para recuperar uma página, que deve ser exatamente o mesmo utilizado durante a sua escrita. Uma diferença de um milionésimo de milímetro resultará em falhas ao tentar ler as informações. Figura 6: Diagrama do processo de leitura de dados em memória holográfica. Fonte: Lucent (2004)

26 25 5 DISCO VERSÁTIL HOLOGRÁFICO O disco versátil holográfico, ou HVD, consiste em um disco voltado para armazenamento utilizando hologramas. Em outubro de 2010 ainda não havia no mercado soluções comerciais viáveis que entregam tal tecnologia. Figura 7: Disco holográfico versátil da Optware. Fonte: Optware (2008) A norma que define e padroniza o HVD é a ECMA-378, que foi publicada pela ECMA International em maio de A norma publicada traz características de um HVD com capacidade para armazenar 100GB. A normatização foi apoiada e solicitada em 2004 por quatro empresas japonesas: Fujifilm, Toagosei, Pulstec e Optware, conforme publicado no comunicado TC-44 da ECMA International. A Optware é a empresa líder no desenvolvimento do HVD. (ECMA, 2006) Em 2008 o grupo de desenvolvimento do HVD já contava com mais de 10 empresas independentes. 5.1 TECNOLOGIA A memória holográfica, conforme mencionado anteriormente é conhecida há mais de 40 anos, mas diversas características dela fez com que sua implementação em produtos comerciais fosse inviável. A memória holográfica requer um complexo conjunto óptico para criar os hologramas, se contrastado ao armazenamento óptico comum. (BONSOR, 2000) Neste trabalho será abordada a tecnologia que vem sendo desenvolvida pelo grupo de empresas liderado pela Optware, que atende a todas as especificações do padrão aprovado em 2007.

27 26 A Optware adaptou a tecnologia desenvolvida por IBM e Lucent para que fosse possível utilizar como material fotossensível a superfície de um disco. No HVD, a Optware desenvolveu um modo de fazer com que dois raios viagem no mesmo eixo e incidam no material fotossensível do disco no mesmo ângulo. Isso é feito utilizando um método chamado pela Optware de método colinear. Ainda segundo a Optware, esse método reduz significantemente a complexidade do sistema óptico, miniaturizando-o de modo que seja mais adequado para o uso de consumidores comuns. (LAYTON, 2005). Além do laser azul ou verde de (532nm), o HVD utiliza um laser vermelho, de comprimento de onda de 650nm que não é capaz de alterar o material fotossensível, no caso, o polímero utilizado para armazenar os dados no disco. O raio emitido por este laser é chamado de servo beam, ou laser de referencia, permitindo a inclusão de informações abaixo da camada destinada aos hologramas. Essas informações são armazenadas de modo semelhante a dados escritos em CDs, DVDs ou Blu- Rays, em trilhas. Essas informações são chamadas de servo data ou informações de endereçamento. Nestas trilhas são armazenadas informações referentes à localização do holograma, indicando qual o ângulo de incidência que deve ser utilizado para recuperar as informações armazenadas. (ECMA, 2007). Figura 8: Detalhe da estrutura física de um HVD. Fonte: HowStuffWorks (2005)

28 27 A estrutura de um HVD é composta de um substrato de proteção (camada mais próxima do laser), uma camada de polímero fotossensível (camada para armazenamento de dados em hologramas), uma camada contendo um espelho dicróico, que faz com o que o raio azul ou verde (para dados holográficos) seja refletido e permitindo que o raio vermelho (servo beam) possa atravessá-lo. Por fim, há um segundo substrato com a presença de trilhas para as informações trabalhadas pelo raio vermelho e uma camada refletora, que pode ser feita em alumínio, refletindo de volta o raio vermelho. O disco pode pesar ate 80g, quase o triplo do peso de um CD-ROM comum. (ECMA, 2007). As informações de endereçamento escritas e lidas pelo raio de referencia são armazenadas em trilhas com espaçamento de 1.6 µm, o mesmo espaçamento utilizado no CD-ROM. Em um HVD normatizado pela ECMA-378 deve haver trilhas, sendo que cada trilha contém bits de canal ESTRUTURA DE DADOS De acordo com a ECMA International o HVD emprega dois tipos de estrutura de dados diferentes, uma para as informações de endereçamento, parecida com a estrutura empregada no CD-ROM e outra bem distinta, utilizada para armazenar os hologramas. A estrutura de dados utilizada para armazenar as informações de endereçamento é dividida em quatro partes: cabeçalho (184 bits), sync (40 bits), dados de endereçamento (2288 bits) e land (8 bits). Cada uma dessas estruturas é chamada de setor e cada trilha possui 120 setores. O tamanho total de um setor é de 2520 bits (315 bytes). O cabeçalho da estrutura contém informações da localização do setor e é utilizada para promover a orientação do laser de referência. O cabeçalho do setor é uma estrutura relativamente complexa se comparado a qualquer outro meio de armazenamento óptico, chegando a empregar ECC para seu próprio uso e benefício. Os campos sync e land contêm dados padronizados para indicar o começo e o fim do campo que contem os dados de endereçamento, responsável por armazenar informações referentes aos hologramas. (ECMA, 2007) Para armazenar os hologramas o HVD emprega uma estrutura complexa, cuja posição no disco será apontada pelos dados de endereçamento localizados em um

29 28 setor específico no disco (camada de referencia). Uma trilha na camada de hologramas corresponde a 8 trilhas da camada de referencia, ou seja, existe aproximadamente 2520 trilhas destinadas ao armazenamento de hologramas. Os dados acessíveis ao usuário são armazenados em páginas de dados. Cada página de dados possui 1072 bytes, sendo que 1024 bytes (1 MB) são dados do usuário. Os outros bytes incluem número da página (4 bytes), cabeçalho (28 bytes) e rodapé (16 bytes). As páginas são agrupadas em blocos de 188 páginas, que darão origem aos hologramas. Os hologramas são representações de páginas de dados e seu tamanho é diferente de o tamanho real de uma página de dados. (ECMA, 2007) SISTEMA DE GRAVAÇÃO DE DADOS O sistema para gravar dados em um disco versátil holográfico consiste em um laser azul ou verde com comprimento de onda de 532nm, dispositivos para dividir e unir o feixe de luz emitido pelo laser, espelhos, um modulador de luz espacial, um sensor CMOS para interpretar os dados e a mídia de gravação com fotopolímeiro. (ORLOV, 2004) O processo de escrever dados em um HVD inicia-se com a codificação da informação no modelo binário, que será armazenado no modulador de luz espacial. O modulador converte a informação em áreas opacas ou translúcidas em uma página de bits, representando os estados zero e um do sistema binário. Esta página será carregada posteriormente pelo raio de dados. (LAYTON, 2005) Figura 9: Imagem de uma página de dados holográficos. Fonte: Optware (2008)

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