想像一架飛機在 離地一毫米的高度飛行
每 25 秒繞行地球一周
同時細數地面上每一根小草
把這些縮小到你掌心大小
差不多即是現在的硬碟
一個比地方圖書館 可能保存更多資訊的物品
以如此小的空間 是如何儲存這麼多的資料呢 ?
每個硬碟的核心 是一疊高速旋轉的磁片
磁片的每一面都有個 飛越其上的記錄磁頭
每個磁片上都濺鍍一層 極微小的磁性金屬顆粒
資料是以一種你無法辨識的形態存在
事實上，資料是由那些成群的 細小顆粒所形成的磁化模式來記錄
每一個群組，也就是所謂的「位元」
所有的顆粒都有它們的磁化排列
以兩種可能狀態之一呈現
也就是 0 和 1
數據寫入磁片中
是藉由通過電磁鐵 將一連串的位元轉換為電流
這個電磁鐵產生一個強大的磁場
足以改變金屬顆粒的磁化方向
一旦資料被寫入磁片
磁碟機會用一個磁性的「讀頭」 將其轉換回可用的模式
就像留聲機的唱針 將唱片紋路轉為音樂
但是怎樣從僅僅是 0 和 1 就能得到這麼多資訊呢？
把它們湊在一起就可以了
例如，用「1 位元組」 或「8 位元」表示一個字母
你一般的照片是幾百萬位元組
一個「百萬位元組」是八百萬位元
因為每個位元 必須寫在磁片的實體位置上
所以我們總是致力於 增加磁片的儲存密度
或是在一平方英吋可以塞進多少位元
現代硬碟的儲存密度差不多 是每平方英寸 6000 億位元
比 1957 年 IBM 的 第一個硬碟大 3 億倍
這儲存容量上的大躍進
並不只是把所有東西越做越小
而是導入許多的創新
一種稱為「薄膜微影技術」的製程
讓工程師們能將讀寫裝置縮小
儘管體積變小 讀頭卻變得更加靈敏
這全賴物質的磁性與 量子特性的新發現而獲益
位元也被壓縮地更密， 且拜數學演算法之賜
能去除磁性干擾產生的雜訊
以及從每個回讀訊號 理出最有可能的位元排序
而磁頭的熱膨脹控制
是在磁性寫頭下方放置一個加熱器
讓磁頭能以小於 5 奈米 的高度懸飛於磁碟上方
差不多 2 串 DNA 的寬度
過去幾十年來
電腦的儲存容量及處理能力呈指數式成長
遵循 1975 年的「摩爾定律」模式的預測
亦即資訊密度每兩年將會倍增
但在每平方英吋 1000 億位元左右的密度
若繼續縮小磁性顆粒或將它們排得更緊密
會造成新的風險，稱為「超順磁性效應」
當磁性顆粒體積太小
它的磁化很容易受熱能干擾
使得位元在無意中轉換方向
造成資料遺失
科學家們以非常簡單的方法 解決了這個限制：
將記錄的方向由 「水平記錄」改成「垂直記錄」
讓儲存密度提升到 每平方英吋 1 兆位元 ( 1 TB )
最近又透過「熱輔助磁性記錄（HAMR）」 再度擴增其潛能
這方法是使用一個 熱穩定性更好的記錄介質
在雷射加熱一個特定區域時 其磁阻會暫時減小
使資料得以寫入
這種硬碟目前還只是在原型階段
但科學家已經有下一個錦囊妙計了
圖樣化磁紀錄技術 ( BPMR )
就是將數個位元排成 一個個奈米大小的圖樣結構
可能使儲存密度提升到 每平方英吋 20 兆位元
甚至更多
總之，歸功於世世代代的工程師、
材料科學家
和量子物理學家的共同努力
這既精密又能力超強的工具
能運轉於你的手掌之中
翻譯：Shang-Yung Sun