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.