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Famille disques optiques : CD, DVD et Blu-ray

Dossier - Le stockage des données informatiques
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Nous stockons toujours plus de données, un défi pour l’informatique. Cloud, disque dur, clé USB, carte SD : quel support choisir ? Peut-on encore faire confiance aux incontournables CD, DVD ou Blu-ray ? Quid de la mémoire flash ? Les réponses à toutes vos questions dans ce dossier spécial.

  
DossiersLe stockage des données informatiques
 

À presque 40 ans, le disque optique ne change pas d'aspect ni de dimensions. En revanche, sa densité de stockage a été multipliée par près de 300. Même si les lecteurs commencent juste à faire place à d'autres technologies de stockage, le disque optique reste un support incontournable pour la musique ou les vidéos. Zoom sur les CD, DVD et Blu-ray.

Qu’il s’agisse de CD audio, de données, de DVD ou de Blu-ray, les disques optiques possèdent tous les mêmes dimensions, avec un diamètre de 12 centimètres. Pourtant, en fonction de la technologie employée, la densité des données qu’ils sont capables de stocker peut largement varier. © CCO

CD, CD-ROM et DVD

Le disque compact, mis au point en 1979 par les firmes Philips et Sony, possède plusieurs applications : le disque compact classique (appelé également Compact Disc, ou, en abrégé, CD), le CD-ROM et le DVD.

  • CD : un Compact Disc est un disque de 12 cm de diamètre et de 1 mm d'épaisseur, constitué de matière plastique rigide et recouvert d'une couche métallique sur une de ses faces. Ce type de disque est capable de stocker jusqu'à 78 minutes d'enregistrement sonore sous forme numérique. À l'aide d'un puissant laser, la séquence binaire est en effet gravée sur le métal le long de pistes concentriques, sous forme d'alvéoles de longueurs variables, profondes de 0,83 µm et espacées de 1,6 µm. Durant la lecture du CD, un laser de faible puissance parcourt ces pistes, se réfléchissant de diverses manières au passage des niches. Ces variations sont alors détectées par une cellule photoélectrique, la séquence binaire étant ainsi lue, puis transformée en sons à l'aide d'un convertisseur numérique-analogique.
  • CD-ROM : le CD-ROM permet de stocker actuellement diverses données jusqu'à des capacités de 700 Mo. Les normes ne sont pas, comme pour les DVD, éparses mais uniformisées : un CD-R correspond à un CD-ROM inscriptible, et un CD-RW à un CD-ROM réinscriptible.
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  • DVD : depuis le début de l'année 1997, est commercialisé un nouveau support optique, le DVD (Digital Versatile Disc), qui présente le même aspect extérieur qu'un CD audio, mais dont la capacité est multipliée. Grâce à l'utilisation d'un laser de longueur d'onde plus courte, la gravure est en effet plus fine, la dimension des alvéoles étant ainsi réduite à 0,4 µm et leur écartement à 0,74 µm.
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Blu-ray

Apparu fin 2000, le Blu-ray présente la dernière génération de disques optiques à haute densité. Créé par Sony, il fut en concurrence dès sa sortie avec son équivalent, le HD DVD, de Toshiba (doté d'une capacité de stockage moins conséquente, le HD DVD a été abandonné en 2008). Un disque Blu-ray peut absorber jusqu'à 128 Go de données dans sa version associant quatre couches. Sa capacité minimale avec une seule couche est de 27 Go.

Contrairement aux autres disques, c'est un laser de couleur bleue qui relève les données du support ; sa longueur d'onde est plus courte que celle des lasers rouges. Ce laser peut donc lire et écrire de plus petits creux et ainsi augmenter considérablement la densité de stockage. Physiquement, le disque reprend le même format que celui de ses prédécesseurs.

Les Blu-ray actuels peuvent recueillir quatre heures de vidéos en HD ; les Blu-ray dits « 4K » sont capables de stocker un film en Ultra HD avec leur capacité allant au-delà de 50 Go (jusqu'à 100 Go). Enfin, les Blu-ray 3D permettent la diffusion de films en Full HD en 3D par les lecteurs compatibles.

Par rapport aux autres supports optiques, le Blu-ray se distingue par l'intégration de systèmes de protection des données, pour lutter notamment contre le piratage des films. Ainsi, plusieurs standards de protections plus ou moins efficaces sont implantés :

  • AACS, utilisé pour protéger un film de la copie ;
  • BD+ et BD-ROM Mark, qui renferment des clés de chiffrement, ou une protection holographique pour empêcher la duplication.

Par ailleurs, les Blu-ray peuvent proposer des fonctions supplémentaires exploitables par les lecteurs compatibles. Ainsi, ils peuvent afficher des contenus et des informations relatifs à un film via Internet si le lecteur est connecté (BD-Live, Movie IQ). Dédiée aux séries, la fonction Season Play permet à l'utilisateur de savoir à quel épisode il en est. Enfin, CineChat incruste sur l'écran un module de discussion en temps réel via Internet.

Les technologies de lecture

CD-ROM : c'est une cellule photoélectrique qui permet de capter le rayon réfléchi grâce à un miroir semi-réfléchissant. Au passage sur le CD, le rayon laser se réfléchit sur les différentes alvéoles avec des variations du signal qui, grâce à la cellule photoélectrique, permettent sa traduction en système binaire.

Technologie de lecture d'un CD-ROM. © DR

DVD-ROM : les DVD existent en version « double couche » et sont constitués d'une couche transparente à base d'or et d'une couche réflexive à base d'argent. La lecture des deux zones est possible grâce à des intensités variables du laser : avec une intensité faible, le rayon se réfléchit sur la surface dorée ; lorsque l'on augmente cette intensité, le rayon traverse la première couche et se réfléchit sur la surface argentée.

Technologie de lecture d'un DVD-ROM. © DR

Blu-ray : pour augmenter la densité, Sony a changé la longueur d'onde du rayon laser et son rayon. Ils atteignent respectivement 405 nm (contre 650 ou 635 nm pour le laser rouge des DVD) et 0,58 µm. Le faisceau prend une teinte bleutée, d'où le nom de cette technologie. Contrairement aux autres disques optiques, les alvéoles doivent se trouver le plus près possible de la surface. La fine couche de protection constituée de polymères doit donc être suffisamment dure pour protéger les données.

Comme pour les DVD, les Blu-ray se déclinent en versions dotées de plusieurs couches afin d'augmenter la capacité de stockage. Ainsi, jusqu'à six couches peuvent être disponibles pour mémoriser un maximum de 200 Go de données. La plupart des disques sont des doubles couches pouvant accueillir 50 Go de données.

Comparatif du diamètre des rayons laser selon le type de support. Avec sa finesse et sa longueur d'onde, le rayon du Blu-ray permet de lire des disques optiques à très haute densité. © Blu-Ray Disc Association

Les technologies d'écriture

Toutes les technologies de disques optiques se déclinent en versions inscriptibles (R pour Recordable, en anglais) et même réinscriptibles (RW pour ReWritable).

On parle de « gravure » lorsque les données sont écrites sur le disque. En réalité, le terme n'est pas approprié, puisque, pour inscrire des données sur le disque, le laser vient brûler une couche de colorant photosensible superposée à la couche métallique. Chauffé à 250 °C par le laser, le colorant devient opaque et crée, de fait, l'équivalent des alvéoles que l'on retrouve sur les disques gravés.

Pour les disques réinscriptibles, c'est l'intensité du faisceau laser qui va décider si le disque est lu, écrit ou effacé. Sur le disque, deux couches supplémentaires sont ajoutées. La couche enregistrable est composée d'un alliage mêlant indium, antimoine, argent et tellurium. Cette couche peut changer d'état selon la température à laquelle le laser va la chauffer. Ainsi, en passant brutalement de 600 à 200 °C, les atomes du matériau se dispersent et se figent immédiatement. À l'endroit de ce point de chauffe, la lumière du laser ne sera pas réfléchie lors de la lecture. En revanche, lorsque la couche est chauffée à 200 °C, les atomes créent un cristal et permettent à la lumière du laser de passer.

Pour effacer tout ou partie du disque, la couche est chauffée à plus de 200 °C, puis, en baissant la température, les atomes viennent reconstituer une surface cristalline réfléchissante.

Le schéma de gauche représente les différentes surfaces enregistrables d'un disque Blu-ray double couche. En dessous d'une surface de protection (Cover Layer, en anglais sur le schéma), se trouve une première couche enregistrable (Layer L1), dont le contenu est détaillé dans l'illustration en haut à droite : les surfaces à « brûler » sont placées en sandwich entre deux surfaces de protection (Protective Layer). Une couche de séparation (Spacer Layer) se superpose à la seconde couche enregistrable (Layer L0), qui est représentée en bas à droite. Identique à la première, celle-ci repose sur une surface réfléchissante (Reflective Layer). L'ensemble est appliqué à un substrat (PC Substrate). © TDK

Disques avec une durée de vie plus importante

Contrairement aux promesses faites par les fabricants lors de leur apparition, les disques optiques sont loin d'être immortels. Leur durée de vie réelle ne dépasserait pas les dix ans pour les disques gravés, avec, dans certains cas, des dégradations rendant impossible la lecture du support au bout de seulement deux ou trois ans. Et, pour les disques pressés, la durée de vie n'est pas extraordinaire non plus. Les colorants et les colles ne sont pas forcément de bonne qualité lors des pressages.

Pour les déclinaisons gravables, la chimie du substrat employé détermine la longévité du disque. Ainsi, les modèles dotés d'une couche dorée disposent de la meilleure espérance de vie et les bleutés sont les plus fragiles. Fort de ce constat, la plupart des fabricants se sont mis à proposer des disques enregistrables, un peu plus coûteux, mais dont l'espérance de vie est plus longue, sans être non plus extraordinaire.

Côté Blu-ray, leur densité importante et leur fragilité leur confère une longévité théorique inférieure à celle des DVD. Toutefois, selon les tests de vieillissement menés pour les besoins d'archivage du ministère de la Culture, la durée de vie estimée des disques Blu-ray de la marque Panasonic serait d'une cinquantaine d'années. Globalement, il faut retenir que les Blu-ray gravables portant la mention BD-R HTL sont dotés d'un substrat plus résistant, d'une teinte moins foncée que les autres.

Face à ces limitations, les fabricants et les laboratoires cherchent à créer des supports plus durables. C'est notamment le cas de Millenniata, accompagné de Mitsubishi, qui a mis au point un Blu-ray M-Disc (M pour Millenium). Doté d'une capacité de 100 Go, celui-ci pourrait héberger des données sans détérioration durant 2.000 ans, soit plus que les archives en papier. Afin de parvenir à cette durée de vie, le substrat est composé d'une couche de composant inorganique et insensible à l'oxygène... Pour pouvoir écrire les données, le laser doit être plus puissant. C'est pourquoi un lecteur compatible est requis. Mais voilà, pour pouvoir lire ce genre de support dans l'avenir, encore faudrait-il que des lecteurs subsistent plus longtemps. En outre, il est totalement impossible d'affirmer que ce support ne déclinera pas au bout d'une centaine d'année, voire moins. Les laboratoires utilisent en effet des procédés de vieillissement artificiel.

Comparatif entre la structure d'un DVD standard (à gauche) et celle d'un disque très haute durabilité M-Disc (à droite). La surface sur laquelle se trouvent les données est inorganique et inaltérable (Rock-Like Layer, en anglais sur le schéma). La couche réfléchissante (Reflective Layer) que l'on trouve sur le DVD n'est pas présente. © Millenniata

Dans l'avenir, le disque optique est amené progressivement à disparaître, englouti par la puissance dématérialisée du cloud, qui s'apparente à un véritable tonneau des Danaïdes. Côté cinéma, la VOD via le streamingen Full HD prouve déjà que les beaux jours du Blu-ray sont derrière lui.