Wyobraźmy sobie samolot, który leci milimetr nad powierzchnią
i okrąża Ziemię raz na 25 sekund,
licząc każde źdźbło trawy.
Gdy pomniejszymy to wszystko tak, by zmieściło się w ludzkiej dłoni,
otrzymamy coś przypominającego współczesny dysk twardy.
Przedmiot mieszczący więcej informacji niż miejska biblioteka.
Jak to możliwe?
Sercem każdego dysku twardego są bardzo szybko obracające się płyty.
Nad każdą z nich umieszczona jest głowica zapisująca.
Płyty powleka folia mikroskopijnych ziaren z namagnesowanego metalu.
Dane występują tam w nierozpoznawalnej dla nas formie.
Zapisane są pod postacią magnetycznego wzoru,
który tworzą mikroskopijne ziarna.
W każdym układzie znanym jako bit
ziarna są namagnesowane w jednym z dwóch kierunków.
Każdy z nich odpowiada zeru lub jedynce.
Dane są zapisywane na dysku
przez zamianę ciągów bitów w wiązki elektryczne
przechodzące przez elektromagnes.
Magnes wytwarza na tyle silne pole, że może zmieniać kierunek
namagnesowania metalowych ziaren.
Gdy informacja zostaje zapisana na płycie,
dysk używa czytnika magnetycznego, by nadać jej rozpoznawalną postać.
Tak jak igła gramofonowa odczytuje rowki jako muzykę.
Skąd aż tyle informacji z samych zer i jedynek?
Dzieje się tak poprzez ich łączenie.
Litera przedstawiana jest za pomocą jednego bajta, czyli 8 bitów.
Zdjęcie składa się z kilku megabajtów.
Każdy megabajt to 8 milionów bitów.
Każdy bit musi zostać fizycznie zapisany na płycie,
więc próbuje się powiększać gęstość zapisu płyt
albo zwiększać liczbę bitów na centymetr kwadratowy.
Gęstość zapisu na dysku twardym
to około 100 gigabitów na centymetr kwadratowy.
300 milionów razy więcej niż miał pierwszy dysk IBM z 1957 roku.
Ten niesamowity postęp w pojemności dysków
nie wziął się z samej idei pomniejszania wszystkiego,
a z licznych innowacji.
Technologia cienkowarstwowa pozwoliła inżynierom zmniejszyć
głowicę zapisująco-odczytującą.
Niezależnie od wielkości głowice stały się bardziej czułe
dzięki odkryciom w dziedzinie magnetycznych i kwantowych cech materii.
W zagęszczaniu bitów pomogły matematyczne algorytmy,
które odfiltrowują magnetyczne zakłócenia,
wyszukując najbardziej pasujące sekwencje bitów w trakcie przesyłu danych.
Zastosowanie ogrzewacza głowicy
umożliwiło kontrolę jej rozszerzalności cieplnej.
Pozwoliło to unosić się głowicy nad płytą w odległości poniżej pięciu nanometrów,
czyli takiej jak między dwiema nićmi DNA.
Przez kilka ostatnich dekad
przyrost pojemności i mocy obliczeniowej komputerów w wykładniczym tempie
następował zgodnie z prawem Moore'a, który w 1975 przewidywał,
że gęstość informacji będzie podwajać się co 2 lata.
Przy około 15 gigabitach na centymetr kwadratowy
dalsze pomniejszanie lub upychanie ziaren magnetycznych
groziło wystąpieniem efektu superparamagnetycznego.
Kiedy objętość ziarna magnetycznego jest zbyt mała,
łatwo się ono rozmagnesowuje pod wpływem energii cieplnej.
Bity zaczynają samoistnie zmieniać kierunek,
co prowadzi do utraty danych.
Naukowcy łatwo pokonali to ograniczenie,
zmieniając kierunek zapisu z podłużnego na prostopadły.
Umożliwiło to powiększenie gęstości zapisu do 150 gigabitów na centymetr kwadratowy.
Ostatnio granica znów została przekroczona
dzięki wspomaganemu termicznie zapisowi magnetycznemu,
który wykorzystuje nośniki bardziej odporne na zmiany temperatury.
Opór magnetyczny zostaje natychmiast zmniejszony
przez podgrzanie danego miejsca laserem,
co umożliwia zapis danych.
Choć dyski tego typu są obecnie w fazie prototypu,
naukowcy mają już kolejnego asa w rękawie.
To nośniki o bitowej strukturze,
na których bity zajmują wydzielone nanoregiony.
Zagęszczenie wyniosłoby wtedy 3 terabity na centymetr kwadratowy
lub więcej.
Wspólny wysiłek całych pokoleń inżynierów,
badaczy materiału
i fizyków kwantowych
sprawił, że to urządzenie o niezwykłej mocy i precyzji
mieści się w ludzkiej dłoni.