В 70–80-е годы развернулась настоящая «битва видеоносителей»: Betamax, VHD (Video High Density), LaserDisc и VHS. Победителем, как известно, стал последний. Но в этой гонке участвовал и американский гигант Radio Corporation of America — со своим форматом CED (Capacitance Electronic Disc), также известным как VideoDisc.

Проект обошёлся компании почти в 500 миллионов долларов и закончился крахом: в 1987 году RCA прекратила существование. Казалось бы, точка. Но одна из технологий, созданных для CED, неожиданно обрела вторую жизнь — и привела к появлению сканирующего ёмкостного микроскопа.

Технология CED: трудности 20-летней реализации

Давайте вернемся на 60 лет назад. Radio Corporation of America, лидер по части цветного телевидения (именно она презентовала миру первую подобную систему, приложила руку к разработке видеостандарта NTSC и выпустила первый цветной телевизор) и виниловых пластинок, задалась вопросами: что будет после телевизионных приемников? Как люди будут смотреть цветные фильмы дома?

В 1964 году компания принялась искать решение в этой области, которое должно было определить рынок на следующие десятилетия. Но какой метод хранения и воспроизведения выбрать? Вариантов великое множество: кинопленка и проектор, магнитная или немагнитная лента, оптический диск и так далее. 

Но RCA все больше смотрели в сторону виниловых дисков, в производстве которых они были мастерами. Почему нельзя записать на них не только аудио, но и видео, а затем механически «извлечь» при помощи подобия иглы-снимателя?

Тем более Westinghouse Electric Corporation, один из крупнейших американских производителей электроники и бытовой техники, недавно представила систему Phonovid. Она позволяла воспроизводить одновременно неподвижные изображения и звук. На обе стороны 12-дюймовой пластинки удавалось «упаковать» до 400 изображений и 40 минут аудиозаписи.

Будущую систему назвали Discpix, и она должна была работать со стандартными 12" (30 см) по размеру пластинками, как у стандартных виниловых. Правда, сразу было понятно, что обычный виниловый диск для такой задачи не подойдет:

• Для длинного видео приемлемого качества потребуется радикально иная плотность канавок и скорость воспроизведения — намного меньше ширины 40-80 микрон и явно больше 33 ½ оборотов в минуту. Для столь мягкого материала это проблематично, не говоря о совершенно иных нагрузках при вращении. 

• Система на базе, скажем, пьезоэлемента не сможет зафиксировать столь малые по амплитуде колебания со столь высокой частотой. Здесь должен быть другой принцип считывания. 

Первоначально в команду разработки входили всего четыре человека под руководством Джона Клеменса и Юджина Кейзера. Поэтому работа двигалась со скрипом. 

За следующие 8 лет группа проработала множество вариантов, пока наконец не нашла новый подход — емкостной метод. Его суть заключается в том, что на пластинку наносится тонкий проводящий слой, а сверху — диэлектрический слой, полностью повторяющий рельеф. По пластинке скользит игла (точнее назвать ее «стилусом» клиновидной формы) с проводящим электродом: получается две обкладки конденсатора с диэлектриком.

При скольжении стилуса емкость изменяется: получаются высокочастотные колебания, которые дальше можно усилить и преобразовать в любой сигнал, совместимый с существующими системами видеоотображения.

Скорость вращения диска диаметром 30 см составляла 450 об/мин для NTSC и 375 об/мин для PAL. Первоначальная плотность составляла 2000 канавок/дюйм, позже эта величина увеличилась до 9541 при полосе пропускания яркости аж 3 МГц — подробная спецификация приводится здесь. 

Для сравнения: верхний порог частоты звука, воспринимаемого человеческим ухом, как известно, 20 кГц — отличие на 2 порядка. Поэтому задачи вместить аудио и видео на один вид носителя — совершенно иного уровня. 

Схема была настолько чувствительной, что распознавала изменения емкости порядка фемтофарад (10^-15). Колебательный контур работал на несущей частоте 910 МГц и благодаря оригинальной схеме с пиковым детектором надежно считывал (с минимальным соотношением сигнал/шум) записанные данные за счет амплитудной модуляции. Дальше исходный сигнал преобразовывался и передавался на ТВ-приемник. Подробнее описание можно прочитать в этой статье.

Но разумеется, возник целый ряд проблем, на устранение которых ушло еще несколько лет.

Проблема 1: материал диска

Первоначально использовался трехслойный материал диска: виниловая основа, алюминиевое напыление, диэлектрический слой прозрачного полистирола. Для уменьшения трения сверху еще наносился слой силиконовой смазки. Но позже выяснилось, что алюминий слишком зернистый — в механике появляются сильные колебания.

Специалисты RCA продолжили эксперименты:

• Напыление золотом давало отличные результаты, но стоимость диска возрастала в десятки раз.

• Медное напыление показало себя неплохо, но при определенных условиях оно подвергалось коррозии. 

Только в 1975 году смогли найти устойчивое решение: медь покрывалась сверху инконелем. В итоге получался многослойный бутерброд, довольно сложный в изготовлении и имеющий высокую себестоимость. Только в 1977 году Леонард Фокс разработал метод изготовления ПВХ-дисков с примесью электропроводного углерода Ketjenblack EC. 

Проблема 2: конструкция иглы и электрода

Первоначально игла изготавливалась из сапфира, а электрод из тантала крепился сверху. Однако выяснилось, что износ материалов при такой частоте вращения слишком высокий: диски царапались, а игла повреждалась. 

В 1976 году разработчики нашли выход: использовать алмазную иглу, на поверхность которой напылялся титановый электрод. Такое сочетание давало превосходное качество считывания и при этом не повреждало поверхность диска.

Для понимания — игла едва касалась поверхности. Усилие прижима оценивалось в 65 миллиграммов. 

Проблема 3: пыль и мусор

Как и виниловые пластинки, CED-диски планировалось продавать и хранить в бумажных конвертах. Вот только пользователь неизбежно должен был их достать руками и поместить в проигрыватель. Быстро стало понятно: при такой плотности информации малейшая пылинка или отпечаток пальца приводит к некорректному считыванию и пропуску дорожек.   

Разработчики предложили оригинальное решение: поставлять 12" диски в пластиковых боксах, чтобы пользователь вообще не контактировал с их поверхностью. Весь бокс помещался в проигрыватель, после чего диск извлекался в полностью герметичной среде и дополнительно протирался прижимными роликами с войлоком.

Проблема 4: длительность записи

До 1977 года многочисленные эксперименты и оптимизации позволили получить плотность в 4000 канавок на дюйм — в два раза больше, по сравнению с оригинальным патентом 1971 года. Вот только этого все равно было недостаточно — на каждую сторону помещалось только 30 минут видео максимум. 

В 1978 году, после перехода на ПВХ с проводящим углеродом получилось добиться итоговой плотности в 9541 канавок на дюйм. В итоге получилось уместить двухчасовой фильм на обе стороны 12" VideoDisc, вместе с аудиодорожкой.  

Более подробно с патентами, устройством и другими сложностями производства можно ознакомиться на сайте cedmajic, посвященному истории CED-технологии. 

Провал VideoDisc и конец RCA

Первоначальные планы RCA состояли в том, чтобы выпустить VideoDisc в 1977 году. На тот момент уже появился первый проигрыватель с верхней загрузкой SDT 250. Но из-за описанных выше сложностей (особенно связанных с проблемой пыли) запуск отложили.

И на самом деле это и стало одной из главных причин провала формата. Дело в том, что в 1977 году прогнозируемая стоимость проигрывателя VideoDisc составляла 500 долларов. Для примера: 

• первые VHS-плееры, считывающие данные с магнитной ленты, стоили 1000-1400 долларов. А плееры LaserDisc, другой конкурирующей технологии, и того дороже. Например Pioneer PR-7820, первый массовый LD-проигрыватель, в 1978 продавался по цене 2200-3500 долларов. 

• LaserDisc доходили до 100 долларов и выше, VHS кассеты — порядка 80 долларов, а VideoDisc прогнозировался с ценой 10-18 долларов. 

Если бы первые VideoDisc и проигрыватели SelectaVision поступили в продажу в это время, при такой разнице в ценах и превосходном качестве (лучше VHS, но чуть хуже LaserDisc — полоса пропускания 5 МГц против 3 МГц у VideoDisc), то возможно, все сложилось бы иначе. Однако руководство RCA оттягивало момент, продолжая улучшать и улучшать технологию.

Первый проигрыватель SFT100W поступил в продажу в 1981 году. И тогда же появились первые VideoDisc — 50 фильмов, перечисленные в каталоге, идущем вместе с плеером. Первым записанным фильмом считается Race for Your Life, Charlie Brown.

В 1981 году RCA строила «наполеоновские» планы:

• продать 200 000 SelectaVision проигрывателей к концу года; 

• добиться, чтобы 50% американских семей использовали их продукцию;

• выйти на годовой объем продаж 7,5 млрд долларов — это порядка 5-6 млн плееров и 200-500 млн видеодисков. 

Однако продажи не достигли и половины ожидаемого объема. Дело в том, что VHS на тот момент существовал уже не один год, и цены с 1977 году резко снизились. В начале 80-х можно было купить подержанный VHS-проигрыватель дешевле, чем SGT250 стоимостью 399 долларов. Люди не понимали, в чем преимущества совершенно нового формата (что, кстати, относилось и к LaserDisc), когда есть уже проверенный VHS.

Дополнительные факторы:

1. Проигрыватели VideoDisc не умели записывать видео, в отличие от VHS. То есть пересмотреть любимую передачу не получится.

2. Хотя плотность записи и полоса пропускания были невероятными для того времени, VideoDisc все равно имел ограничение — 60 минут на одну сторону. Фильм длительностью от одного до двух часов приходилось переворачивать вручную. 

3. Если речь шла о фильме продолжительностью больше 120 минут, то требовалось уже два VideoDisc. А многие популярные хиты 80-х шли дольше: «Осьминожка» (фильм про Джеймса Бонда, 131 минута), «Стар-Трек» (132 минуты), «Возвращение Джедая» (132 минуты) и другие. Из-за этого студиям иногда приходилось вырезать отдельные сцены, чтобы уложиться в лимит двух часов — такие версии даже выходили с пометкой edited for time.

4. Хотя сами диски и были дешевле VHS-кассет, руководство RCA не учло, что начали появляться многочисленные пункты проката видеокассет. Для чего покупать фильм, когда можно взять его в аренду? Это выгоднее. 

За следующие два года RCA выпустила 1700 фильмов, радикально снизила цены на проигрыватели, но продала их всего 500 000 штук. В 1984 году «лавочку прикрыли». 

В итоге на революционную технологию емкостных дисков потратили больше 500 миллионов долларов и больше 20 лет разработки. Но добиться хоть какой-то окупаемости не получилось. С учетом провала других масштабных проектов (например, игровой консоли RCA Studio II), руководство в декабре 1985 года пошло на беспрецедентной шаг — продажу RCA компании General Electrics за 6,38 миллиардов долларов. 

GE обещало, что сохранит структуру компании и большую часть производств, но не сдержало слово. В 1987 году основные подразделения были разделены и распроданы компаниям Thomson Consumer Electronics, Bertelsmann Music Group, Westwood One, MCI Communications Corporation и Sony Pictures. Сейчас легендарная RCA — лишь торговая марка.

GE обещало сохранить структуру компании и большую часть производств, но не сдержало слово. В 1987 году основные подразделения были разделены и распроданы: их купили Thomson Consumer Electronics, Bertelsmann Music Group, Westwood One, MCI Communications Corporation и Sony Pictures. Сегодня RCA существует лишь как торговая марка: разные компании выпускают под этим именем электронику и музыку по лицензии.

Наследие CED: сканирующий емкостной микроскоп

На этом технология, используемая в CED, могла бы остаться лишь частью музейных экспонатов, если бы не Джеймс Мэтти — один из ключевых людей в исследовательском отделе RCA, занимавшийся разработкой VideoDisc. 

В 1981 году, накануне релиза технологии CED (которая, как ожидали в RCA, «взорвет рынок»), Мэтти отправил патентную заявку на «Сканирующий емкостный микроскоп» — устройство, которое использовалось для контроля качества CED. И в 1984 году, когда VideoDisc уже провалился, заявка с небольшими изменениями под номером US4481616A была удовлетворена — ознакомиться с патентом можно по ссылке. 

Кратко суть: Мэтти предложил взять сверхчувствительные ёмкостные сенсоры с иглой, использовавшиеся в проигрывателях VideoDisc, и установить их в отдельное устройство — сканирующий микроскоп. Благодаря чувствительности порядка 10⁻¹⁸ Ф (аттофарад) такое устройство могло бы подробно исследовать поверхность миниатюрных объектов — вплоть до микроскопических неровностей.

Точнее говоря, такой микроскоп мог бы регистрировать изменение рельефа поверхности порядка 0,3 нм (!!!) на площади менее 0,5 мкм², как пишет Мэтти в своей обзорной статье Scanning capacitance microscopy в журнале Journal of Applied Physics за март 1985 года. 

Такой подход, в сравнении с оптическими или другими существующими методами микроскопии того времени, давал совершенно иной уровень детализации — в тысячи раз точнее. И с учетом того, что интегральные схемы в 80-х годах становились все меньше, производители получили новые возможности для технического контроля. 

Например, SCM позволяла: 

• картографировать легирующую примесь в полупроводнике — то есть атомы других элементов, добавляемые для изменения его электрических свойств;

• отслеживать минимальные изменения ёмкости на плате и выявлять дефекты даже без непосредственного контакта с поверхностью (при движении зонда на высоте примерно 20 нм, согласно статье Мэтти).

В 1990-х годах исследователи из NIST (Национального института стандартов и технологий) Джозеф Копански, Джей Марчиандо и Дэвид Бернинг пошли еще дальше: создали специализированный SCM, который бы работал в связке с другим видом микроскопа — атомно-силовом (ACM), относящийся к тому же классу SPM (сканирующих зондовых микроскопов). 

Идея исследователей из NIST заключалась в следующем: контролировать распределение легирующей примеси в полупроводнике не в одном измерении, а в двух — по глубине и латеральное, по поверхности. Это позволило бы получить объемный профиль и лучше понимать, как можно улучшить процесс производства полупроводников. 

Для этого использовался:

• атомно-силовой микроскоп (ACM), который двигался своим зондом по поверхности;

• емкостной микроскоп (SCM), который измерял малейшее изменение емкости между зондом ACM и поперечным сечением полупроводника, зависящее, в свою очередь, от распределения легирующей примеси.

Результаты своей работы исследователи изложили в научной статье Scanning capacitance microscopy measurement of two-dimensional dopant profiles across junctions. После этого началось коммерческое производство подобных SCM-микроскопов. Например, их используют при производстве силовых MOSFET или для анализа структуры германиевых наноточек.

Возможно, если бы RCA выпустила VideoDisc в 1977 году, он мог бы получить куда большую популярность, даже несмотря на очевидные ограничения. Не сложилось, как и у LaserDisc — VHS стал доминирующим бытовым форматом видео на следующие 20 с лишним лет. 

Но радует, что столь необычная технология (по сути, цифрового фонографа) не умерла, а используется до сих пор в неожиданном качестве — при производстве полупроводников. И кажется, что это все-таки поважнее просмотра фильмов из 80-х годов. 

А вы можете вспомнить подобные случаи? Когда технология вроде «умерла», но потом возродилась в совершенно другом применении? Расскажите в комментариях.

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS