資料儲存技術

從現在開始展望未來

層層相疊：外觀看似傳統光碟，其實是新一代的光學儲存媒體。InPhase公司全像資料儲存光碟的儲存層，其實位於兩片厚度1公釐的保護層中間。

1982年音樂CD首度推出上市，25年之後，光碟的儲存容量已增加為80倍，而且還在持續研發中。

自從拜耳以模克隆（Makrolon）製造的音樂CD問世以來，光碟在25年間經歷了無數次修改，至今物理學家、化學家與工程師仍不斷推出新的概念，不但讓資料排列更為緊密，也以增加光碟位元存量為一致的目標。過去25年來，已累積相當的成就。

藍光光碟（Blu-ray Disc）與高解析度數位多功能光碟（HD DVD）的問世，可說是最近新的里程碑。現有的光碟格式最多可以儲存50 GB的資料，幾乎是原始CD 650 MB容量的80倍之多。資料容量大幅提升（容量也高出「一般的」DVD許多），顯示市售的電影光碟，也可以擁有極高畫質。

從原始的CD到今日的成就，研發人員必須在許多方面進行改良，例如將讀取資料的雷射光束波長減短，從紅外線（CD）改成紅光（DVD），然後再到藍光（藍光光碟與HD DVD）。這項改良與其他諸多調整，讓資料排列更為緊密，用來儲存資料的訊坑（pit）規格也越來越小，藍光光碟的訊坑長度，最小可達160奈米（1奈米等於100萬分之一公釐），只有CD的五分之一。此外，資料軌（類似唱片上的紋溝）之間的距離也減少80%，縮為320奈米。不過研發人員仍希望雷射光束的對焦更為精準，目前技術人員在雷射波長方面遇到瓶頸為欠缺波長更短的雷射二極體。

因此他們將工作重心移到其他部分，例如物鏡；讀取資料的雷射光束，必須透過這種光學物件而聚焦於光碟的特定區域。拜耳材料科技的聚碳酸酯（PCS）事業單位高分子物理部門的杜辛納博士（Konstantinos Douzinas）表示：「為了讓聚焦面積大幅縮小，近場光學（near-field optics）已成為目前的研究重心。」杜辛納博士指出，在致力提升現有系統的光學解析度時，物理學的基本規則反而成了阻礙。拜耳一直在光學資料儲存的發展上，佔有重要地位，1982年8月17日，寶麗金公司（Polygram，如今已改為EDC公司）在歐洲市場推出第一批CD，當時即以拜耳製造之模克隆(Makrolon)聚碳酸酯作為材質。

好比噴射機飛越草坪，但飛行高度只有4公釐。

今天拜耳材料科技依然參與研發創新工作，因為新物鏡的研發，也涉及光碟的材質；拜耳位於烏丁根（Uerdingen）的PCS全球創新實驗室，因而針對材質的各種條件進行研究，烏丁根正是50多年前模克隆(Makrolon)傳奇的發源地。當地的研究人員正與日本新力公司密切合作。

新力公司提出一項明確規格：基於物理學的考量，未來近場光學系統的透鏡組與旋轉中的光碟表面，相距不超過20至25奈米；傳統CD的距離超過1.0公釐，相差將近5萬倍。近場光學的規格，物理學家一目了然，但外行人可能不易瞭解，杜辛納博士利用以下比喻，說明光學讀取器與光碟間應有的距離：「試想一架噴射機飛過一片整齊草坪，但機身距離草尖只有4公釐。」

以目前的光碟而言，根本無法達到20至25奈米的距離。杜辛納博士表示：「光碟開始旋轉的時候會產生垂直震動，透鏡放得這麼近，一定會撞壞。」噴射機即使能以數公釐的飛行高度掠過草坪上方，草坪本身也必須修到完全平整。

為什麼採用12公分?

貝多芬創作第九交響曲的時候，腦中或許有千頭萬緒，但他絕對想不到，這首曲子的長度，竟然決定了錄音媒介的直徑。

據說索尼公司的總裁盛田昭夫（Akio Morita），希望公司開發的光碟容量大到可以容納指揮家卡拉揚「第九號交響曲」的錄音版本，因此音樂CD的設計變成直徑12公分的碟片。日後DVD、藍光光碟與HD DVD持續沿用這項規格，只是第一批商業CD的內容不是貝多芬的音樂，而是樂團Abba與蕭邦的樂曲。

一路走來的夥伴

CD的發明者，對基本材質要求嚴格，不但要耐熱、透明、可與金屬結合，還必須以規格精密度很高的模具射出成型。雀屏中選的材質，是拜耳模克隆(Makrolon)系列中「CD 2000」級的聚碳酸酯，每年生產各種光碟的聚碳酸酯用量超過90萬噸，其中仍有一大部分由拜耳材料科技（BMS）負責供應。過去25年來，生產光學資料儲存媒體的BMS在模克隆(Makrolon)的淨度、光學屬性與流變性等方面，不斷力求完善。目前使用的原料是模克隆(Makrolon)的OD 2015，一片CD不到3秒鐘即生產完成，可從射出成型模中取出；1982年時，製程得花費將近半分鐘。模克隆(Makrolon) OD 2015同樣適用於新一代的藍光光碟與HD DVD，也是這類應用常見的產品。

PCS全球創新實驗室的研究人員先調整模克隆(Makrolon)的成分，讓光碟的自然頻率降低，震動的振幅便不會構成危險。但是這樣還不夠，另一項條件與光碟的外層有關：同樣基於物理學的考量，外層的折射率必須夠高，穿過近場透鏡的雷射光束才能進入光碟，而不致於到了表面就完全反射出去。 BMS在這方面也研發成功，杜辛納博士自豪地表示：「我們與索尼合作開發出一種折射率超過1.84的塗層，這已經是世界紀錄。」當然這片塗層也必須耐刮，並符合其他幾項要求。這一切都是為了依照傳統規則提升儲存容量，讓容量在數年內增加到100GB以上，現在一片光碟內有數個儲存層已經成為標準（多層光碟），光碟的容量自然可以增加數倍之多。

未來：採用全像資料儲存規則的300 GB光碟，部分材質由拜耳材料科技負責開發。

在美國科羅拉多州的InPhase 科技公司，3位數的GB值並不稀奇，這家新公司推出的第一項產品，是一款稱為Tapestry 300r的300 GB光碟，目前已交由客戶試用。InPhase公司運用全像資料儲存規則，按照該項規則，資訊的讀寫不再以位元作為單位逐一完成，而是當成整個資料頁面，同時進行讀寫。這樣不但能增加儲存的密度與容量，也可大幅提升讀寫的作業速度。另外還有一點與傳統光碟不同：傳統光碟以「訊坑」的形式，將數位資訊存放於儲存層中，「全像資料儲存光碟」則使用光感物質的局部聚合技術來儲存。聚合技術也改變了折射率，因此光碟的讀取也隨之改變。

利用此化學儲存規則，表面不但可以儲存資料，還能以三度空間的方式儲存資料。Tapestry 300r的儲存層厚達1.5公釐，其中佈滿光感物質，雷射光束可以完全穿透。這種三度空間的特質，實現了高儲存容量的理想，而裝有光學活性物質的基底層，便是由拜耳材料科技特別研發的材質所製造而成。

目前各機構的檔案保管人員，對全像資料儲存最感興趣，InPhase公司行銷部門的副總裁莫菲（Liz Murphy）表示：「其他用戶包括電視傳播公司、出版商、圖書館與醫院，這些機構會建立大量資料，存檔的需求龐大。」

總之，人類會持續建立新的資料，同時創造更多儲存的需求，對於未來各種光學儲存媒體，用戶的接受度仍有待觀察，不過單就技術方面而言，確實機會無窮。InPhase公司目前推出的300 GB光碟，絕不是最後一項系列產品，InPhase公司已開始研發800 GB，甚至是1600 GB容量的光碟，1600 GB的容量大約等於2500張音樂CD。