آناتومی درایوهای نوری؛ هرآنچه باید درباره ساختار آن بدانید

آیا با ساختار درایو نوری یا درایو دیسک یا به‌بیان‌دیگر سی دی، دی‌وی‌دی و بلو-ری درایو و بخش‌های مختلف آن آشنا هستید؟ در مورد ساختار خود دیسک‌ها چه اطلاعاتی دارید؟ آیا می دانید ذخیره‌سازی اطلاعات روی انواع دیسک چگونه انجام می‌شود؟ اگر در این زمینه اطلاعاتی ندارید و علاقه‌مند به کسب اطلاع در این حیطه هستید، این مطلب را از دست ندهید؛ زیرا در ادامه با بررسی آناتومی دیسک‌ها و درایوهای نوری، به‌صورت ساده و مختصر در مورد ساختار آن‌ها توضیح می‌دهیم.

اگرچه امروزه از درایو نوری مخصوصا از دی‌وی‌دی درایوها چندان استفاده نمی‌شود؛ اما این دستگاه‌ها هنوز هم در بسیاری از لپ‌تاپ‌ها و کامپیوترها دیده می‌شوند.

در دیسک درایوها برخلاف حافظه‌های SSD و HDD از جریان مغناطیسی و الکتریکی برای ذخیره‌سازی داده‌ها استفاده نمی‌شود و ذخیره‌سازی با استفاده از نور یا به بیان دقیق‌تر بازتاب نور انجام می‌شود؛ به عبارت دیگر برای ذخیره اطلاعات روی دیسک‌ها از تداخل امواج الکترومغناطیسی مرئی و مادون‌قرمز استفاده می‌شود.

ایده ذخیره‌سازی داده‌های دیجیتال با استفاده از نور و دیسک، برای نخستین بار در سال ۱۹۷۰ توسط فیزیکدانی آمریکایی به نام جیمز راسل (James Russell) مطرح و پنتنت آن نیز در همان سال به ثبت رسید. اگرچه سیستمی که این فیزیکدان طراحی کرده به دیسک درایوهایی که امروزه از آن‌ها استفاده می‌کنیم، شباهتی ندارد؛ اما ساختار پایه هر دو سیستم کاملاً یکسان است.

مدتی بعد شرکت‌های بزرگی مثل سونی و فیلیپس از اختراع جیمز راسل استقبال کردند و یادداشت‌هایی از حق اختراع او برداشتند. سرانجام در سال ۱۹۷۸ با وجود اختلافات و نزاع‌های زیاد، لایسنس تولید نخستین نوع دیسک یعنی دیسک لیزری (LaserDisc) و در سال ۱۹۸۲ لایسنس تولید دیسک فشرده یا کامپکت دیسک (Compact Disc) به ثبت رسید.

کامپکت دیسک همان دیسکی است که ما آن را به‌عنوان سی‌دی (CD) می‌شناسیم. در این نوع دیسک‌ها تنها یک بار ذخیره‌سازی اطلاعات امکان‌پذیر است و نمی‌توان اطلاعات ذخیره‌شده را پاک کرد و اطلاعات جدیدی روی آن ذخیره کرد؛ اما با عرضه سی‌دی‌ ری رایتبل (re-writeable CD) در سال ۱۹۸۷ که با عنوان سی‌دی‌ RW نیز شناخته می‌شود، این محدودیت ذخیره‌سازی اطلاعات روی دیسک برداشته شد و کاربران می‌توانستند اطلاعات موجود روی این نوع سی‌دی‌ را پاک و اطلاعات جدید را به‌راحتی روی آن‌ ذخیره یا به‌اصطلاح رایت کنند.

در سال ۱۹۹۵ نسخه بهتری از سی‌دی تحت عنوان دیسک دیجیتال چندمنظوره (Digital Versatile Disc) یا همان DVD عرضه شد و چهار سال بعد نسخه ری رایتبل دی‌وی‌دی نیز روانه بازار شد. نسل بعدی دیسک‌ها یعنی دیسک بلوری (Blu-ray Disc) که BD نیز نام دارد، در سال ۲۰۰۳ عرضه و نسخه ری رایتبل آن در سال ۲۰۰۸ به بازار راه یافت.

ساختار دیسک‌ها
دی وی دی
اجازه دهید برای شروع کار ابتدا ساختار یک دی‌وی‌دی RW را بررسی می‌کنیم. ماده پایه مورداستفاده برای ساخت این نوع دیسک، نوعی پلیمر به نام پلی (متیل متاکریلات) یا PMMA است که برای ساخت دو دیسک با ضخامت ۰.۶ میلی‌متر مورداستفاده قرار می‌گیرد. این دو دیسک روی هم قرار می‌گیرند و درنهایت به یک دیسک تبدیل می‌شوند. در دیسک زیرین از یک لایه فلز مثل طلا یا نقره و یک لایه از موادی خاص با عنوان مواد تغییر فاز دهنده (phase change material) استفاده می‌شود.

میزان خاصیت انعکاس ماده (میزان بازگشت نور از سطح آن) به فازی که در آن قرار دارد، بستگی دارد. وضعیت این ماده با استفاده از اشعه لیزر کوچکی که ماده را حرارت می‌دهد، بین دو حالت سوئیچ می‌شود. پس از گرم شدن این ماده، الگوی نقاط گرم شده در امتداد شیار مارپیچ موجود روی دیسک ایجاد می‌شود. این فرایند دقیقاً در دیسک‌های گرامافون هم ایجاد می‌شود.

در مرحله بعدی همان پرتو لیزری که ماده تغییر فاز دهنده را حرارت داده است، باز هم مورداستفاده قرار می‌گیرد و این بار در حالی که دیسک می‌چرخد، برای اسکن کردن نواحی اطراف شیار استفاده می‌شود (البته این پرتوی لیزر در هنگام اسکن قدرت بیشتری دارد). زمانی که پرتوی دیسک به الگوی نقاط حرارت‌داده‌شده برخورد می‌کند، میزان نور بازتاب شده مشخص می‌کند که داده ذخیره‌شده در حالت ۰ قرار دارد یا ۱.

هر چقدر شیار ایجادشده روی یک دیسک طولانی‌تر باشد و فاصله بین نقاط روی آن هم کمتر باشد، می‌توان اطلاعات بیشتری را روی آن ذخیره کرد؛ البته این موضوع را نیز نباید فراموش کنیم که هرچقدر شیار و نقاط ایجادشده روی دیسک کوچک‌تر باشند، پرتوی لیزر کوتاه‌تری هم موردنیاز است.

ساختار دیسک نوری
در تصویر بالا اندازه طول موج لیزر مورداستفاده در سی‌دی، دی‌وی‌دی و بلوری با یکدیگر مقایسه شده است. در این تصویر می‌بینید نوع امواج الکترومغناطیسی مورداستفاده توسط لیزر استفاده شده در انواع دیسک و همچنین فاصله بین شیار مارپیچ و الگوی نقاط را ببینید. چنانچه اعداد نمایش داده شده در این تصویر کمی برای شما نامفهوم هستند، باید بگوییم که در سی‌دی از لیزر مادون‌قرمز، در دی‌وی‌دی از لیزر قرمز و در بلوری از لیزر بنفش استفاده می‌شود نه آبی. (لازم به ذکر است که واژه بلوری (Blue ray) به معنی اشعه آبی است).

به دلیل اینکه قطر هر سه دیسک کاملاً یکسان است، برای به حداکثر رساندن ظرفیت ذخیره‌سازی آن‌ها، علاوه بر ترکیب کردن چند نوع متفاوت لیزر با یکدیگر از روش‌های مختلف دیگری نیز استفاده می‌شود. این روش‌ها شامل ایجاد شیار در هر دو طرف دیسک، استفاده از دو شیار در فاصله بسیار نزدیک به یکدیگر (دیسک‌های دارای این ساختار با نام دیسک‌های دولایه یا dual layer شناخته می‌شوند) و فشرده‌سازی داده می‌شود. حداکثر ظرفیت ذخیره‌سازی سی دی ۰.۸۴ گیگابایت، دی‌وی‌دی ۴.۷ گیگابایت و بلوری ۱۰۰ گیگابایت است. ظرفیت‌های ذکرشده برای دیسک‌های RW است.

همان‌طور که در ابتدای مقاله گفتیم امروزه استفاده از دیسک‌ها برای ذخیره‌سازی داده‌ها به میزان زیادی کاهش یافته است و شما می‌توانید یک فلش مموری ۱۲۸ گیگابایتی را تنها با قیمتی در حدود ۲۱۰ هزار تومان یا حتی کمتر بخرید. از سوی دیگر با گسترش استفاده از سرویس‌های استریم ویدیویی آنلاین، ذخیره‌سازی محتوای رسانه‌ای روی حافظه‌های فیزیکی به میزان قابل‌توجهی کاهش یافته است و دیگر محتواهایی مثل فیلم و موسیقی کمتر روی حافظه‌های فیزیکی ذخیره می‌شوند.

آناتومی درایو دیسک
اکنون که با ساختار انواع دیسک و نحوه کار آن‌ها آشنا شدیم، اجازه دهید بررسی آناتومی درایو دیسک را آغاز کنیم. برای بررسی آناتومی این دستگاه، یک درایو دی‌وی‌دی نسبت قدیمی را انتخاب کرده‌ایم. این درایو نوری مانند درایوهای نوری مورداستفاده برای کامپیوترهای دسکتاپ، از طریق رابط اتصال SATA (ساتا) به مادربرد متصل می‌شود. حافظه‌های HDD نیز از طریق همین رابطه اتصال به مادربرد متصل می‌شوند.

درایو نوری
طرح و ساختار کلی درایو نوری نمایش داده شده در تصویر بالا دقیقاً مانند یک حافظه HDD است. در قسمت میانی این دستگاه یک موتور برای چرخاندن میله گردی که دیسک روی آن قرار گرفته است، تعبیه شده است. یک بازوی متحرک همراه با هد خواندن و نوشتن برای دسترسی به داده‌ها نیز در این دستگاه دیده می‌شود. اگر درایو دی‌وی‌دی را برگردانیم می‌توانیم این بازوی متحرک را بهتر ببینیم.

ساختار درایو نوری
در حافظه‌های HDD برای حرکت دادن بازو از روش الکترومغناطیس استفاده می‌شود (ایجاد تعامل بین میدان یا جریان الکتریکی و میدان مغناطیسی)؛ اما در درایوهای نوری برای انجام این کار از موتور استپر یا موتور پله‌ای استفاده می‌شود ( موتور استپر وسیله‌ای مکانیکی است که با دریافت کردن پالس الکتریکی به مقدار ثابت و مشخص شده‌ای می‌چرخد) که به یک پیچ از جنس سرب، متصل شده است. شما می‌توانید این اجزا در قسمت پایین سمت راست تصویر بالا به‌راحتی مشاهده کنید. اکثر قسمت‌های این اجزا در زیر نوار اتصال مسی‌رنگ پنهان شده‌اند.

ساختار درایو نوری
تصویر بالا قسمت اصلی درایو نوری را مشاهده می‌کنید.

در این تصویر یک قاب پلاستیکی را می‌بینید که سیستم لیزر را در خود نگه داشته است. در کنار این سیستم دو مجموعه سیم‌پیچی مسی نیز قرار دارد که برای ایجاد میدان مغناطیسی جهت معلق نگه داشتن واحد لیزر در بالای سطح دیسک استفاده می. به دلیل اینکه سیم‌پیچ‌های مسی مانند سطح دیسک هارد HDD صاف نیستند، درایوهای نوری برای نگه داشتن واحد لیزر در ارتفاع مناسب، باید معلق شوند.

سیستم لیزری درایو نوری
زمان که لنز را برداریم دیود لیزری را می‌بینیم که در زیر لنز قرار گرفته است و در کنار آن سنسورهایی تعبیه شده‌اند که برای خواندن و نوشتن و پاک کردن اطلاعات از روی دیسک مورداستفاده قرار می‌گیرند. به دلیل اینکه امکان عکس‌برداری از داخل این قسمت وجود نداشته است. می‌توانید در ویدیوی زیر ساختار این بخش را مشاهده کنید

ویدیو

توصیه می‌کنیم برای ذخیره‌سازی داده‌ها روی دیسک، از دیسک‌های استفاده کنید که تنها یک بار قابل رایت هستند؛ البته با استفاده از دیسک‌های RW بارها می‌توانید اطلاعات را روی دیسک رایت و آن‌ها را مجدداً پاک کنید (این کار برای سی‌دی و دی‌وی‌دی RW نزدیک به هزار بار امکان‌پذیر است)؛ بنابراین شما می‌توانید از دیسک‌های RW درست مانند فلش مموری استفاده کنید؛ اما نباید فراموش کنید که سرعت ذخیره‌سازی اطلاعات رو دیسک‌ها بسیار کمتر از فلش مموری‌ها است (مخصوصاً فلش مموری‌های USB 3.0) در تصویر زیر سرعت خواندن و نوشتن درایو دی‌وی‌دی CrystalDiskMark با حداکثر سرعت ۴X را مشاهده می‌کنید.

سرعت خواندن و نوشتن دی وی دی رایتر
مزایای ذخیره اطلاعات در دیسک‌ها نسبت به حافظه‌های HDD و SSD
اگرچه استفاده از دیسک‌ها برای ذخیره‌سازی اطلاعات تقریباً در حال متوقف شدن است؛ اما ذخیره اطلاعات در دیسک‌ها مزایایی نسبت به ذخیره‌سازی اطلاعات در حافظه‌های HDD و SSD نیز دارد. درصورتی‌که برای ذخیره‌سازی اطلاعات از دیسک‌هایی استفاده کنید که تنها یکبار قابل رایت هستند، اطلاعات ذخیره‌شده روی آن‌ها به هیچ وجه پاک نمی‌شوند. درضمن امکان تغییر و ویرایش این اطلاعات به‌صورت تصادفی و غیرعمدی یا با هدف دست‌کاری عمدی در اطلاعات نیز امکان‌پذیر نیست.

یکی دیگر از مزایای دیسک‌ها نسبت به انواع حافظه‌های HDD و SSD، قیمت کمتر آن‌ها است. شما می‌توانید پک چند عددی دیسک‌های خام را با قیمتی بسیار کمتر از فلش مموری و سایر انواع حافظه‌های مشابه بخرید.

در مورد مدت‌زمان ماندگاری اطلاعات روی دیسک و قابل‌استفاده بودن این اطلاعات هم باید بگوییم دیسک‌ها در این زمینه تفاوتی با فلش مموری‌ها و حافظه‌های SSD ندارند و مدت‌زمان ماندگاری و قابل‌استفاده بودن اطلاعات در هر دو نوع حافظه یکسان است. در صورت استفاده از دیسک‌های بلوری خام می‌توانید چندین ترابایت اطلاعات را برای مدت بسیار زیاد بدون نگرانی در مورد پاک شدن یا دست‌کاری شدن آن‌ها نگهداری کنید.