現(xiàn)代數(shù)字影院

數(shù)字影院已逐漸取代舊有的膠片放映成為全球影院主要的放映技術(shù)。大部分現(xiàn)在發(fā)布的媒體內(nèi)容均以數(shù)字格式制作，內(nèi)容首先載入到數(shù)字影院的服務(wù)器系統(tǒng)，然后分發(fā)給每個投影機所嵌入的獨立媒體模塊（IMBs），再由獨立媒體模塊把加密的高分辨率內(nèi)容轉(zhuǎn)化成投影機可展示的格式。獨立媒體模塊安裝在投影機里，可防止高分辨率的原始內(nèi)容被輕易獲取和復(fù)制，投影機其他的安全措施，進一步提高原始內(nèi)容的安全度。

獨立媒體模塊或使用內(nèi)置數(shù)字存儲（見圖1），或使用外置存儲裝置（見圖2）來儲存播放內(nèi)容。圖一展示內(nèi)容直接由獨立媒體模塊的內(nèi)置存儲模塊提供，圖二展示外置存儲模塊內(nèi)的加密內(nèi)容通過eSATA （直連式存儲，DAS）或以太網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)連接存儲，NAS）傳送至獨立媒體模塊。這兩種結(jié)構(gòu)均可以通過影院網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)進行控制。

由于現(xiàn)代影院播放的媒體檔案大小一般為90GB至300GB，硬盤驅(qū)動器（簡稱為硬盤）是最常用的存儲技術(shù)。硬盤可提供視頻應(yīng)用中非常重要的快速連續(xù)的數(shù)據(jù)流，相對于其他技術(shù)（如閃存）更具成本效益。

數(shù)字影院使用的硬盤

由于數(shù)字電影的檔案可能很大，因此把電影內(nèi)容儲存在硬盤（相較于固態(tài)存儲）更具成本效益。硬盤最常見的外型大小有2.5英寸和3.5英寸，除了外形尺寸不同之外，兩者使用的數(shù)據(jù)接口以及其他特性如每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)（RPM）也有所不同。硬盤的一般接口為SATA（串行ATA）和SAS（串行連接SCSI）。

硬盤使用不銹鋼懸浮體上的磁頭，在高速旋轉(zhuǎn)磁盤上的同心磁軌內(nèi)寫入和讀取信息。旋轉(zhuǎn)馬達驅(qū)動電子模塊上的懸浮體控制磁頭在磁盤表面做徑向移動，在每面磁盤上形成記錄磁軌。這些磁軌被分割成稱為扇區(qū)的環(huán)形區(qū)域。磁頭經(jīng)過磁盤表面時可以檢測到寫在扇區(qū)標頭的伺服信息。

硬盤控制電路根據(jù)伺服信息，利用尋道伺服電機將磁頭引導(dǎo)到適當(dāng)位置，以寫入或讀取信息。由于磁盤對即使極少量的污染物都非常敏感，需要非常潔凈的空間，因此將其置入密閉的硬盤殼內(nèi)以防止微粒和其他污染物進入。

圖3硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和主要組件示意圖

3.5英寸硬盤內(nèi)的磁盤盤片較2.5英寸的大。一般來說，3.5英寸硬盤內(nèi)用作儲存數(shù)據(jù)的盤片表面較2.5英寸的大，所以3.5英寸硬盤的容量也相對較大。此外，3.5英寸硬盤的外殼一般較2.5英寸的高，所以3.5英寸硬盤可置入更多盤片。

3.5英寸硬盤用作儲存數(shù)據(jù)的磁盤盤片表面較大并置入較多磁盤，因此3.5英寸硬盤的存儲容量較2.5英寸的大?；谶@個原因，3.5英寸硬盤的數(shù)字存儲成本（以$/TB存儲容量計算）比2.5英寸約低2倍，即2.5英寸硬盤的存儲成本（以$/TB存儲容量計算）比3.5英寸的高50%以上。

硬盤屬于機電設(shè)備，硬盤內(nèi)的組件會因使用時間而耗損或失效。硬盤一般有5年的設(shè)計壽命（即便其保修期較短），這是基于硬盤在假定的應(yīng)用環(huán)境和使用情況下，因此大部分硬盤的壽命不足5年。

用于企業(yè)級存儲系統(tǒng)的硬盤是為高使用率和長時間運行而設(shè)計的，HGST（西部數(shù)據(jù)分公司的其中一個分部）的Cinemastar系列產(chǎn)品和希捷公司的企業(yè)級高性能硬盤便是其中例子。企業(yè)級存儲系統(tǒng)把若干硬盤組成一個陣列，用于頻繁地讀寫數(shù)據(jù)和不間斷的運行。

其他為個人電腦應(yīng)用而設(shè)計的硬盤每天只使用一點時間（如每日約8小時），使用時間遠少于企業(yè)應(yīng)用。此外，個人電腦較少頻繁讀寫信息，因為這些設(shè)備提供給個人用戶而不是企業(yè)存儲陣列的多用戶并發(fā)使用。市面上還有為特定用途而設(shè)計的專用硬盤，例如供家庭數(shù)字視頻錄像機和視頻監(jiān)控錄像使用的硬盤。

獨立媒體模塊內(nèi)置或外置存儲

用于數(shù)字投影機光源的氙燈溫度非常高，因為其功率有900W至15KW。雖然投影機采用了液冷或風(fēng)冷來控制溫度，但投影機內(nèi)的溫度還是很容易超過100oC ，這種高溫對投影機內(nèi)的組件是一種考驗。而獨立媒體模塊安裝在投影機內(nèi)，其溫度也相當(dāng)高，這對內(nèi)置硬盤的獨立媒體模塊具有重要影響。

年故障率（AFR）指一定數(shù)量級的硬盤在一年使用中可能發(fā)生故障的比率，經(jīng)常用以討論硬盤的長期可靠性。年故障率旨在明確硬盤在設(shè)定的運行條件下，在設(shè)計的使用壽命期和保修期內(nèi)所允許的極少故障率。

如果硬盤受到額外的負擔(dān)，硬盤的年故障率會有所提高。這些負擔(dān)包括每年額外的開機時間（與每天使用硬盤的時間有關(guān)）、硬盤的內(nèi)部溫度（與硬盤外部的熱負荷以及硬盤自身產(chǎn)生的熱量有關(guān)）。其他因素如物理撞擊和劇烈振動，也可能導(dǎo)致硬盤產(chǎn)生問題。為了盡量延長存儲系統(tǒng)內(nèi)硬盤的壽命，我們應(yīng)了解和管理這些造成額外負擔(dān)的因素。

由于現(xiàn)在數(shù)字影院投影機的溫度非常高，甚至超過100oC，我們將探討溫度（以及開機時間）對硬盤年故障率的影響。圖四是根據(jù)希捷科技的數(shù)據(jù)展示希捷視頻監(jiān)控硬盤的年故障率與其硬盤外殼溫度之間的函數(shù)圖表 。這種硬盤用于密集寫入并偶爾讀取的視頻圖像。

雖然視頻監(jiān)控不像數(shù)字影院放映般頻繁地讀取數(shù)據(jù)，但年故障率也同樣隨著溫度上升而上升。如果我們使用較低的開機時間曲線（開機時間2400小時），相當(dāng)于每周開機約5天，每天約8小時。當(dāng)硬盤外殼的溫度由30oC（接近室溫）上升至70oC時，年故障率上升至約3.4 倍（由0.21%上升至0.71%）。較早前有關(guān)硬盤年故障率與溫度關(guān)系的研究也在類似的溫度范圍 內(nèi)記錄到類似的年故障率。此外，我們可以從數(shù)據(jù)中看到，年故障率會隨著年度開機時間的增加而上升（開機時間8760小時，相當(dāng)于每天24小時運行），即使硬盤外殼溫度同是30oC時，長開機時間的年故障率會是短開機時間的3倍。

由于投影機及獨立媒體模塊的溫度可能超過100oC（并且大部分時間超過50oC），相對于安裝在較低環(huán)境溫度下的硬盤來說，這種熱負荷加上獨立媒體模塊內(nèi)置硬盤自身產(chǎn)生的熱量，更容易增加硬盤的年故障率。例如，一個散熱控制良好的外置存儲系統(tǒng)，其內(nèi)部溫度可保持在30oC至50oC之間，在這種較低的溫度下運行，年故障率將會較低。此外，相對于集成在獨立媒體模塊上的硬盤，外置存儲系統(tǒng)硬盤的使用壽命也更長。

外置存儲系統(tǒng)中的硬盤使用壽命更長，意味著這些硬盤的更換頻率會比獨立媒體模塊內(nèi)置的低，投影機維護次數(shù)的減少將延長其所屬投影機的運行時間。此外，在設(shè)計合理的外置存儲系統(tǒng)上更換硬盤，也會比在數(shù)字投影機里更換硬盤更容易，升級外置存儲系統(tǒng)的存儲容量也更簡單。

數(shù)字影院與硬盤的未來

硬盤的未來

IBM公司在1956年推出首個硬盤。自此，硬盤的存儲容量增加超過十億倍，而外型縮小至今天的2.5英寸，甚至更小。硬盤技術(shù)不斷發(fā)展，不論是磁頭、介質(zhì)（磁盤）、馬達、伺服系統(tǒng)、驅(qū)動電路、外殼還是防污染技術(shù)，都得到顯著提升，為包括視頻內(nèi)容在內(nèi)的各種資料的存儲提供可靠的低成本數(shù)字存儲技術(shù)。

硬盤磁錄密度（每一磁盤表面積可儲存的信息字節(jié)數(shù)）愈高，每一磁盤提供的數(shù)字存儲容量便愈多，硬盤的存儲容量也愈大。因此，在數(shù)字存儲成本（以$/TB計算）方面領(lǐng)先其他存儲技術(shù)（如閃存）的主要方法是增加硬盤磁錄密度。需要注意的是，硬盤的磁盤數(shù)量也是硬盤總存儲容量的關(guān)鍵。

目前硬盤磁錄密度以每年約15%的速度增長（每平方英寸千兆位或稱Gbpsi），然而根據(jù)下方圖五顯示的每季最高硬盤磁錄密度的記錄，硬盤磁錄密度的實際增長趨勢并沒有任何固定規(guī)律可循，而是時斷時續(xù)，并在多個季度保持不變。我們可以建立某種形式的整體平均增長趨勢，需要注意的是，平穩(wěn)的理論增長趨勢預(yù)測在某個特定的時間點很可能是錯誤的。

2015年將推出存儲容量高達10TB的3.5英寸硬盤。新研制的8TB和10TB的3.5英寸硬盤引入了幾項新技術(shù)，包括疊瓦式磁記錄（SMR）和氦氣充填式密封硬盤。疊瓦式磁記錄通過對現(xiàn)有硬盤磁道進行部分重疊覆蓋而減小磁道寬度來提高記錄密度。在疊瓦式磁記錄技術(shù)下，我們以低于直接覆寫先前數(shù)據(jù)的成本來增加硬盤的有效磁軌密度。另外，以氦氣取代空氣充填密封的硬盤，有助硬盤置入更多磁盤，從而增加硬盤的存儲容量。

2.5英寸和3.5英寸硬盤均受益于日益增強地磁錄密度技術(shù)。最近發(fā)布的3TB 2.5英寸硬盤，說明該尺寸的硬盤同樣在擴充存儲容量。

疊瓦式磁記錄技術(shù)難以再進一步大幅提高磁錄密度，氦充填技術(shù)也只允許增加一定的磁盤。因此，更高的存儲容量必須引入全新的數(shù)字存儲技術(shù)。領(lǐng)導(dǎo)硬盤業(yè)界的高級存儲技術(shù)聯(lián)盟（ASTC）在2014年發(fā)表了硬盤磁錄密度（在限定硬盤表面積可儲存的數(shù)字存儲量）路線圖。

根據(jù)ASTC的路線圖（見圖6）所示，將在2017年將熱輔助存儲技術(shù)（HAMR）引入硬盤制造上，讓磁錄密度年增長率提高至30%（目前約為15%）。

有趣的是，路線圖顯示在2021年將應(yīng)用一種稱為「位元規(guī)則介質(zhì)」（在磁盤表面把磁介質(zhì)分割成細小區(qū)域）結(jié)合疊瓦式磁記錄的技術(shù)或「二維磁記錄」（TDMR）的擴展疊瓦式磁記錄的技術(shù)。到2025年，這種技術(shù)再結(jié)合熱輔助磁記錄技術(shù)，將把磁錄密度增加至高達每平方英寸10Tb。目前出售的硬盤磁錄密度為每平方英寸0.86Tb，換句話說，在2025年由此技術(shù)制成的3.5英寸硬盤，其存儲容量將達到100 TB，約是現(xiàn)在的10倍。

數(shù)字影院存儲的未來

由于數(shù)字影院對存儲的需求不斷增加，數(shù)字存儲設(shè)備的存儲容量至關(guān)重要。目前數(shù)字影院播放2K和4K的內(nèi)容，甚至是3D的內(nèi)容，未來的分辨率可能會更高。表一對分辨率為2K、4K和潛在的8K內(nèi)容的像素數(shù)及幀率進行對比。分辨率（即像素數(shù)量）、幀率和色彩深度都會影響到數(shù)字電影檔案文件的總大小。業(yè)界正在推動的8K×4K的視頻，可能在2020年后進入影院。

毫無投影機內(nèi)部空間的限制，外置存儲系統(tǒng)允許使用更多的高容量的3.5英寸硬盤而非容量較小的2.5英寸硬盤，以提供更大的存儲容量。由于數(shù)字投影機的空間限制，所有獨立媒體模塊的內(nèi)置存儲系統(tǒng)均采用2.5英寸硬盤。

如前所述，3.5英寸硬盤比2.5英寸硬盤的存儲容量更大，存儲成本（以$/TB計算）更低。因此，相對于獨立媒體模塊集成的內(nèi)置存儲，使用3.5英寸硬盤的外置存儲系統(tǒng)更具高可靠性、易升級、高成本效益的優(yōu)勢。

更高的分辨率和更高的幀率造成數(shù)字電影檔案文件的不斷增大，低成本大容量將是不得不考慮的因素。

除了高分辨率和高幀率造成的文件更大之外，對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求更高。外置存儲系統(tǒng)所使用的3.5英寸硬盤，其數(shù)據(jù)傳輸速率比獨立媒體模塊內(nèi)置的2.5英寸硬盤高（與2.5英寸硬盤約500 Mbps速率相比，3.5英寸硬盤的數(shù)據(jù)傳輸速率超過1 Gbps）。這是由于3.5英寸硬盤轉(zhuǎn)速（7，200RPM）比2.5英寸硬盤轉(zhuǎn)速（5，400RPM）高，半徑比2.5英寸硬盤大，其線速度更快而決定的。

3.5英寸硬盤與2.5英寸硬盤的平均數(shù)據(jù)傳輸速率比約為2：1。數(shù)字電影檔案文件的大小因不同分辨率及2D或3D的不同而不同，一般為100至500 GB之間。雖然數(shù)字電影目前的數(shù)據(jù)傳輸速率高達500 Mbps（只計算視頻傳輸），但DCI檔案由多個數(shù)據(jù)塊重建而成，需要合并計算額外的帶寬。

此外，如果同一存儲系統(tǒng)同時輸出多個視頻流，所需的帶寬將會倍增。因此，就存儲高分辨率的多媒體內(nèi)容來說，特別是影片分辨率的不斷增長或不可避免輸出多個視頻流的時候，3.5英寸硬盤將是更好的選擇。

總結(jié)

更大的硬盤存儲容量對數(shù)字電影來說非常重要，因為使用較少的硬盤即可達到既定的存儲容量。此外，如表一所示，隨著數(shù)字電影的分辨率、幀率和色彩深度的不斷提高的趨勢，其檔案文件的整體大小也不斷增大。如使用3.5英寸硬盤這樣既符合成本效益，又擁有高存儲性能和高數(shù)據(jù)傳輸速率的存儲設(shè)備，將是儲存和播放高分辨率的大視頻內(nèi)容的關(guān)鍵。

使用外置存儲系統(tǒng)代替獨立媒體模塊的內(nèi)置硬盤，讓硬盤在較低溫度下運行，從而提高硬盤的可靠性和使用壽命。此外，外置存儲可使用具備更高容量和數(shù)據(jù)傳輸速率的3.5英寸硬盤而非2.5英寸硬盤，更適合傳輸分辨率較高的視頻？容。隨著硬盤技術(shù)的不斷發(fā)展，能夠支持未來更高的分辨率、更高的幀率和更高色彩深度的視頻內(nèi)容。