CD-ROM 구조와 레이저 읽기 방식

오디오 디스크에서 컴퓨터 저장매체로 확장된 CD-ROM

CD-ROM(Compact Disc Read-Only Memory)은 레이저로 데이터를 판독하는 읽기 전용 광학 저장매체다. 기록된 내용은 수정할 수 없으며, 오디오 CD 기술을 컴퓨터 데이터 저장에 적용한 형태로 발전했다.

Compact Disc는 1982년 Sony와 Philips가 공동 개발한 디지털 오디오 저장매체다. 1985년 Yellow Book 표준이 컴퓨터 데이터 저장 형식을 정의하면서 ROM 용도로 확장됐고, ISO9660 파일시스템은 플랫폼 사이의 호환성을 제공했다. CD-ROM은 1990년대에 PC의 표준 저장매체로 자리 잡으며 소프트웨어와 멀티미디어 콘텐츠 배포에 널리 쓰였다.

디스크는 직경 120mm, 두께 1.2mm의 폴리카보네이트 플라스틱으로 만들어진다. 저장 용량은 650700MB이며, 오디오 CD 기준으로는 7480분을 담을 수 있다. 적절한 보관 조건에서는 10년 이상 데이터를 보존할 수 있다.

CD-ROM은 780nm 적색 레이저를 사용한다. 트랙 피치는 1.6μm이고 선형 데이터 밀도는 약 1.6μm/bit이며, CIRC(Cross-Interleaved Reed-Solomon Code) 오류정정 방식을 적용한다.

디스크 표면과 데이터 배치

디스크의 상단에는 인쇄 가능한 레이블층이 있고, 그 아래에 보호층과 알루미늄 반사층, 투명한 폴리카보네이트 기판이 놓인다. 기록층의 피트(Pit)와 랜드(Land)가 데이터 표현의 기반이다.

피트는 레이저로 형성된 움푹한 홈으로 빛을 산란시키며, 랜드는 피트 사이의 평평한 영역으로 빛을 반사한다. 데이터는 중심에서 외곽으로 이어지는 나선형 단일 트랙에 기록된다. EFM(Eight-to-Fourteen Modulation)은 8비트를 14비트로 변조해 기록하는 방식이다.

논리적으로는 리드인 영역, 프로그램 영역, 리드아웃 영역으로 나뉜다. 리드인 영역에는 TOC(Table of Contents)가 저장되고, 프로그램 영역에는 실제 데이터가 들어간다. 리드아웃 영역은 디스크의 끝을 표시한다. 섹터는 헤더와 오류정정 정보를 포함하는 2,352바이트 단위다.

반사광을 디지털 데이터로 복원하는 과정

드라이브의 광학 픽업은 레이저다이오드, 포커싱렌즈, 포토다이오드, 트래킹서보로 구성된다. 레이저다이오드는 780nm 적색 레이저를 만들고, 포커싱렌즈는 이를 디스크 표면에 정밀하게 맞춘다. 포토다이오드는 반사광의 강도를 측정하며, 트래킹서보는 레이저가 트랙을 따라가도록 제어한다.

읽기 과정에서는 레이저가 피트와 랜드에 조사된다. 피트에서는 빛이 산란되고 랜드에서는 빛이 반사된다. 포토다이오드는 이 강약을 전기 신호로 바꾼 뒤, 신호 처리 과정이 이를 0과 1의 디지털 데이터로 복원한다.

디스크 회전은 CLV(Constant Linear Velocity) 방식으로 제어된다. 내주에서 외주로 갈수록 회전속도는 낮아지지만, 위치와 관계없이 일정한 데이터 전송속도를 유지한다. 1배속은 오디오 CD 재생속도인 150KB/s를 기준으로 하며, 2배속은 300KB/s, 최대 52배속은 7.8MB/s다.

드라이브가 데이터를 전달하는 방식

CD-ROM 드라이브에는 디스크를 돌리는 스핀들모터, 레이저·렌즈·포토다이오드를 포함한 광픽업어셈블리, 광픽업을 반경 방향으로 움직이는 슬레드모터가 있다. 매체를 넣는 방식은 트레이 방식 또는 슬롯인 방식이다.

초기 PC에서는 IDE/ATAPI 병렬 인터페이스가 주로 사용됐다. 이후 케이블 구성이 단순한 SATA 직렬 인터페이스로 옮겨갔으며, 외장 드라이브에는 USB가 사용된다. SCSI는 서버급 시스템에서 사용됐다.

평균 접근시간은 80150ms로 HDD보다 느리다. 전송속도는 배속에 따라 150KB/s ~ 7.8MB/s 범위이며, 읽기 안정성을 위한 버퍼메모리는 28MB다. 초기 모델은 CPU 사용률이 높았지만 DMA 지원으로 개선됐다.

ISO9660과 확장 파일시스템

ISO9660은 CD-ROM의 플랫폼 독립적 파일시스템 표준이다. Level 1은 DOS 8.3 파일명 규칙과 디렉토리 깊이 8단계를 사용한다. Level 2는 최대 31자의 파일명을 지원하며 호환성을 중시한다. Level 3은 대용량 파일과 패킷 쓰기를 지원한다. Windows, Mac, Linux에서 모두 사용할 수 있다.

환경별 요구를 보완하는 확장 표준도 있다. Joliet은 Microsoft 확장으로 긴 파일명과 유니코드를 지원한다. Rock Ridge는 UNIX 환경의 심볼릭 링크와 권한 정보를 담는다. El Torito는 부팅 가능한 CD-ROM 표준이며, UDF(Universal Disk Format)는 DVD와 호환되는 차세대 파일시스템이다.

싱글세션 디스크는 모든 데이터를 한 번에 기록한다. 멀티세션은 여러 차례 데이터를 추가하는 방식으로 CD-R에서 주로 쓰이며, 세션마다 새로운 TOC가 생성된다. 구형 드라이브는 첫 세션만 읽을 수 있다.

읽기 오류를 다루는 계층

CIRC는 C1과 C2, 두 단계의 Reed-Solomon 코드를 사용하는 이중 오류정정 방식이다. 인터리빙으로 연속 오류를 분산해 정정 가능성을 높이며, 최대 4,000비트 연속 오류를 보정한다. 이를 위해 25%의 추가 데이터를 사용한다.

EDC(Error Detection Code)는 32비트 CRC로 오류를 검출한다. ECC(Error Correction Code)는 섹터마다 276바이트의 오류정정 코드를 둔다. Mode 1은 2,048바이트 사용자 데이터와 288바이트 ECC를 사용하고, Mode 2는 2,336바이트 사용자 데이터를 제공하는 대신 오류정정이 약화된다.

물리적 취급도 읽기 안정성에 영향을 준다. 폴리카보네이트 두께는 표면 손상으로부터 매체를 보호하며, 레이저 초점이 기록층에 맞춰져 있어 표면의 먼지는 무시된다. 직사광선과 고온다습한 환경을 피하고, 지문이나 기름이 묻지 않도록 가장자리만 잡아야 한다.

배포와 보관에 쓰였던 매체

CD-ROM은 Windows와 Linux 설치 미디어, 대용량 응용프로그램 패키지, 하드웨어 장치 드라이버, 보안 패치와 서비스팩 배포에 사용됐다.

1990년대 PC 게임과 Encarta 등의 멀티미디어 백과사전, 인터랙티브 교육 자료, Video CD(VCD) 형식의 동영상도 주요 활용처였다. 중요 데이터의 오프라인 백업, 대량 문서와 데이터베이스 배포, 장기 보존 기록물, 변경 불가능한 특성을 활용한 법적 증거 자료 보관에도 쓰였다.

용량·속도·내구성의 제약

700MB 용량은 현대 멀티미디어 파일을 담기에는 부족하며, HD 비디오 저장도 지원하지 못한다. 대용량 소프트웨어는 여러 장의 디스크를 요구해 불편함을 키웠고, 4.7GB DVD로 대체되는 추세가 나타났다.

최대 전송률은 7.8MB/s로 HDD나 SSD보다 매우 낮다. 평균 100ms 이상의 접근시간은 랜덤 액세스에 불리하며, 고배속 회전에서는 소음이 발생한다. 디스크 불균형은 진동과 소음을 더 키울 수 있다.

표면 긁힘은 읽기 오류를 유발하고, 상단 레이블층은 더 취약하다. 장기 보관 시 CD Rot 현상으로 데이터가 손실될 수 있으며, 온도와 습도 변화에도 민감하다.

CD-ROM은 1980년대부터 2000년대까지 소프트웨어 배포와 데이터 저장의 표준 매체였다. 피트와 랜드의 차이를 레이저로 읽는 방식과 ISO9660 기반의 호환성은 광학 저장매체의 중요한 기반으로 남아 있다.