Представьте самолёт, летающий на высоте одного миллиметра над землёй
и делающий один оборот вокруг Земли за 25 секунд,
в то же время считая каждую травинку.
Теперь представьте, что всё это поместилось у вас на ладони,
и вы полýчите аналог современного жёсткого диска —
устройства, способного хранить больше информации, чем ваша районная библиотека.
Но как столько информации помещается на таком маленьком пространстве?
Внутри каждого жёсткого диска есть блок быстро вращающихся дисков
с записывающими головками, передвигающимися над их поверхностью.
Каждый из дисков покрыт
плёнкой из микроскопических намагниченных металлических ячеек,
где ваши данные хранятся в непривычном для вас виде.
Они записаны как магнитная структура,
состоящая из групп этих маленьких ячеек.
В каждой группе, также известной как «бит»,
все ячейки намагничены
в одном из двух возможных состояний,
соответствующих нулю или единице.
Данные записываются на диск
путём конвертирования битовых цепочек в электрический ток,
проходящий через электромагнит.
Этот магнит создаёт поле достаточно сильное,
чтобы изменить направление намагниченности металлических частиц.
Для извлечения с жёсткого диска записанной информации
используется магнитный считыватель.
Это напоминает то, как игла патефона переводит записанную дорожку в музыку.
Но как же можно получить столько информации лишь из нулей и единиц?
Нужно поместить их в большом количестве в одном месте.
Например, одна буква записывается при помощи одного байта или восьми битов,
а ваше фото в среднем занимает несколько мегабайт,
где каждый состоит из 8 миллионов битов.
Так как каждый бит занимает определённое физическое пространство на диске,
мы всегда стремимся увеличить плотность дискового пространства,
иными словами, количество битов, которые могут поместиться на квадратном дюйме.
Сейчас плотность записи составляет порядка 600 Гбит на кв. дюйм,
что в 300 миллионов раз больше, чем на первом жёстком диске IBM 1957 года.
Это поразительное увеличение объёма памяти было достигнуто
не только путём уменьшения размера составных частей диска,
но и благодаря множеству инновационных разработок.
Технология получения тонких плёнок
позволяет инженерам уменьшать считыватель и записывающее устройство.
Несмотря на свой размер, считыватель стал более чувствительным
благодаря новым открытиям в области магнитных и квантовых свойств материи.
Биты можно расположить более компактно благодаря математическим алгоритмам
фильтрации шумов от магнитных помех
и подбора подходящей последовательности для битов из каждого считываемого сигнала.
Контроль теплового расширения считывающей головки
при помощи нагрева магнитного записывающего устройства
не позволяет ей подниматься более чем на пять нанометров над поверхностью диска —
это примерная ширина двух цепочек ДНК.
На протяжении последних десятилетий экспоненциальный рост возможностей
компьютерного хранилища и вычислительной мощности
происходил по закону Мура,
который в 1975 году предсказал,
что плотность записываемой информации будет удваиваться каждые два года.
Но при плотности примерно 100 Гбит на кв. дюйм
дальнейшее уменьшение магнитных ячеек или их сближение
вызывает новый риск — суперпарамагнетизм.
Когда объём намагниченной ячейки слишком мал,
её намагниченность может быть легко нарушена тепловой энергией,
что может привести биты к непреднамеренному переключению
и последующей потере информации.
Учёные справились с этим ограничением удивительно просто:
они изменили направление записи информации с вертикального на перпендикулярное
и достигли плотности записи на диск, равной 1 Тбит на кв. дюйм.
А недавно потенциальный лимит вырос ещё больше
благодаря термомагнитной записи.
Она использует ещё более термостабильный носитель,
чьё магнитное сопротивление временно сокращается
путём нагрева определённого участка лазерным лучом,
позволяя запись информации.
И пока для таких дисков пока ещё существуют лишь прототипы,
у учёных уже есть идеи потенциальных разработок:
структурированный носитель данных,
биты в котором располагаются в отдельных наноструктурах,
что может позволить увеличить плотность записи до 20 Тбит на кв. дюйм
или даже больше!
Итак, благодаря совместным усилиям нескольких поколений инженеров,
материаловедов и квантовых физиков,
это устройство невероятной мощности и точности
может поместиться на вашей ладони.