Cum funcționează hard-discurile? - Kanawat Senanan

Vezi lecția întreagă: http://ed.ted.com/lessons/how-do-hard-drives-work-kanawat-senanan

Hard-discul modern e un obiect care probabil poate stoca mai multă informație decât biblioteca orașului tău. Dar cum stochează el atât de multă informație într-un spațiu atât de mic? Kanawat Senanan detaliază cum generații întregi de ingineri și specialiști în materiale și fizică cuantică au influențat crearea acestei unelte incredibil de precise și puternice.

Lecție de Kanawat Senanan, animație de TED-Ed.

Închipuie-ți un avion
care zboară la 1 mm de sol,

înconjurând Pământul o dată
la fiecare 25 de secunde,

în timp ce numără fiecare fir de iarbă.

Dacă micșorezi totul
cât să-ți încapă în palmă

obții echivalentul
unui hard-disc modern,

un obiect care ar putea stoca
mai multe date decât biblioteca orașului.

Dar cum stochează el atâta informație
într-un volum așa mic?

Orice hard-disc conține
un teanc de discuri care se rotesc rapid,

cu un cap magnetic
deasupra fiecărei suprafețe.

Fiecare disc e placat cu un film de
granule metalice microscopice magnetizate

și datele tale nu stau acolo
într-o formă pe care o poți recunoaște.

În schimb sunt înregistrate
ca o structură magnetică

formată de grupuri de granule.

În fiecare grup, numit și bit,

toate granulele au aceeași magnetizare,

într-una din cele două stări posibile,

care corespund lui 0 sau 1.

Datele sunt scrise pe disc

convertind șirurile de biți
într-un curent electric

care trece printr-un electromagnet.

Magnetul generează un câmp

suficient de puternic pentru a schimba
magnetizarea granulelor de metal.

Odată ce informația e scrisă pe disc,

drive-ul folosește un cititor magnetic
pentru a o readuce într-o formă utilă,

tot așa cum acul fonografului traduce
șanțurile unui disc în muzică.

Dar cum poți obține atâta informație
numai din șiruri de 0 și 1?

Ei bine, combinând mulți la un loc.

De exemplu, o literă e reprezentată
printr-un octet, sau 8 biți,

iar o fotografie obișnuită
ocupă câțiva megaocteți,

fiecare având 8 milioane de biți.

Deoarece fiecare bit trebuie stocat
pe o porțiune din suprafața discului,

tot timpul încercăm să mărim
densitatea biților pe disc,

sau câți biți se pot înghesui pe 1 cm².

Densitatea unui hard-disc modern
e de circa 100 gigabiți pe cm²,

de 300 milioane de ori mai mare decât
primul hard-disc, produs de IBM în 1957.

Saltul uriaș al capacității de stocare

nu s-a redus doar la a face totul mai mic,

ci a presupus mai multe inovații.

O tehnică numită
litografie pe film subțire

le-a permis inginerilor să micșoreze
capetele de citire și scriere.

Deși mic, capul de citire
a devenit mai sensibil

în urma descoperirii de noi proprietăți
magnetice și cuantice ale materiei.

Biții pot fi grupați mai strâns
folosind algoritmii matematici

care elimină zgomotele
produse de interferența magnetică

și găsesc cele mai probabile secvențe
de biți din fiecare pachet de semnale.

Controlul expansiunii termice a capului,

obținut cu un încălzitor
pus sub capul magnetic de scriere,

i-a permis să stea la mai puțin de 5 nm
deasupra suprafeței discului,

cam cât grosimea a două șiruri de ADN.

În ultimele câteva decenii

creșterea exponențială în capacitatea
de stocare și procesare a calculatorului

a urmat un model
cunoscut ca „legea lui Moore”,

care a prezis în 1975 că densitatea
informației se va dubla la fiecare 2 ani.

Dar pe la 15 gigabiți pe cm²

încercarea de a micșora sau a înghesui
și mai mult granulele magnetice

s-a lovit de un nou risc
numit efectul superparamagnetic.

Când volumul unei granule magnetice
e prea mic,

magnetizarea acesteia
e ușor afectată de energia termică

și face biții să-și schimbe
accidental starea,

ducând la pierderea datelor.

Oamenii de știință au rezolvat limitarea
într-un mod remarcabil de simplu:

schimbând direcția înregistrării
din longitudinală în perpendiculară,

ceea ce a permis densității
să se apropie de 0,15 terabiți pe cm².

Recent, limita potențială
a crescut din nou

prin înregistrare magnetică
asistată de căldură.

Aceasta folosește pentru înregistrare
un mediu mai stabil termic,

a cărui rezistență magnetică
e redusă temporar

prin încălzirea locului cu un laser,

permițând scrierea datelor.

Astfel de hard-discuri
sunt încă în stadiul de prototip,

dar cercetătorii au pregătit deja
următoarea soluție:

mediul structurat pe biți,

la care zonele biților sunt dispuse
în structuri nanometrice separate,

permițând teoretic densități
de 3 terabiți pe cm²

sau mai mult.

Așadar, datorită eforturilor combinate
ale generațiilor de ingineri

și de specialiști în materiale
și în fizică cuantică,

această unealtă incredibil
de puternică și precisă

se poate învârti în palma ta.