Haltbarkeit von beschreibbaren DVD±R und aus Glas (Syylex) bei
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Haltbarkeit von beschreibbaren DVD±R und aus Glas (Syylex) bei
Haltbarkeit von beschreibbaren DVD±R und aus Glas (Syylex) bei erhöhter Temperatur und Luftfeuchtigkeit Untersuchung zur Bewahrung digitaler Archive im Rahmen des GISDON Autor: Jacques Perdereau Juni 2012 Finanzierung: Laboratoire National de Métrologie et d’Essais Référence LNE : R&D N° 202 / 2009 Contrat EAF 4305 /2009c Inhalt 1. 2. 3. Vorstellung der Studie ..................................................................................................................... 2 1.1. Hintergrund ............................................................................................................................. 2 1.2. Ziele der Studie ........................................................................................................................ 2 1.3. Schema der Untersuchung ...................................................................................................... 2 Die Referenzdisks ............................................................................................................................ 3 2.1. Beschreibbare DVDs mit organischer Aufzeichnungsschicht .................................................. 3 2.2. GlassMasterDiscs von Syylex ................................................................................................... 4 2.3. DVD +R mit anorganischer Aufzeichnungsschicht................................................................... 4 Beurteilung der Brennqualität der DVDs......................................................................................... 4 3.1. Messgrößen ............................................................................................................................. 4 3.2. Messaufbau und Geschwindigkeit der Messung..................................................................... 4 3.3. Alterungsbedingungen ............................................................................................................ 5 4. Ergebnisse der Versuche zur beschleunigten Alterung ................................................................... 6 5. Zusammenfassung ........................................................................................................................... 8 6. Anhang 1.......................................................................................................................................... 8 1. Vorstellung der Studie 1.1. Hintergrund Optische Disks sind zur Verteilung von Werken (Musik, Film, …) und zur digitalen Archivierung vielfach in Gebrauch. Verschiedene Studien und vor allem der Bericht der Akademie der Wissenschaften und der Akademie der Technologie namens „Langzeitstabilität digitaler Daten“ („Longévité de l’information numérique“) haben gezeigt, dass verschiedene Datenträger (Festplatte, Magnetband und optische Disks) Lebensdauern deutlich unter den vom Hersteller zugesicherten haben. Dieser Bericht empfiehlt, nach anderen technischen Lösungen für die Konservierung digitaler Daten für lange Zeit zu suchen. Dieser Empfehlung folgend hat die Gruppe GIS-DON (Groupement d’Intérêt Scientifique sur les Disques Optiques Numériques, Gruppe zur wissenschaftlichen Untersuchung optischer Datenträger) den Wunsch die zeitliche Haltbarkeit der DVD in Glas, der GlassMasterDisc, hergestellt von Syylex zu überprüfen. 1.2. Ziele der Studie Diese Untersuchung zielt darauf ab, das zeitliche Verhalten der GlassMasterDisc mit organischen und anorganischen DVD±R zu vergleichen. Damit kann die Eignung dieser Technologie für die langfristige Erhaltung digitaler Informationen bewertet werden. Um dieses zeitliche Verhalten der Disks bewerten zu können, muss ihre natürliche Alterung beschleunigt werden. Um dies zu tun, werden die DVDs extremen klimatischen Bedingungen bzgl. Temperatur und Luftfeuchtigkeit unterworfen. Die Schädigung der Disks kann dann nach einer Expositionszeit von maximal 1000h untersucht werden. Die Lebensdauer verschiedener DVDs unter diesen Bedingungen kann dann durch Messung der fehlerhaft ausgelesenen Daten gemessen werden. 1.3. Schema der Untersuchung Das zeitliche Verhalten der GlassMasterDisc kann nur durch Vergleich bewertet werden. Die beschreibbaren DVDs, die zum Vergleich herangezogen wurden, stehen entweder im Ruf, eine lange Lebensdauer zu haben, wie DVD mit anorganischer Aufzeichnungsschicht, oder haben in vorangegangenen Studien im LNE schon gute Ergebnisse im beschleunigten Alterungstest (80°C und 85% rF (relativer Feuchte)) gezeigt. Die DVDs werden in einer Klimakammer den erwähnten harten klimatischen Bedingungen für Temperatur und Feuchtigkeit für maximal 1000h, in 250h Intervallen, ausgesetzt. Da die GlassMasterDisc aus Glas ist, wurde eine Temperatur von 90°C gewählt, also 10°C höher als bei vorherigen Studien; die Feuchtigkeit wurde bei 85% rF gehalten. Die Fehlerrate der DVDs wurde am Anfang der Studie, sowie jeweils nach 250h im Klimaschrank gemessen. Das Ende der Lebensdauer einer DVD ist erreicht, wenn die Fehlerrate die maximal zugelassene überschreitet oder die Disk unlesbar ist. Diese Untersuchung erstreckte sich von 2010 bis 2012. 2. Die Referenzdisks 2.1. Beschreibbare DVDs mit organischer Aufzeichnungsschicht Vier Typen von DVDs wurden wegen ihrer guten Lebensdauer in vorherigen Tests, bei weniger harten klimatischen Bedingungen von 80° C und 85% rF, ausgesucht. Fünf Disks pro Disktyp wurden so beschrieben, dass möglichst wenig Fehler direkt nach dem Beschreiben zu messen waren. Referenzdisks DVD+R et DVD-R Nr Marke Typ Modell Metallschicht Herstellercode 1 2 MPO VERBATIM DVD+R DVD-R Gold « Standard » Gold Gold 3 MAXELL DVD+R « Standard » Silber 4 VERBATIM DVD-R Archival Grade Gold und Silber MPOMEDIA 0080 (MPO) MCC 03RG20 (Mitsubishi) YUDEN000 T03 (Taiyo Yuden) MCC 02RG20 (Mitsubishi) Lebensdauer bei 80°C und 85% rF 1500 h 1500 h 500 h 750 h 2.2. GlassMasterDiscs von Syylex Die GlassMasterDiscs werden durch Gravur der digitalen Informationen in Glas hergestellt. Sie werden von der Firma Syylex hergestellt. 6 Proben wurden untersucht. 2.3. DVD +R mit anorganischer Aufzeichnungsschicht Die untersuchten Disktypen, M_DISC ( Milleniata) und DataTresorDisc (Northern Star) benutzen eine beschreibbare Schicht die entweder aus Metall / Metalloxid oder aus Metall / Keramik besteht. Drei Proben jedes Modells wurden untersucht. 3. Beurteilung der Brennqualität der DVDs 3.1. Messgrößen Die Brennqualität einer DVD wird als Funktion von drei Parametern gemessen (siehe Anhang 1). Messung des HF Signals (Amplitude, Kontrast und Jitter) Fehlermessung (PI8, POF,…) Servosignale (Fokus, Spurnachführung, …) Für Lebensdauermessung sind lt Norm (ECMA 396) nur die Fehlermessung und hier speziell die PI8 Fehler massgebend. 3.2. Messaufbau und Geschwindigkeit der Messung Die Qualität der DVD wird mit zwei Messgeräten gemessen: Ein Messsystem der Firma Audio Development (Modell CATS DVDR Pro – Softwareversion 3.2 SP1). Außer den Fehlerraten liefert der CATS auch charakteristische Informationen zum HFSignal, die vom Lesekopf aufgenommen werden (optisches Signal) sowie Servosignale des Fokus- und Spurnachführungs- (Track-)Signals. Dieses System ist ein Referenzsystem. Es misst mit 1x DVD-Geschwindigkeit. Ein Messsystem der Firma Clover (Modell DVX automatisiert, Version 3.0.7). Das CloverSystem erlaubt Messungen (Fehlerraten) bis zur 16x-Geschwindigkeit. Für jede Disk wurde eine Fehlerratenmessung mit den folgenden Parametern durchgeführt: Cats System mit 1x Clover mit 8x Die anorganischen DVD+R sind im Clover System nicht lesbar (Kompatibilitätsprobleme mit dem verwendeten Plextor-Laufwerk). Die Messungen der beiden betroffenen Modelle wurden also nur mit dem CATS System durchgeführt. 4. Alterungsbedingungen Die Messung der Alterung von beschreibbaren Disks ist unter normalen klimatischen Lagerungsbedingungen kaum möglich. Diese Degradation vollzieht sich nur sehr langsam, die Beobachtung würde einige Jahre beanspruchen. Daher müssen die Veränderungen der Disks unter harten klimatischen Bedingungen erfolgen (Temperatur 90°C, relative Luftfeuchtigkeit 85%). Diese Bedingungen sorgen für eine Beschleunigung der physikalisch-chemischen Prozesse, die ursächlich für die Verschlechterung der Disks sind. Der Alterungsfaktor ist umso höher, je härter die klimatischen Bedingungen sind. Der Versuch zur beschleunigten Alterung wurde insgesamt für 1000 h für die widerstandsfähigsten DVDs durchgeführt, mit Messungen nach je 250 h. Die Disks wurden in einem in Temperatur und Feuchtigkeit programmierbaren Klimaschrank des Typs CLIMATS type Excal 5423-HE gelagert. DVDs in der Halterung im Klimaschrank. Um die Messungen durchzuführen, müssen die DVDs aus dem Klimaschrank genommen werden. Dafür müssen langsam die Klimabedingungen an die normalen Bedingungen herangeführt werden. Um die Entstehung von Wassertropfen im Polycarbonat zu verhindern, ist es nötig, das Polycarbonat vom Wasser zu „reinigen“, das dieses bei hoher Temperatur aufgenommen hat. Dafür wird die Luftfeuchtigkeit bis auf 30% reduziert, während die Temperatur noch bei 90°C belassen wird. Dieser Zustand wird in der sogenannte Ausgleichsstufe für 8 h gehalten, während die Temperatur noch bei 90°C bleibt. Die folgende Grafik zeigt dem Temperatur und Feuchtigkeitsverlauf zu Beginn und am Ende eines Zyklus von 250 h bei 90°C und 85%rF. 5. Ergebnisse der Versuche zur beschleunigten Alterung Die Ergebnisse sind im Folgenden pro Disktyp angegeben. Das Lebensende einer DVD wird durch Erreichen einer der folgenden Parameter definiert: PI8 (gemittelt über die Disk) größer als 280 unkorrigierbare Fehler POF teilweise oder vollständige Unlesbarkeit der DVD Es genügt, dass einer der obigen Parameter auf einem Tester erfüllt ist, um die Disk als „unlesbar“ zu bezeichnen. 5.1. DVD±R DVD+R Nr. 1 von MPO Die Fehlerraten erhöhen sich als Funktion der Expositionszeit. Die Fehler sind homogen auf der Disk verteilt. Nach 500 Stunden überschreiten die PI8-Fehler die Schwelle von 280, bzw. sind die Disks nicht mehr komplett lesbar. Für die noch lesbaren Disks ist der Jitter von 9% auf 10% von T0 bis T0+500 Stunden gestiegen. Die gemessene Lebensdauer der DVD+R von MPO ist damit 250h. DVD-R Nr. 1 von Verbatim Nach 250 Stunden Exposition sind die sowohl die Fehlerraten als auch der Jitter über den jeweiligen Schwellen. Mehrere Disks sind nicht mehr lesbar oder haben unkorrigierbare Fehler. Dieses DVD-Modell hatte die längste Lebensdauer bei 80°c und 85%rF, nämlich 1500h). Bei 90°C, ist es schon nach dem ersten Zyklus von 250h zerstört. Die gemessene Lebensdauer für die DVD-R von Verbatim beträgt weniger als 250 Stunden. DVD+R Nr 3 von Maxwell Nach 250 Stunden waren 4 von 5 Disks nicht mehr lesbar. Die gemessene Lebensdauer der DVD+R von Maxwell beträgt weniger als 250 Stunden. DVD-R Nr. 4 von Verbatim Archival Nur eine der fünf Disks ist nach 250 Stunden noch lesbar. Bei den 4 anderen Disks sind die gemittelten PI8 Fehlerraten größer als die Schwelle von 280, der DC Jitter bleibt unter 10%. Die gemessene Lebensdauer der DVD-R von Verbatim Archival beträgt weniger als 250 Stunden. 5.2. DVD GlassMasterDisc Alle 6 Disks sind nach 1000 Stunden Exposition lesbar. Die gemittelte PI8 Fehlerrate der Disk steigt von 4,9 bei T0 auf 6,7 nach T0+1000h. Der dc-Jitter steigt von 7,2 auf 7,3. Es gibt keine unkorrigierbaren Fehler. Die Disk hat sich also während 1000 Stunden bei 90°C und 85% rF praktisch nicht verändert. Die gemessene Lebensdauer der GlassMasterDisc von Syylex beträgt über 1000 Stunden. 5.3. Anorganische DVD+R M-Disc Nach 250 Stunden im Klimaschrank überschreiten die M-Disc in der PI8 Fehlerrate die Schwelle: Sie weisen einen Mittelwert von 870 auf. Der Jitter liegt bei 11,8%. Die Disks sind nach 500 Stunden unlesbar. Die gemessene Lebensdauer der DVD+R M_DISC beträgt weniger als 250 Stunden. Data TresorDisc Nach 250 Stunden beträgt der gemittelte PI8 Fehler 161. Der dc-Jitter liegt bei 11,3%. Die Data TresorDisc sind nach 500 Stunden nicht mehr lesbar. Die gemessene Lebensdauer der DVD+R Data TresorDisc beträgt 250h. 5.4. Zusammenfassung der Versuche zur beschleunigten Alterung In der folgenden Tabelle sind die Lebensdauern verschiedener DVDs bei 90°C und 85% relativer Feuchte angeben. beschleunigte Alterung bei 90°C und 85% rF Marke Modell MPO DVD+R Gold Verbatim DVD-R Maxell DVD+R Verbatim DVD-R Archival Syylex GlassMasterDisc Millenniata DVD+R M-Disc Northern Star DVD+R Data tresor disc 0 Lebensdauer (h) 250 500 750 < 250 h < 250 h < 250 h 1000 >1000 < 250 h Von den 7 untersuchten Arten hat nur die GlassMasterDisc einer beschleunigten Alterung mit 90°C und 85% relativer Feuchte für 1000 Stunden standgehalten. Ihre PI8 Fehlerraten haben sich während des Versuchs nicht signifikant erhöht. Die Lebensdauer der GlassMasterDisc von über 1000h ist damit mehr als 4 mal länger als die der besten DVD ±R (MPO DVD +R Gold und Northern Star DataTresorDisc). Die DVD +R mit inorganischer Aufzeichnungsschicht wie M-DISC und „Data tresor disc“ zeigen keine längeren Lebensdauern als klassische DVD ±R. 6. Zusammenfassung Die Zielsetzung dieser Untersuchung war die Untersuchung des Verhaltens der GlassMasterDisc der Firma Syylex unter sehr extremen klimatischen Bedingungen (90°C und 85% relative Feuchte) und das Aufzeigen des Potentials dieser Technologie für die digitale Archivierung. Da keine absolute Referenzdisc vorliegt, wurde die DVD GlassMasterDisc mit verschiedenen anderen auf dem Markt befindlichen beschreibbaren DVD±R verglichen. Das Ergebnis dieser Studie ist, das die GlassMasterDisc im Bereich der beschleunigten Alterung eine wesentlich längere Lebensdauer als andere erhältliche DVD±R aufweist, gleichgültig, ob letztere eine organische oder anorganische Aufzeichnungsschicht besitzen. Nach 1000h unter extremen klimatischen Bedingungen weist die GlassMasterDisc keine signifikante Verschlechterung der Qualität auf, während die beste konventionelle Disc eine maximale Lebensdauer von 250h bietet. Die GlassMasterDisc hat daher von allen auf dem Markt befindlichen beschreibbaren DVDs, das beste Potential, ein langfristiges Archiv digitaler Daten zu erstellen. Anhang 1: Messparameter Mit dem Auslesefehler verbundene Signale Während des Auslesens einer DVD wird die vom Lesekopf kommende HF dekodiert, um die digitale Information zu generieren. Die Kodierung des Signals auf der Disk geschieht redundant, um eine Fehlerkorrektur zu erlauben, um die beim Auslesevorgang unvermeidlich entstehenden Fehler zu korrigieren. Die Dekodierung erfolgt blockweise (ECC), diese Blöcke enthalten 37856 Byte in 208 Zeilen mit je 182 Byte. Es gibt 2 aufeinanderfolgende Fehlerkorrekturebenen: Zeilenweise Korrektur, wenn die Anzahl der fehlerhaften Byte pro Linie kleiner 3 ist, Spaltenweise Korrektur, wenn die Anzahl der fehlerhaften Byte pro Spalte kleiner 3 ist. Bei 1x DVD Geschwindigkeit, dauert ein Block etwa 0,02 Sekunden, also werden 42 ECC-Blöcke pro Sekunde des Signals gelesen. Man erhält dann zwei Messgrößen PI8 und POF die wie folgt definiert sind: PI8 (Parity Inner Sum 8) POF Parity Outer Fails Anzahl der fehlerhafte Zeilen pro 8 aufeinanderfolgenden ECC Blöcken. Maximale Größe ist 1664. Die maximal erlaubte Größe ist 280. PI8 kann über beliebige Zeiten gemittelt werden (>0,02 s) Anzahl der fehlerhaften, nicht korrigierbaren (mehr als 2 falsche Byte) pro Block. Die Messung der Gesamtzahl der POF kann sich über beliebige Zeiten erstrecken, auch über die ganze Disk. Das Auftreten von POF bedeutet einen Datenverlust, der Fehlerschutz ist nicht in der Lage, die Daten zu korrigieren. Signale die mit der Spur-und Fokusregelung des Lesekopfs zusammenhängen Diese Parameter werden nur bei 1x DVD Geschwindigkeit gemessen. Sie werden durch Messung der Servosignale gewonnen, die die Spur- und Fokusnachführung des Lasers erlauben. Die folgenden Signale werden gemessen: Radial1 Radial2 FE Radiale Abweichung (nm) Messung des Spurnachführungssignals (tracking) für Frequenzen <1,1 kHz Radiale Abweichung (nm) Messung des Spurnachführungssignals (tracking) für Frequenzen zwischen 1,1 kHz und 10 kHz. Focus Fehler (µm) Messung des Fokusnachführungssignals in senkrechter Richtung für Frequenzen <10 kHz Signale zur Intensität und zum Kontrast der HF Diese Signale werden nur bei 1x DVD Geschwindigkeit gemessen. Das HF-Signal ist durch die in der Spur eingravierten Pits moduliert. Die Länge der Pits kodiert die digitale Information. Die geschriebenen Pits und die ungeschriebenen Bereiche (Lands) können 10 Längen annehmen, die jeweils ganzzahlige Vielfache eines Grundwertes sind: 3T, 4T, 5T, 6T, 7T, 8T, 9T, 10T, 11T, 14T. Bei einfacher Geschwindigkeit ist T=38,2ns. Die Modulation der kürzesten Pits und Lands (3T) entspricht dann 4,36 MHz, die Frequenz für die längsten Symbole (14T) ist dann 0,93 MHz. 3 Parameter werden gemessen, die die Amplitude des HF-Signales charakterisieren: R14H, I3/I14, I14/I14H. Das Messsystem mittelt diese Parameter über 1s. R14H I14/I14H I3/I14 Reflektivität: Intensität des reflektierten Lichts der 14T Lands, im Vergleich zu einem Standardreflektor. Die minimale erlaubte Reflektivität ist 45%. Amplitudenmodulation der 14T Signale im Vergleich zur maximalen Amplitude. Der minimal erlaubte Wert ist 0,6. Amplitudenmodulation der 3T Signale im Vergleich zur Modulation der 14T. Der minimal erlaubte Wert ist 0,15. Der Parameter I14/I14H misst den Kontrast zwischen beschriebenen (Pits) und unbeschriebenen (Lands) Zonen für längere Symbole. Das Verhältnis der 3T und 14T Modulation ist wesentlich kleiner als 1, das der Laserstrahl eine größere Fläche als die der 3T bestrahlt. Signale zur Position der geschriebenen Symbole Gemessen werden auch Signale zur Positionierung und zur Länge der Lands und Pits. Diese Parameter werden in der folgenden Tabelle erklärt. Sie werden entweder über 1s (SYM) oder über 30s (Jitter) Sekunden gemittelt. ASYM DC Jitter Asymmetrie Die Abweichung zwischen den Mittelwerten der 3T und 14T Signale und dem Maximum der HF. Optimal ist hier ein leicht positiver Wert. Die Grenzwerte sind -5% bis +15%. Data to clock Jitter Die Abweichung der Positionen des Nulldurchgangs des HF Signals zum Referenztakt, wird ausgedrückt in % der Taktzeit. Der dc-Jitter vereint zum einen die systematischen Abweichungen, verbunden mit den verschiedenen Übergängen (z.B. Land 3T und Pit 11T) und zum anderen zufällige Abweichungen. Der maximal erlaubte Wert ist 9%. Die Asymmetrie nimmt negative Werte an wenn die 3T Pits nicht gut geschrieben worden sind, oder positive bei gut geschriebenen 3T. Der Parameter ist abhängig von der Laserintensität zum Zeitpunkt des Schreibens. Diese Intensität wird normalerweise während des Schreibens justiert, um einen Asymmetriewert um 0 zu erreichen. Der dc-Jitter ist hinreichend gut mit den Auslesefehlern gekoppelt, da eine Abweichung von mehr als 50% vom Referenztakt einen Fehler in der Dekodierung bewirkt.