Wie Festplatten funktionieren – Kanawat Senanan

Die ganze Lektion unter: http://ed.ted.com/lessons/how-do-hard-drives-work-kanawat-senanan

Moderne Festplatten können vermutlich mehr Informationen enthalten, als du in deiner örtlichen Bibliothek finden kannst. Aber wie speichern sie so viel Information auf so kleinem Raum? Kanawat Senanan erklärt, wie Generationen von Ingenieuren, Materialwissenschaftlern und Quantenphysikern die Entwicklung dieses unglaublich nützlichen Präzisionswerkzeugs beeinflusst haben.

Lektion von Kanawat Senanan, Animation von TED-Ed.

Stell dir ein Flugzeug vor, das nur
1 mm über dem Boden fliegt

und alle 25 Sekunden die Erde umkreist,

während es jeden einzelnen Grashalm zählt.

Stell es dir so klein vor,
dass es in deine Hand passt

und du hast etwas, das mit einer
modernen Festplatte vergleichbar ist,

die mehr Informationen speichern kann,
als die Bibliothek um die Ecke enthält.

Wie speichert man so viel Information
auf so kleinem Raum?

Kern jeder Festplatte sind Platten,
die sich mit Hochgeschwindigkeit drehen

und über deren Oberflächen
Schreibköpfe fliegen.

Auf jeder Scheibe ist ein Film winziger,
magnetischer Metallkörnchen

und die Daten liegen dort
nicht in verständlicher Form.

Man speichert sie als magnetisches Muster,

das aus Gruppen
der winzigen Körnchen besteht.

In jeder Gruppe,
die auch Bit genannt wird,

sind alle Körnchen gleich magnetisiert.

Es gibt zwei erlaubte Zustände,

die Nullen und Einsen entsprechen.

Daten werden auf die Platte geschrieben,

indem man Folgen von Bits
in elektrischen Stom wandelt

und durch einen Elektromagneten schickt.

Das Feld, das dieser Magnet erzeugt,
ist ausreichend stark,

um die Richtung
der Magnetisierung zu ändern.

Wenn die Daten dann auf der Platte stehen,

wird ein magnetischer Lesekopf verwendet,
um sie wieder auszulesen,

ganz ähnlich der Nadel
eines Plattenspielers,

die die Rillen einer Schallplatte
in Musik verwandelt.

Aber wie kann man so viel Information
nur in Nullen und Einsen packen?

Ganz einfach: indem man
viele von ihnen zusammenpackt.

Ein Buchstabe zum Beispiel kann mit
einem Byte, acht Bits, dargestellt werden.

Ein Foto dagegen belegt mehrere Megabyte,

von denen jedes 8 Millionen Bits hat.

Weil jedes Bit seinen eigenen Platz
auf der Platte benötigt,

versuchen wir, die Dichte
immer weiter zu erhöhen,

wie viele Bits also
auf einen Quadratzentimeter passen.

Auf eine moderne Festplatte passen etwa
4000 Gigabit pro Quadratzentimeter,

das ist 300 Millionen mal mehr als auf der
ersten Festplatte von IBM im Jahr 1957.

Diese unglaubliche Entwicklung
der Speicherkapazität

wurde nicht nur dadurch erreicht,
dass alles verkleinert wurde,

sie erforderte auch
verschiedene Erfindungen.

Ein Verfahren namens
Dünnschichtlithographie

ermöglichte die Verkleinerung von
Lese- und Schreibkopf.

Trotz seiner kleinen Größe
wurde der Lesekopf feinfühliger,

weil man neu entdeckte magnetische und
quantenphysikalische Eigenschaften nutzte.

Algorithmen, die Störungen aus
magnetischer Interferenz herausfiltern,

ermöglichen es, die Bits dichter zu packen

und die wahrscheinlichste Bitfolge aus
dem gelesenen Signal herauszulesen.

Ein Heizgerät unter dem Schreibkopf,

das die Ausdehnung des Kopfes
durch die Wärme steuert,

erlaubt diesem, weniger als fünf Nanometer
über der Plattenoberfläche zu schweben,

das ist die Breite von zwei DNA-Strängen.

Das exponentielle Wachstum
der Speicherkapazität

und Rechenleistung folgte
in den letzten Jahrzehnten

einem Muster, das man
Mooresches Gesetz nennt.

Es besagte 1975, dass sich alle zwei Jahre
die Informationsdichte verdoppeln würde.

Als aber 600 Gigabits pro
Quadratzentimeter erreicht waren,

tauchte beim Verkleinern und Verdichten
der magnetischen Körnchen

ein neues Problem auf,
der Superparamagnetische Effekt:

Besteht ein Bit aus zu wenigen Körnchen,

kann seine Magnetisierung leicht
durch Wärme gestört werden.

Das Bit ändert dann ungewollt seinen Wert

und Daten gehen verloren.

Es gibt aber eine erstaunlich
einfache Lösung für dieses Problem:

Schreibt man die Daten nicht längs,
sondern senkrecht zur Platte,

sind Dichten von 6 Terabit
pro Quadratzentimeter mögich.

Erst kürzlich wurde
die Grenze weiter verschoben,

indem man das Schreiben
durch Wärme unterstützt.

Man senkt vorübergehend
den magnetischen Widerstand

eines noch wärmestabileren Mediums,

indem man die Stelle
mit einem Laser erwärmt

und danach mit Daten beschreibt.

Zwar sind solche Festplatten
bis jetzt nur Prototypen,

aber Wissenschaftler arbeiten schon
am nächsten möglichen Trick:

Bitstrukturierte Medien, bei denen Bits

in getrennten, nanometergroßen
Strukturen angeordnet sind,

könnten Speicherdichten bis zu
120 Terabits pro Quadratzentimeter

oder mehr erlauben.

So ermöglicht die Zusammenarbeit von
Generationen von Ingenieuren,

Materialwissenschaftlern

und Quantenphysikern,

dass dieses unglaublich nützliche
Präzisionswerkzeug

sich in deiner Handfläche drehen kann.