Lưu trữ thông tin - đĩa CD

Lưu trữ thông tin

Lưu trữ thông tin (information storage) hay là nhớ (memory) bao hàm hai khâu chính là ghi và đọc thông tin.

Ngày xưa, người ta khắc các dấu hiệu trên thẻ tre hay mai rùa để ghi nhớ một sự kiện nào đó. Khi ghi phải có quy ước dùng các dấu hiệu để diễn đạt thông tin cần ghi. Khi đọc, đơn giản là nhìn bằng mắt, nhưng cơ bản phải biết được quy ước đã dùng để ghi thì mới đọc và hiểu được thông tin. ở trình độ văn minh thì quy ước đó là chữ viết.

Trong thời đại số hoá, việc lưu trữ thông tin hiện đại hơn nhưng vẫn bao hàm hai khâu chính là ghi và đọc, trong đó có quy ước xử lý thông tin. Trước hết, người ta quy ước việc ghi, đọc thông tin dựa theo cách nhị phân: Bài viết, dữ liệu, hình ảnh, bài hát… đều được chuyển thành dãy các bit (ký hiệu là b), mỗi bit chỉ có thể có hai giá trị 1 và 0. Đơn vị thường dùng để lưu trữ là byte (ký hiệu là B, một byte có 8 bit). Chuỗi thứ tự sắp xếp các bit 0 và 1 trong một byte và thứ tự sắp xếp các byte là cơ sở của cách mã hoá, tức là những quy ước để ghi và đọc thông tin.

Muốn ghi được một mẫu thông tin phải có chất liệu để ghi, mỗi bit thông tin chiếm một thể tích nhất định, để ghi được một thông tin phảicó đủ chỗ để ghi được tất cả các bit của thông tin đó. Ví dụ, để ghi được một truyện ngắn lên một đĩa từ phải có chỗ ở trên đĩa để ghi được 8 triệu bit (tương đương 1 triệu byte và bằng 1 megabyte -1 MB). Các bộ xử lý làm nhiệm vụ mã hoá để ghi và giải mã khi đọc. Hiện nay có nhiều chất liệu, nhiều cách để lưu trữ thông tin (bằng từ, quang, cơ, điện…) nhưng tất cả các cách lưu trữ đều sử dụngđiện: Dùng điện để điều khiển ghi, lấy tín hiệu điện ra khi đọc, tức là phải xử lý bằng điện. Chúng ta sẽ tìm hiểu một số cách lưu trữ thông tin thông dụng hiện nay.

Đĩa CD

CD (Compact Disc) nghĩa là đĩa compac. Đây là đĩa lưu trữ thông tin theo phương pháp quang học, được phổ biến từ đầu những năm 80 của thế kỷ XX. Ban đầu, đĩa CD được dùng để ghi bài hát, phim, từ điển… Khi dùng để lưu trữ dữ liệu cho máy tính người ta gọi là CD - ROM.

Lúc mới ra đời, đĩa CD chỉ có ở dạng ghi sẵn. Sau đó, có đĩa CD - R có thể ghi được một lần và CD - RW ghi, xoá được nhiều lần. Giữa những năm 90 bắt đầu có đĩa DVD, nguyên tắc tương tự như CD nhưng có dung lượng lớn hơn gấp nhiều lần. Hiện nay đang có sự cạnh tranh giữa hai loại đĩa HDTV và Blue – Ray, là đỉnh cao của đĩa DVD. Tuy nhiên, đĩa CD có từ đầu và phổ biến nhất, việc tìm hiểu nó là cơ sở để hiểu các loại đĩa CD cải tiến sau này.

Để chế tạo đĩa CD, trước hết người ta dùng nhựa trong suốt ép thành các đĩa tròn, phẳng, đường kính 120 mm, dày 1,2 mm, giữa có lỗ tròn để lắp vào ổ quay.

Trường hợp sản xuất hàng loạt đĩa có cùng một nội dung (như sưu tập bài hát của một ca sĩ, một cuộn phim, quyển từ điển, chương trình cài đặt cho máy tính…), nhà sản xuất phải làm khuôn in, khi ép lên đĩa nhựa tạo ra hàng triệu triệu vết lõm nhỏ, dài ngắn khác nhau nằm dọc theo các đường tròn xoáy gọi là rãnh ghi trên bề mặt đĩa. Tiếp đó, người ta cho phủ (bằng phương pháp bốc bay) lên bề mặt đĩa một màng nhôm mỏng làm nhiệm vụ phản xạ ánh sáng chiếu tới. Trên màng mỏng nhôm này có phun một lớp nhựa acrylic để bảo vệ, trên lớp acrylic có lớp nhãn hiệu (in tên, hình ảnh, tóm tắt nội dung thông tin đã ghi trên đĩa).

Mặt không có nhãn hiệu mới là quan trọng. Vì đĩa làm bằng nhựa trong suốt nên nếu nhìn vào mặt này, xuyên qua bề dày của đĩa (tức là ởsâu 1,2 mm) ta thấy màng nhôm phản xạ đã phủ ở mặt bên kia. Những vết lõm tạo ra ở mặt bên kia (nhìn từ bên này) chính là vết lồi của màng nhôm. Có hàng triệu triệu vết lồi ngắn, dài không đều nhau,tất cả đều nằm dọc theo các đường tròn xoáy (tức là dọc theo các rãnh ghi). Đó là thông tin ghi theo kỹ thuật số ở đĩa CD. Cụ thể đối với đĩa CD loại dùng phổ biến thì vết lồi có bề rộng 0,5 μm, bềcao 0,12 μm, chiều dài trong khoảng từ 0,9 đến 3,3 μm. Nếu đi vòng theo các rãnh ghi từ ngoài vào trong cũng như từ trong ra ngoài, chiều dài tổng cộng là 5 km. Khi nhìn vào đĩa CD dưới ánh sángthông thường, ta thấy lấp lánh các màu như ở cầu vồng, đó là do giao thoa ánh sáng của các rãnh ghi nằm khít nhau.

Để đọc thông tin đã ghi trên đĩa, phải dùng đầu đọc laser. Điốt laser tạo ra chùm ánh sáng rất mạnh, nhờ các thấu kính, hội tụ thành một điểm sáng nhỏ ở ngay trên bề mặt màng nhôm. Đường kính điểm sáng này là 2 mm nhưng phần mạnh nhất ở giữa đường kính chỉ 1 μm. Khi đĩa quay tròn nhanh, bố trí cho đầu đọc laser dịch chuyển thích hợp theo bán kính của đĩa, điểm sáng mà chùm laser tiêu tụ luôn nằm trên rãnh ghi. Nói đúng hơn thì các vết lồi dài, ngắn trên màng nhôm lần lượt lướt qua điểm sáng.

Khi chỗ phẳng của màng nhôm lướt qua điểm sáng, chùm tia laser chiếu đến bị màng nhôm phản xạ, đi ngược lại, qua thấu kính và kính bán mờ, chiếu vào tấm pin quang điện, tạo ra dòng quang điện. Khi chỗ có bậc ở đầu hoặc cuối của vết lồi lướt qua điểm sáng, ánh sáng phản xạ bị phân tán phần đi ngược lại qua thấu kính chiếu vào tấm pin quang điện rất yếu, dòng quang điện sinh ra bằng không. Vì vậy khi đĩa CD quay nhanh, phụ thuộc vào các vết lồi dài, ngắn đã có trên đĩa, đầu đọc laser đọc được chuỗi các bit 1 (có dòng điện) và 0 (không dòng điện), thứ tự chuỗi các bit 1, 0 này thông qua bộ xử lý sẽ cho ra thông tin mà đĩa CD đã ghi (bài hát, hình ảnh, tập sách...).

Chú ý rằng, khi đọc thì đầu đọc (điểm sáng tiêu tụ) phải luôn ở trên rãnh ghi, các vết lồi trên rãnh ghi phải lướt qua đầu đọc với tốc độkhông đổi. Vì vậy, ổ đĩa CD có các bộ điều khiển tự động theo dõi các vết lồi ở trên đĩa để điều chỉnh dịch chuyển đầu đọc theo bán kính của đĩa cũng như thay đổi tốc độ quay của đĩa (khoảng 200 vòng/phút khi đầu đọc ở phía ngoài cùng và 400 vòng /phút khi đầu đọc vào phía trong - gần tâm đĩa).

Đĩa CD đường kính 12 cm như mô tả ở trên có dung lượng cỡ 780 MB. Nếu dùng để ghi ca nhạc có thể được 1 giờ, một cuộn phim gần 2 giờ phải dùng đến 3 - 4 đĩa, ghi tài liệu sách được vài nghìn trang.

Tại sao đĩa CD chỉ ghi được khoảng 780 MB? Thông tin được chuyển thành các vết dài, ngắn để in trên đĩa, vậy có thể thu nhỏ kích thước của các vết trên đĩa nhằm tạo ra nhiều vết hơn để chứa được nhiều thông tin hơn hay không? Ta sẽ thấy rằng dung lượng của đĩa CD bị hạn chế không phải là do không có khả năng tạo ra các vết nhỏ hơn, mà là do đầu đọc laser dùng cho đĩa CD chỉ tạo ra được điểm sáng có kích thước 2 mm. Thật vậy, khi kích thước điểm sáng là 2 mm (thực tế phần thật sáng chỉ 1 mm), chiều ngang của vết lồi nhỏ cỡ 0,5 μm là vừa cho vết lồi được chiếu sáng mạnh nhất. Đồng thời, điểm chiếu sáng có kích thước 2 μm thì khoảng cách giữa hai rãnh ghi gần nhau tối thiểu cũng phải là 1,5 μm. Nếu gần hơn, khi đầu đọc chiếu lên rãnh ghi này thì rãnh ghi bên cạnh cũng có thể bị chiếu sáng mạnh, gây nhiễu. Chính vì kích thước điểm sáng tiêu tụ ở đầu đọc laser lên đĩa CD là 2 μm, nên người ta làm kích thước các vết lồi trên rãnh là 0, 5 μm và khoảng cách giữa các rãnh là 1,5 μm, do đó chiều dài tổng cộng của rãnh đi theo hình xoáy ốc là khoảng 5 km, nên dung lượng của đĩa giới hạn ở 780 MB.

Một số kinh nghiệm bảo quản đĩa CD

Mặt không có nhãn hiệu của đĩa CD là rất quan trọng, do đó, tránh để bụi bặm bám vào mặt này, tránh làm xước, đặc biệt là các vết mực, chấm đen. Có thể lau nhẹ mặt đĩa bằng vải mềm không để lại xơ vải và nên lau theo hướng từ trong ra ngoài theo bán kính của đĩa, tránh lau theo vòng tròn vì đó là chiều dọc theo các vết ghi ở rãnh.

Mặt có nhãn hiệu không dùng để đọc nhưng lại rất gần màng mỏng nhôm phản xạ. Nếu lớp acrylic bảo vệ bị hỏng hay biến dạng sẽ làm hỏng màng mỏng nhôm ở đó, thông tin ghi sẽ bị mất.

Không được làm cho đĩa bị uốn cong vì lúc đó màng nhôm và các vết ghi trên màng nhôm sẽ bị nứt nẻ, biến dạng.

Nguồn: T/c Hoạt động khoa học, 1/2008, tr 59