Wie funktionieren CDs, DVDs und Blu-rays? #8

In den letzten Wochen haben wir uns zwei verschiedene Speichermedien angeschaut. Die Festplatten und die Flash-Speicher in SSD und USB-Stick. Es gibt aber noch eine weitere Möglichkeit, Daten zu speichern. Nämlich die optischen Speichermedien wie CDs, DVDs und Blu-Rays. Wie diese Scheiben und die dazugehörigen Laufwerke funktionieren und wieso sie noch lange nicht das Zeitliche gesegnet haben, seht ihr jetzt bei Braver. Die Grundlage aller optischen Datenspeicher stellt seit 1982 die Compact Disc oder CD dar. Diese 12 cm Scheibe mit einer Dicke von 1,2 mm setzt sich zu einem großen Teil aus Polycarbonat zusammen. Auf diesem Grundmaterial befindet sich dann noch eine sehr dünne Aluschicht, ein Schutzlack und ein aufgedrucktes Label. Die Daten befinden sich nun auf einer spiralförmigen Bahn auf der Aluschicht. Dabei bewegt sie sich vom CD-Inneren zum Äußeren und setzt sich aus Pits und Lands zusammen. Pits sind dabei die Gruben, also Vertiefungen in der Aluschicht und Lands sind sozusagen das umgebende höhere Land. Da die Pits nur 0,833 bis 3,254 Mikrometer lang, 0,5 Mikrometer breit und die einzelnen Spuren nur 1,6 Mikrometer voneinander entfernt sind, erstreckt sich die Datenspur auf einer CD über eine Länge von 6 Kilometern. Die Pits und Lands ergeben auf dieser enormen Strecke schließlich einen seriellen Code, der wieder als Nullen und Einsen interpretiert werden kann. Der Übergang zwischen Pit und Land oder umgekehrt stellt eine Eins dar und aufeinander folgende Pits oder Lands stehen dann für eine Null. So können auf einer herkömmlichen CD dann 700 MB Daten gespeichert werden. Jedoch wird nicht die komplette Datenspur für die 700 MB benutzt. Am Anfang der Datenspur befinden sich nämlich immer ein Inhaltsverzeichnis, das die Position der Daten enthält und ein Verfahren zur Fehlerkorrektur, das beschädigte Abschnitte wiederherstellen bzw. unterdrücken kann. Um solch eine CD nun lesen zu können, benötigt man ein optisches Laufwerk oder ODD, das für Optical Describe steht. Der erste wichtige Bestandteil eines optischen Laufwerks ist zunächst einmal der Motor, der die CD in Rotation bringt. Dabei wird ein Verfahren namens Constant Linear Velocity, kurz CLV, benutzt. Wie der Name schon sagt, wird dabei eine konstante Bahngeschwindigkeit gewährleistet. Je weiter innen sich die gewünschten Daten also befinden, desto schneller muss das Laufwerk sich drehen und je weiter außen, desto langsamer. Mit diesem Verfahren werden also Daten, egal wo sie sich befinden, mit konstanter Übertragungsgeschwindigkeit ausgelesen. Bei einer CD werden mit einfacher Geschwindigkeit in der Regel 150 KB Daten pro Sekunde übertragen. Mittlerweile wurden die Geschwindigkeiten der Laufwerke jedoch drastisch erhöht und somit lässt sich nun eine bis zu 72-fache Geschwindigkeit und demzufolge eine Datenrate von ca. 11 MB pro Sekunde erzielen. Zum eigentlichen Auslesen der Daten wird nun eine Laserdiode benutzt, die zusammen mit einer Linse die Datenspur abtastet. Trifft der Laser dabei auf die Aluschicht, wird er reflektiert, durch ein halbdurchlässiges Prisma geleitet und trifft schließlich auf einen Lichtdetektor, der aufgrund der dadurch erzeugten Spannung die Lichtintensität messen kann. Trifft der Laser auf ein Pit, dann wird der Strahl stärker gestreut als bei einem Lend. Anhand der erzeugten Spannungsänderungen wird somit der binäre Code von der CD abgelesen. Das Tolle an einer CD ist nun aber nicht unbedingt, dass man sie lesen kann, sondern dass man sie auch beschreiben kann. Man nennt das dann Brennen. Dazu gibt es einmal beschreibbare CD-Rohlinge, die man CD-R nennt. Das R steht hierbei für Recordable, also beschreibbar. Den Unterschied zur normalen CD macht eine Schicht unter dem Aluminium, die aus organischem Farbstoff besteht. Dazu werden zum Beispiel Cyanin-Farbstoffe verwendet. Wenn nun ein intensiver Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 780 Nanometern auf den Farbstoff trifft, wird die Lichtenergie in Wärme umgewandelt und die Struktur des Farbstoffs ändert sich an dieser Stelle. Dabei entsteht schließlich ein Pit, das die Reflexionseigenschaften des darüberliegenden Alus, manchmal auch eine zusätzliche Schicht Silber, verschlechtert. Das Auslesen funktioniert dann wieder wie bei einer normalen, schon beschriebenen CD. Diese CD-Rs kann man nur einmal beschreiben. Es gibt aber auch sogenannte CD-RWs, die bis zu 100.000 Mal wiederbeschreibbar sind. Das RW steht dementsprechend für Rewritable. Abgesehen von ein paar unterstützenden Schichten ist eine CD-RW im Grunde genommen wie eine normale CD aufgebaut, mit dem Unterschied, dass statt einer Aluschicht eine Silber-Indium-Antimon-Telur-Legierung benutzt wird. In ihrem Ausgangszustand hat diese eine polykristalline Struktur und reflektiert Licht sehr gut. Wenn man sie aber mit einem starken Laserstrahl auf 500 bis 700°C erhitzt, verflüssigt sie sich und geht in einen amorphen Zustand über, der den Laser deutlich schlechter reflektiert. Um die Legierung wieder in ihren Ausgangszustand zu bringen, wird sie nun mit nur 200°C erhitzt, wobei sie wieder in den polykristallinen Zustand zurückkehrt und Licht wieder besser reflektiert. Aufbauend auf die CD wurde dann 1990 die DVD entwickelt. Dabei steht das Kürzel für Digital Versatile Disc. Es soll also eine sehr vielseitige Disc sein, vor allem vermutlich, weil sich bei einer herkömmlichen DVD bis zu 4,7 GB speichern lassen. Dabei werden die Daten wie bei der CD gespeichert. Die Speichervergrößerung erreicht man nur durch die Verkleinerung der Datenstrukturen. Die Pids und auch der Abstand zwischen den Datenspuren werden dabei circa halbiert. Aufgrund der kleineren Strukturen wird nun ein Laser mit 650 nm Wellenlänge benötigt und die Datenschicht befindet sich weiter unten, circa mittig in der DVD, da damit eine präzisere Fokussierung des Lasers erzielt wird. So eine einfache DVD nennt sich genauer gesagt auch Single-Layer-DVD, da es nur eine Datenschicht gibt. Folgend gibt es auch Double-Layer-DVDs, bei der sich zwei Datenschichten übereinander in der DVD befinden. Die untere der beiden Schichten ist dabei halbdurchlässig, damit mit der richtigen Fokussierung des Lasers auch auf die darüberliegende zugegriffen werden kann. Eine doppelte Datenschicht verdoppelt damit natürlich die Speichergröße, es sind also 8,5 GB auf einer Double-Layer-DVD speicherbar. Außerdem gibt es dann noch DVDs, die man beidseitig lesen kann. Eine maximale Größe von 17 GB sind somit erreichbar, allerdings muss man sie für die zweite Datenhälfte umdrehen. Die Krönung der optischen Datenspeicher stellt aktuell die Blu-ray-Disc dar. Sie wurde 2002 entwickelt und hat sich seitdem auch weiterentwickelt. Ausschlaggebend für die Speichervergrößerung ist wieder einmal die Halbierung der PID-Größe und des Abstands der Datenspuren. Da bei solch kleinen Strukturen der Laser natürlich auch wieder dementsprechend präziser fokussiert werden muss, wird dabei ein Laser mit 405 nm Wellenlänge benutzt und die Datenschicht befindet sich nun fast am unteren Rand der Blu-ray. Ein Nachteil ist dabei allerdings, dass sich nur noch eine 0,1 mm dicke Schutzschicht unter der Datenschicht befindet. Dafür wurde die Speichergröße aber natürlich enorm erhöht. Ursprünglich waren mit einer Single-Layer-Blu-ray bis zu 25 GB Daten speicherbar. Inzwischen gibt es aber auch Dual- und sogar Triple- und Quad-Layer, wobei die letzten beiden meist als BDXL gekennzeichnet sind. Eine maximale Speichergröße von 128 GB sind damit möglich. Und jetzt schauen wir uns mal ein sehr aktuelles Laufwerk an, das alle genannten optischen Datenträger und sogar mehr lesen und brennen kann und das mit einer extremen Geschwindigkeit. Auf zum Specs-Check! Hier seht ihr eines der modernsten optischen Laufwerke überhaupt. Aus dem Hause Asus hört es auf den Namen BW-16D1HT. Mehr Informationen und den aktuellen Preis dazu findet ihr wie immer in der Infobox. Dieses 5,25 Zoll Laufwerk ist sowohl ein Blu-ray-Player wie auch ein Brenner und alle vorherigen Formate wie DVD und CDs sind damit natürlich auch lesbar und beschreibbar. Auf der Vorderseite gibt es eigentlich nur den Einschub für die Datenträger, den man mit diesem Kopf öffnen und schließen kann. Auf der Rückseite sieht man dann die gleiche Anbindung wie bei Festplatten und SSDs. Ein SATA-3-Anschluss für die Datenübertragung und ein 15-poliger SATA-Stromstecker. Was nun aber alles in diesem unscheinbaren Kasten steckt, sehen wir auf der Verpackung. Das große 16-mal weist sofort auf die sehr schnelle Schreibgeschwindigkeit für Blu-rays hin. Außerdem spart man dabei 50% der herkömmlichen Energiekosten. Hier steht dann nochmal genauer, dass man mit 16-facher Geschwindigkeit Blu-rays brennen kann, darunter die Kompatibilität zu den großen BDXL-Blu-rays, die bis zu 128 GB speichern können und darunter ist wohl die beste Funktion dieses Laufwerks, es unterstützt nämlich M-Discs. Meines Erachtens nach macht es nämlich nur noch Sinn, optische Datenträger zur Datensicherung zu nutzen. Und diese M-Discs haben sich nochmals darauf spezialisiert. Sie schaffen es nämlich, die Daten bis zu 1000 Jahre verlustfrei zu speichern. Blu-rays schaffen das im Vergleich nur 50 Jahre. Und damit ist die M-Disc die absolute Oberklasse der langfristigen Datensicherung und wird sich hoffentlich noch weiter durchsetzen. Als letztes Gimmick bei dem Laufwerk haben wir dann noch eine Disk-Encryption, mit der man den beschriebenen Datenträger verschlüsseln kann und der Zugriff dann nur noch mit einem gültigen Passwort möglich ist. Erstmal danke fürs Anschauen. Was haltet ihr denn davon, wenn ich nächstes Mal zur Abwechslung wieder ein normales Video zu irgendeinem nicht-technischen Thema mache? Geht dazu doch bitte mal auf meine Facebook-Seite und stimmt da ab. Wollt ihr jetzt noch die Funktion von SSDs und USB-Sticks erfahren, klickt links oben. Zur Computer-Playlist gelangt ihr rechts oben und darunter erfahrt ihr heute, wie es eigentlich zur Sekunde gekommen ist.