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02/05/2005
< Um meio de armazenamento ótico >
CD é o acrônimo de "Compact Disk", disco compacto, em inglês. Os primeiros CDs a serem comercializados foram os CDs de áudio, que substituíram os discos de vinil. O nome deriva da comparação da capacidade dos dois meios de armazenamento: um CD, apesar do diâmetro duas vezes e meia menor ( 12 cm contra 12 polegadas do "LP" de vinil; uma polegada vale 2,54 cm) pode armazenar muito mais tempo de música (de melhor qualidade), portanto é mais compacto. Um CD, visto pelo lado da face refletora (já falaremos sobre isso) tem o aspecto da Figura 1.
Figura 1 - CD (face refletora)
Uma curiosidade: os CDs de áudio, juntamente com os telefones celulares e computadores portáteis tipo "notebooks", costumam ser citados como exemplos de tecnologias que revolucionaram o mercado mas que, apesar disso, nem os mais conceituados "futurólogos" foram capazes de prever sua disseminação com uma antecedência de cinco anos. De fato, no final dos anos setenta nem os mais atilados especialistas em tecnologia previram o que iria ocorrer nos anos seguintes: os primeiros CDs de áudio foram postos à venda nos EUA no primeiro semestre de 1983 e em poucos anos liquidaram completamente com a poderosa indústria de discos de vinil, transformando suas fábricas em sucata em um tempo surpreendentemente curto.
Hoje, CDs são usados tanto para armazenar música como imagens, vídeos, dados e programas. Baratos e fáceis de fabricar (empresas distribuem milhões deles como brinde) tornaram-se o meio preferido para distribuição de software. Mas como funcionam?
Bem, um CD é um meio de armazenamento de grandezas digitalizadas (digitalizar é o nome que se dá ao processo de codificar numericamente grandezas do mundo real de forma a que possam ser expressas no sistema binário; chama-se "sistema binário" o sistema numérico posicional de base dois, que portanto utiliza apenas os algarismos zero e um para exprimir qualquer número). Em conseqüência disso, ele somente precisa armazenar seqüências de bits. "Bit" é a contração de "binary digit", ou algarismo binário. Para ser armazenado em um CD, qualquer dado, música, vídeo ou imagem precisa antes ser digitalizado.
O local onde se pode armazenar um bit chama-se "célula de memória". Como só há dois algarismos binários, zero e um, pode-se usar como célula de memória qualquer coisa que possa assumir dois estados mutuamente exclusivos e possa passar de um para outro. Por exemplo: uma lâmpada. Ela comporta apenas dois estados: acesa e apagada. Se estabelecermos que, acesa, a lâmpada representa o bit "um" e apagada o bit "zero", ela pode ser usada como uma "célula de memória", ou seja, pode armazenar um bit (não esqueça: "bit" nada mais é que um algarismo que só pode assumir dois valores, zero e um).
Discos magnéticos, como disquetes e discos rígidos, armazenam bits sob a forma de um campo magnético cuja orientação (posição dos pólos Norte e Sul do campo magnético) representa os bits zero e um. Por isso são chamados de meios de armazenamento magnético. Reduzidos à sua expressão mais simples, os CDs e seus irmãos mais novos, os DVDs, representam os bits fazendo um feixe de luz "piscar". Luz acesa, bit um; luz apagada, bit zero. Por isso são meios de armazenamento ótico (a ótica é o ramo da física que estuda os fenômenos ligados à luz). O que a coisa toda tem de especial é o tipo de luz utilizado (um feixe de raio laser, que um dia discutiremos como funciona) e a forma de fazê-la "piscar".
Vejamos como isso é feito.
As características físicas de um CD
Os primeiros CDs foram concebidos para armazenar música digitalizada. A música digitalizada é constituída por amostras (" samples") do som gerado pela orquestra convertidas em bits por um conversor analógico/digital. Segundo proposto em 1980 pelas empresas Philips e Sony, um CD deveria armazenar 74 minutos de música. Segundo o padrão então estabelecido, para digitalizar a música são tomadas amostras de dois "canais" de som (para gerar o efeito estereofônico) em uma freqüência de 44.1 KHz (ou seja, 44.100 amostras por segundo) e cada amostra pode ser representada por 16 bits (2 bytes). Sendo assim, para determinar o número de bytes necessários para armazenar 74 minutos de música basta multiplicar o número de canais (2) pelo de amostras por segundo (44.100), pelo número de bytes de cada amostra (2), pelo número de segundos de cada minuto (60) e pelo total de minutos de música (74 ). Esse produto resulta em 738.216.000 bytes que, considerando que 1 MB (Megabyte) tem 1.024 x 1.024 bytes, corresponde a pouco mais de 700 MB. Essa é a capacidade de um CD.
O CD propriamente dito é formado por um disco transparente de policarbonato (um tipo de material plástico duro para resistir a riscos) com espessura de 1,2 mm e diâmetro de 12 cm. Abaixo da camada de policarbonato há uma superfície de alumínio onde é gravada uma longa (logo veremos quanto ela é realmente longa) trilha em espiral formada por pequenas protuberâncias. Esta espiral se estende continuamente desde próximo ao centro até a borda do disco (por que o início da trilha é no centro e não na borda? Porque isso permite que se fabrique CDs de qualquer diâmetro, como esses pequenos, usados como "cartões de visita" de empresas; se o padrão exigisse que a leitura da trilha começasse pela borda, todo CD teria obrigatoriamente 12 cm de diâmetro). Veja uma representação esquemática da trilha na Figura 2.
Figura 2 - Trilha (representação esquemática)
A espiral é gravada em uma fina camada refletora de alumínio fortemente pressionada contra o disco, de modo a penetrar nos vazios entre as protuberâncias. Depois, uma camada de material protetor (geralmente acrílico) é aplicada sobre o alumínio e, finalmente, um rótulo é aplicado sobre (ou impresso na) camada protetora. O aspecto (fora de escala) de um corte transversal de um CD ao longo de uma trilha é aproximadamente o mostrado na Figura 3 (não esqueça que o disco fica "de cabeça para baixo" no interior do drive, ou seja, com o rótulo para cima e a camada refletora para baixo; por isso o raio laser é emitido de baixo para cima).
Figura 3: Corte de um CD
Como vimos, um CD pode armazenar mais de 700 MB. Ora, setecentos milhões é um bocado de coisa. Para conter tantos bytes a trilha tem que ser muito, muito longa. E para ser longa, a espiral tem que ser um bocado "apertada", ou seja, não somente a trilha que forma a espiral tem que ser muito estreita como também cada "volta" (espira) deve passar muito perto da seguinte. E de fato é assim. A largura da trilha não passa de meio milésimo de milímetro, ou meio mícron (0,5 m) e a separação entre espiras mede 1,6 m. Considerando apenas a trilha (ou seja, desprezando os espaços livres junto às bordas externa e interna do CD), se você "desenrolá-la" completamente e esticá-la em uma linha reta verá que ela mede quase 5 km. Como eu disse, é longa mesmo...
Ora, como a trilha é formada por uma sucessão de protuberâncias ou ressaltos (já veremos para que servem), também eles devem ser muito pequenos. E de fato o são. Sua largura é igual à da trilha (0,5 m) e seu comprimento mínimo é de 0,83 m, podendo ser maior que isso dependendo do dado armazenado. Mas o que realmente impressiona é a "altura" do ressalto: ela não passa de 0,125 m, um valor muito pequeno mesmo. O aspecto, ao microscópio, da superfície de um trecho de CD que exibe pequenos segmentos de algumas espiras adjacente da trilha formada pelos ressaltos é o mostrado na Figura 4.
Figura 4: Trilhas vistas ao microscópio (esquema)
O objetivo dos ressaltos é desviar um feixe de raio laser projetado sobre a superfície do disco. Este feixe é gerado por um "canhão" laser transportado por uma plataforma móvel que "varre" toda a superfície da trilha. Tudo isso é feito no interior do acionador (ou "drive") de CDs. Que, para ler dados armazenados em pontos tão pequenos localizados em trilhas tão próximas, tem que ser um dispositivo de precisão extraordinária.
Como tudo isso funciona veremos na próxima coluna.