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28.07.1989 - 

CD-ROM, WORM und Magneto-Optische Systeme im Vergleich:

Wo stehen optische Medien in der Speicherhierarchie heute?Matthias Blumenfeld

Die traditionelle Speicherhierarchie unterscheidet zwischen drei Ebenen: An der Spitze befindet sich der schnelle Halbleiterspeicher, darunter haben sich als Hintergrundspeicher die Magnetplatten etabliert, und als dritte Ebene zur Datensicherung dienen Magnetbänder und Disketten. Je höher ein Speichermedium in der Pyramide angesiedelt ist, desto teurer und performanter ist es. Auf die Frage "Wo ist hier der Platz der optischen Speicher?", lautet die Gegenfrage "Welche optischen Speicher?"

Hier eine Auswahl. Aus der folgenden Tabelle läßt sich entnehmen, wie die Entwicklungsgeschichte der optischen Speicher verlaufen ist:

Da es uni die Speicherung digitaler Daten geht, beschränken wir uns auf CD-ROM, WORM- und MO-Platte.

CD-ROM steht für "Compact Disc - Read Only Memory", WORM für "Write Once - Read Many (Times)" Magneto-Optical".

Während sich die CD-ROM vom Anwender gar nicht beschreiben läßt, kann die WORM einmal und die MO-Platte immer wieder beschrieben werden. Allen optischen Speichern ist gemeinsam, daß sie mit Hilfe von Laserstrahlen lesen und schreiben. Insofern ist es erstaunlich, daß sich die langen Entwicklungszeiten von fünf bis sechs Jahren nicht im Laufe der Zeit verkürzt haben. Die Ursache hierfür ist, daß CD-ROM, WORM und MO auf verschiedenen Technologien beruhen.

Und nun zur Speicherhierarchie (siehe auch Abbildung 1 auf Seite 20). Meine erste These lautet. CD-ROM und WORM ergänzen die Speicherhierarchie um eine vierte Ebene, deren herausragendes Merkmal die Langzeit-Archivierung ist - im Gegensatz zur kurzzeitigen, die hier mit Datensicherung bezeichnet ist.

Die löschbare Platte wird magnetische Medien ersetzen

Bei der löschbaren Platte sieht es meiner Ansicht nach anders aus: Sie tritt in einen direkten Ablösungswettbewerb mit den magnetischen Medien und etabliert sich quasi als zweite Ebene zwischen den Magnetplatten und Bändern/Disketten. Soweit die Thesen.

Folgende Vorteile sind allen optischen Speichern gemeinsam:

- sie sind portabel,

- sie haben eine sehr große Speicherkapazität

- zwischen einem halben und mehreren Gigabyte, und

- sie verfügen über eine hohe Datensicherheit:

- es besteht keine Gefahr eines Head-Crashs wie bei Magnetplatten,

- keine Gefährdung durch Staub, Kratzer oder magnetische Felder,

- sie haben eine sehr geringe Fehlerrate und

- eine zugesicherte Lebenserwartung von bis zu 100 Jahren.

Um diese Eigenschaften zu erklären, bedarf es einiger technischer Erläuterungen. Die optische Speichertechnik beruht auf Laserstrahlen (siehe auch Abbildung 2 auf Seite 20). Dabei kommen Schreib- und Lesestrahlen aus derselben Laserdiode. Von dort wird der Laserstrahl am Splitter, einem einseitig wirkenden Spiegel, rechtwinklig abgelenkt, über einen Spiegel fein-positioniert und dann durch ein Linsensystem auf eine Stelle fokussiert, die einen Durchmesser von weniger als einem Mikrometer hat, das heißt weniger als ein Tausendstel Millimeter.

Der reflektierte Strahl kommt auf demselben Weg zurück und gelangt durch den Splitter über ein Linsensystem zu den Detektoren.

Hier wird geprüft, ob eine hohe oder eine niedrige Intensität der Reflektion vorliegt, die dann als "1" oder "0" interpretiert wird (bei MO etwas anders).

Der "Head-Crash" gehört zum alten Eisen

Bei Magnetplatten sind weniger als ein Tausendstel Millimeter Abstand zwischen Lesekopf und Platte üblich, so daß schon die kleinsten Unebenheiten, Staubkörnchen etwa, zum gefürchteten Head-Crash führen. Das ist bei optischen Speichern unmöglich, denn die Fokussierlinse hat einen Abstand von einem Millimeter oder mehr. Das liegt daran, daß bei optischen Speichern die Energie der Information nicht von der Platte geholt, sondern über den Laserstrahl von außen zugeführt wird.

Außerdem ist die Informationsschicht von einer durchsichtigen Schutzschicht aus Glas oder Polycarbonat überzogen, die auch Kratzer und Staubpartikel vertragen kann.

Die Aufzeichnungsdichte, gemessen in Bits pro Zoll (bpi), liegt bei magnetischen und optischen Speichern gleichermaßen bei zirka 25 000 bpi. Dadurch aber, daß die Spuren auf optischen Platten dicht bei dicht liegen und eine Spurdichte von 16 000 bpi

(Spuren pro Zoll) erreichen, ergibt sich eine zehnmal so hohe Packungsdichte wie bei Magnetplatten.

Die Voraussetzung für diese hohe Spurdichte liegt in Servo-Mechanismen, die ein Abgleiten in die etwas tiefer gelegene Rinne bemerken und korrigieren und so den Laserstrahl auf 0,1 Mikrometer genau in der Spur halten (siehe Abbildung 2).

Die Lebenserwartung optischer Medien wird mit Verfahren des beschleunigten Alterns gemessen. Zugesichert werden zwischen 10 Jahren, wie etwa bei der MO, bis hin zu 100 Jahren bei Sonys WORM.

Eine Fehlerkorrektur nach dem Reed-Solomon Verfahren verbessert die physikalische Fehlerrate von (10E-4) bis auf (1 0E-12), das ist ein einziger Fehler pro 125 gelesenen Gigabyte.

Soweit die Eigenschaften, die CD-ROM, WORM und MO gemeinsam sind. Die speziellen Eigenschaften dieser Medien sind folgende:

Drei Eigenschaften machen CD-ROM besonders geeignet zum Verteilen großer Informationsmengen:

- die Abspielgeräte sind preiswert,

- die Mediakosten sind vergleichsweise gering, und vor allem,

- sie sind standardisiert.

Abspielgeräte für CD-ROM profitieren vom Preisverfall bei den Compact-Disc-Spielern, denn alle wesentlichen Teile sind gleich. Hinzu kommt nur etwas Interface-Elektronik, wie etwa ein SCSI-Controller.

Daher kosten CD-ROM-Laufwerke weniger als 2000 Mark, während 12-Zoll-WORM-Laufwerke um die 15 000 Mark und 5?-Zoll-MO-Laufwerke um die 10 000 Mark kosten.

CD-ROMs werden gepreßt, und es macht kaum Sinn, weniger als 100 Stück zu fertigen. Da auch hier die Compact-Disc-Anlagen verwendet werden können, sind die Kosten inzwischen auf 4000 Mark pro 100er Auflage gefallen. Bei 1000 Stück kostet die Disc nur noch 7 Mark und bei 10 000 sogar nur 3 Mark.

Die Kosten pro Megabyte liegen bei WORM und MO deutlich höher, anstelle von 8 Pfennigen betragen sie 31 Pfennige bei WORM und 75 bei MO. Aber dafür kann schon mit der Auflage begonnen werden. Und was läßt sich nicht alles auf dem halben Gigabyte einer CD-ROM unterbringen! Hier ein Beispiel: die "Microsoft Programmers Library" mit über 40 Nachschlagewerken und vielen Programmbeispielen. Abgesehen davon, daß diese Bücher einen Meter Regalplatz einnehmen und sich viel weniger bequem nutzen lassen, liegen die Herstellungskosten bei mehreren Hundert Mark und der Verkaufpreis über den 2000 Mark, die das Abspielgerät kostet. Das heißt CD-ROM rentiert sich häufig schon bei einer einzigen Anwendung.

Der dritte Vorzug von CD-ROM gegenüber den anderen optischen Speichern liegt darin, daß CD-ROM standardisiert ist.

Der erste Standard, das "Rote Buch", bezieht sich auf das CD-Audioformat und fixiert das Aufzeichnungsverfahren (EFM, die "eight to forteen modulation"), die Formatierung (eine von innen nach außen geführte Spirale, die mit konstanter Spurgeschwindigkeit gelesen wird) und die Fehlerkorrektur (CIRC Cross-Interleaved Reed-Solomon Code).

Darauf aufbauend definiert das "Gelbe Buch" das CD-ROM Datenformat, das einen zusätzlichen Reed-Solomon-Code vorsieht, der das Fehlerniveau von (10E-7), wie bei Audio üblich, auf (10E-12) senkt.

Die dritte Ebene ist das Dateiformat, die sogenannte "High Sierra Vereinbarung" (ISO 9660), welche eine hierarchische Verzeichnisstruktur Ó la MS-DOS auf der CD-ROM definiert.

Und als vierte wurde in diesem Jahr die CD-ROM XA vorgestellt, die "Extended Architecture, die eine Brücke zwischen CD-Interactive und CD-ROM schlagen soll: Die Formate für Grafik und komprimierte Audioaufzeichnung sind dem "Grünen Buch" von CD-1 entnommen.

Beispiele für CD-ROM-Publikationen gibt es auf verschiedenen Gebieten. Besonders häufig finden sich Nachschlagewerke, die es auch in Buchform gibt. Bibliographische Kataloge und Bibliothekskataloge gehörten ebenfalls zu den ersten Anwendungen. Neu dagegen sind Zeitschriftensammlungen wie die von Ziff: Wöchentlich werden die zehn wichtigsten PC-Zeitschriften gesammelt, die dann monatlich an die Abonnenten versandt werden. Dabei wird die letzte CD-ROM jeweils ausgetauscht. Besonders interessant ist das Gebiet der technischen Dokumentation. Beispiele sind hier die HP3000-Manuale und die Wartungsmanuale der Boeing 757. Diese CD-ROM enthält nicht nur Texte, sondern auch CAD-Zeichnungen. Es genügt, per Maus den relevanten Teil der Zeichnung anzuklicken und schon erscheint die korrespondierende Beschreibung.

WORM-Platten eignen sich für Langzeit-Archivierung

WORM ist nicht standardisiert Und das bezieht sich nicht nur auf die höheren Schichten wie Verzeichnisstrukturen und Fehlerkorrektur-Codes, sondern fängt schon mit der Formatierung an. Nebeneinander gibt es CLV wie bei CD-ROM, CAV wie bei Magnetplatten und gemischte Formate wie etwa ZCAV.

Bei CLV, der "Constant Linear Velocity" , haben die einzelnen Blöcke stets dieselbe Länge. Daher bleibt die Spurgeschwindigkeit konstant und die Drehgeschwindigkeit variiert bei - Compact Discs zwischen 200 und 500 Umdrehungen pro Minute.

Das Gegenstück dazu ist die CAV, die "Constant Angular Velocity", das heißt konstante Drehgeschwindigkeit, so wie sie bei Magnetplatten üblich ist. Ihr Vorteil ist die schnelle Zugriffsmöglichkeit und der Nachteil die schlechte Raumausnutzung; bei CLV läßt sich 60 Prozent mehr unterbringen. Die "Zoned CAV" Formatierung, wie sie etwa Maxtor und Kodak verwenden, hält die Drehgeschwindigkeit innerhalb von Kreiszonen konstant und verbindet so die Vorteile beider Formatierungen: hohe Dichte und schneller Zugriff innerhalb der eigenen Zone.

Aber nicht nur die Formatierungen, auch die Aufzeichnungsverfahren sind inkompatibel: Bei Philips beispielsweise brennt der Schreiblaser kleine Löcher in eine Metallschicht, bei ATG erzeugt die Hitze Blasen und bei Sony verschmelzen drei Schichten zu einer Legierung. Keine Chance also für eine Austauschbarkeit der Medien.

WORM-Platten sind prädestiniert für die Langzeitarchivierung. Sie sind haltbar - die einzelnen Firmen sichern zwischen 3 0 und 100 Jahren zu - und außerdem können sie riesige Datenmengen aufnehmen: 1,6 Gigabyte pro Seite in der ersten Sony Generation von CLV-Platten, das sind 3,2 Gigabyte pro Platte, und in der neuen Generation, die jetzt vorgestellt wurde, sogar mit 6,4 Gigabyte pro Platte die doppelte Kapazität. Wem das noch nicht reicht, der kann sich mit automatischen Plattenwechslern weiterhelfen.

Bei Sony passen 50 Medien in eine Jukebox, es gibt aber auch größere wie die von Cygnet. Ein Roboterarm holt eine WORM-Platte innerhalb weniger Sekunden aus ihrem Fach, dreht sie, wenn nötig, und schiebt sie in eines der Laufwerke ein. Maximal bietet so eine Jukebox also 320 Gigabyte im direkten Zugriff.

Hier ein typisches Anwendungsbeispiel: Das "Image Reproduction System" beim Europäischen Patentamt. Ziel der Projektes war es, Patentschriften auf Bestellung ausdrucken zu können. Dazu wurden im Rahmen des "Bacon-Projektes" 70 Millionen Patentseiten eingescannt. In Fax-Gruppe-IV-Kodierung ergibt das einen Speicherbedarf von nicht weniger als 4 Terabyte, das sind 4 Millionen Megabyte.

Die löschbare Magneto-Optische-Platte

Die ersten 100 der über 1000 WORM Platten wurden in die beiden Jukeboxes des Patentamts gefüttert. Eine Bestellung über eine Reihe von Patentschriften wird auf einem der angeschlossenen PCs erfaßt. Der Auftrag holt sich die Daten von den beiden Jukeboxes, dekomprimiert sie und gibt sie auf einem der beiden Hochleistungs-Laserdrucker aus.

Wie der Name schon sagt, vereinigen sich hier optische und magnetische Aufzeichnungstechniken.

Zunächst, in der ursprünglichen (senkrechten) Magnetisierung, zeigt die Magnetisierung aller Teilchen nach oben. Um die Magnetisierung umzukehren, braucht man ein sehr starkes Feld von 10 000 Oersted. Erhitzt man aber die informationstragende Schicht aus Terbium, Eisen und Kobald mit Hilfe eines Laserstrahls auf den Curiepunkt von 150 Grad, dann reicht ein schwaches Feld von dreihundert Oersted. Daher spricht man häufig auch vom Thermo-Magneto-Optischen Verfahren.

Das Auslesen geschieht mittels des "Kerr-Effektes". Je nach Magnetisierung dreht sich die Polarisierungsebene des reflektierten Laserstrahls in die eine oder die andere Richtung. Über Polarisierungsfilter und zwei Detektoren (einen für jede Drehrichtung) kann so die Magnetisierungsrichtung erkannt werden (siehe Abbildung 2).

Wie oben gezeigt, haben optische Platten zur Zeit schon eine zehnmal höhere Speicherdichte als Magnetplatten. Um aber die These zu belegen, daß die MO direkt mit den Magnetplatten konkurriert, müssen wir auch die anderen Leistungsdaten betrachten. Wie steht es mit der Übertragungsrate und Zugriffszeit? Da magnetische und optische Verfahren gleichermaßen mit rund 25 000 Bits pro Zoll aufzeichnen, ergeben sich die unterschiedlichen Transferraten aus den verschiedenen Drehgeschwindigkeiten: Eine CD-ROM dreht auf den inneren Spuren mit 500 rpm (Umdrehungen pro Minute) und außen mit 200 rpm, das heißt sie ist recht langsam und erreicht auch nur eine Übertragungsrate von 1,2 Mbps (Megabit pro Sekunde). Magnetplatten rotieren mit einer (konstanten) Drehgeschwindigkeit von 3600 rpm und erreichen rund 11 Mbps. Sonys Magneto-Optisches Laufwerk rotiert mit 2400 Umdrehungen pro Minute und erreicht so 7,6 Mbps, also zwei Drittel der Transferrate von Magnetplatten.

Die Zahl der Anwendungen steigt ständig

Anders ist das Bild bei den Zugriffszeiten. Die CD-ROM hat eine mittlere Zugriffszeit von 800 Millisekunden, also immerhin von fast einer Sekunde. Die Ursache sind der (im Vergleich zu Magnetplatten) schwere Lesekopf und die variable Drehgeschwindigkeit, die angepaßt werden muß. Mit 100 Millisekunden mittlerer Zugriffszeit braucht die MO fünfmal solange wie eine Festplatte. Etwas günstiger sieht es in einem 2-Megabyte-Streifen aus, denn da braucht nicht der schwere Kopf bewegt zu werden, sondern es reicht, den Spiegel für die Feinpositionierung zu kippen (siehe Abbildung 2).

Und nun zu den Anwendungsmöglichkeiten. Daß es praktikabel ist, auf Floppy und Festplatte zu verzichten und statt dessen eine Magneto-Optische Platte zu verwenden, zeigt die Next-Workstation von Steve Jobs. Gerade im Universitätsbereich ist es ein großer Vorteil, daß jeder Student seine komplette Arbeitsumgebung mitnehmen und sie dann an jeder Workstation wie eine Floppy einlegen kann.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel sind Online-Datenbanken. Einige Datenbanken verwenden lokale CD-ROMS, um die Anschaltzeiten zu reduzieren. Die letzte, aktuellste CD-ROM wird monatlich ausgewechselt. Hier bietet sich die Magneto-Optische Platte als Alternative an, denn sie kann in unregelmäßigen Abständen über das Netz aufdatiert werden.

CD-ROM und WORM haben also einen Platz am unteren Ende der Speicherhierarchie, während sich die Magneto-Optische Platte als eine zweite Schicht zwischen Magnetplatte und Magnetband beziehungsweise Diskette drängt.

Magnetspeicher werden in den 90er Jahren abgelöst

Wann werden die optischen die magnetischen Speicher verdrängt haben? Wenn Oberhaupt, wird das noch eine Weile dauern. CD-ROM hat wohl jetzt erst die kritische Masse von 700 verfügbaren Anwendungen erreicht. Auch WORM boomt mit

Zuwächsen von 50 Prozent pro Jahr, aber das größte Entwicklungspotential steckt sicher in der MO, denn hier werden hundert mal höhere Speicherdichten erwartet als bei Magnetplatten.

Es wird allgemein vorhergesagt, daß in der nächsten Gerätegeneration MO und magnetische Festplatte in ihren Leistungsdaten gleichziehen werden. Ich erwarte vor allem deutlich höhere Transferraten. Bei den Festplatten gibt es nämlich einen starken Trend zu Plattenstapeln, die je nach Anzahl der Oberflächen ein entsprechend Vielfaches an Transferrate leisten. Interessanterweise können Magnetplatten so auch ihren Nachteil bei der niedrigeren Flächendichte ausgleichen: Ein Turm mit 10 Oberflächen speichert auch ein halbes Gigabyte und braucht einen vollen 5?-Einschub wie die MO.

Die entsprechende Entwicklung bei den Laserplatten sind die Laser-Arrays, die in Geräten der nächsten Generation erwartet werden. Damit können dann mehrere Spuren parallel gelesen oder geschrieben werden, und so erhöht sich auch hier die Transferrate,

Wir dürfen also gespannt auf das Kopf-an-Kopf-Rennen zwischen Magnetplatten und optischen Platten sein. Es dürfen Wetten abgegeben werden, wann die optischen mit den magnetischen Platten an Marktbedeutung gleichgezogen haben werden. Die Prognosen schwanken zwischen 1992 und 1995.