ฮาร์ดดิสก์ทำงานอย่างไร - กัณวัตม์ เสนานาญ (Kanawat Senanan)

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

ฮาร์ดดิสก์ในปัจจุบัน อาจบันทึกข้อมูลได้มากกว่าห้องสมุดสาธารณะของคุณ แต่ว่ามันบันทึกข้อมูลมากมายขนาดนั้นไว้ในพื้นที่เล็ก ๆ ได้อย่างไร กัณวัตม์ เสนานาญ บรรยายถึง ความพยายามของเหล่าวิศวกร นักวัสดุศาสตร์ และนักฟิสิกส์ควอนตัม หลายชั่วรุ่น ที่มีอิทธิพลต่ออุปกรณ์อันทรงพลัง และเที่ยงตรงอย่างเหลือเชื่อชิ้นนี้

บทเรียนโดย กัณวัตม์ เสนานาญ แอนิเมชัน โดย TED-Ed

ลองจินตนาการถึงเครื่องบินโดยสาร
ที่บินอยู่เหนือพื้นโลกเพียง 1 มิลลิเมตร

ด้วยความเร็วที่จะบินได้รอบโลก
ทุก ๆ 25 วินาที

แถมต้องนับใบหญ้าทุกใบที่มันบินผ่าน

ทีนี้ย่อส่วนทุกอย่างลง
ให้เล็กพอที่จะอยู่ในมือของคุณ

และคุณก็จะได้สิ่งที่เทียบเคียง
กับฮาร์ดดิสก์ในปัจจุบัน

มันคือวัตถุที่อาจจะจุข้อมูลได้มากกว่า
ห้องสมุดสาธารณะในเมืองของคุณ

แล้วมันจุข้อมูลมหาศาลไว้
ภายในเนื้อที่เล็ก ๆ เช่นนี้ได้อย่างไร

หัวใจสำคัญของฮาร์ดดิสก์ทุกชิ้น
คือ แผ่นจานที่เรียงซ้อนกัน ที่หมุนด้วยความเร็วสูง

โดยมีหัวบันทึกบินอยู่เหนือผิว
แต่ละด้านของจานนั้น

แผ่นจานถูกเคลือบด้วยแผ่นฟิล์มบาง ๆ ที่ก่อขึ้น
จากผลึกขนาดจิ๋วของโลหะที่เป็นสารแม่เหล็ก

แต่ข้อมูลของคุณนั้นไม่ได้ถูกบันทึกในฮาร์ดดิสก์
ในรูปแบบที่คุณจะมองออก

มันถูกบันทึกในรูปแบบ
การจัดเรียงตัวของขั้วแม่เหล็ก

ของกลุ่มผลึกจิ๋วเหล่านั้น

กลุ่มผลึกแต่ละกลุ่มนั้น เราเรียกมันว่าบิต (bit)

ซึ่งล้วนมีขั้วแม่เหล็กหันไปในทิศทางเดียวกัน
ทิศใดทิศหนึ่ง

จากที่ทิศเป็นไปได้ 2 ทิศ

ซึ่งนั่นก็หมายถึงบิต 0 หรือ 1 นั่นเอง

ข้อมูลถูกเขียนลงไปบนจานแม่เหล็ก

โดยการแปลงชุดข้อมูลบิตที่ต่อเนื่องกัน
ให้เป็นกระแสไฟฟ้า

แล้วป้อนเข้าสู่แม่เหล็กไฟฟ้า

แม่เหล็กไฟฟ้าชิ้นนี้จะสร้างสนามแม่เหล็ก
ที่แรงพอที่จะเปลี่ยนทิศทาง

ขั้วแม่เหล็กของเหล่าผลึกโลหะ

เมื่อข้อมูลเหล่านี้ถูกเขียนลง
บนแผ่นจานแม่เหล็ก

ฮาร์ดดิสก์ก็จะใช้เซนเซอร์ตรวจสนามแม่เหล็ก
แปลงมันกลับมาให้อยู่ในรูปที่ใช้ประโยชน์ได้

เช่นเดียวกับที่เข็มของเครื่องเล่นแผ่นเสียง
แปลงร่องขรุขระบนแผ่นเสียงให้เป็นเสียงเพลง

แต่เราได้ข้อมูลมหาศาลจาก
แค่ตัวเลขหนึ่งและศูนย์ได้อย่างไร

ก็เอามันมาเรียงกันเยอะ ๆ น่ะสิ

ตัวอย่างเช่น หนึ่งตัวอักษรนั้น
นับเป็นข้อมูล 1 ไบต์ ซึ่งเท่ากับ 8 บิต

และรูปภาพทั่ว ๆ ไปของคุณ
ก็กินเนื้อที่หลายเมกะไบต์

แต่ละเมกะไบต์ก็คือ 8 ล้านบิต

และเนื่องจากแต่ละบิตนั้นกินเนื้อที่
บนผิวของจานแม่เหล็กเมื่อมันถูกเขียนลงไป

เราจึงต้องพยายามที่จะหาหนทางเพื่อที่
จะเพิ่ม ความหนาแน่นเชิงพื้นที่ (areal density)

ซึ่งวัดกันโดย จำนวนบิตที่สามารถ
บันทึกลงไปในพื้นที่หนึ่งตารางนิ้ว

ความหนาแน่นเชิงพื้นที่ของฮาร์ดดิส์ในปัจจุบัน
คือประมาณ 600 กิกะบิตต่อตารางนิ้ว

300 ล้านเท่าของฮาร์ดดิส์ตัวแรก
ที่ IBM สร้างขึ้นเมื่อปี ค.ศ. 1957

การเพิ่มขึ้นอย่างมหัศจรรย์
ของความจุของฮาร์ดดิสก์

ไม่ใช่แค่การลดขนาดทุกอย่างให้เล็กลง

แต่มันเกี่ยวข้องกับนวัตกรรมหลาย ๆ อย่าง

เทคนิคที่เรียกว่ากระบวนการพิมพ์ลายด้วยแสง

ช่วยให้วิศวกรย่อขนาดหัวอ่านและหัวเขียนได้

และแม้ด้วยขนาดที่เล็กลง
เซนเซอร์ในหัวอ่านนั้นก็ยังมีความไวสูงขึ้น

โดยการใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางแม่เหล็ก
และทางควอนตัม ของวัสดุต่าง ๆ

แถมบิตก็ยังถูกบันทึกให้ชิดกันมากขึ้น
ซึ่งต้องขอบคุณวิธีทางคณิตศาสตร์ต่าง ๆ

ที่ช่วยกรองเอาสัญญาณรบกวน
และการบิดเบือนของสัญญาณออกไป

แถมยังสามารถทำนายชุดข้อมูลบิตที่น่าจะเป็นไปได้
มากที่สุดจากสัญญาณที่อ่านขึ้นมาจากจานแม่เหล็ก

และการควบคุมการขยายตัวทางความร้อนของหัวเขียน

โดยอาศัยขดลวดความร้อนที่ฝังไว้ใต้หัวเขียน

ทำให้มันบินใกล้แผ่นจาน
ได้ใกล้กว่า 5 นาโนเมตร

นั่นเทียบเท่ากับ DNA เพียงแค่สองสาย

หลายทศวรรษที่ผ่านมา

การเติบโตอย่างทวีคูณของความจุ
และพลังการคำนวณของคอมพิวเตอร์นั้น

เป็นไปตามรูปแบบที่รู้จักกัน
ในชื่อว่ากฎของมัวร์

ซึ่งในปี ค.ศ. 1975 ได้มีการทำนายว่า
ความหนาแน่นของข้อมูลจะทวีคูณขึ้นทุก ๆ 2 ปี

แต่เมื่อความหนาแน่น
เพิ่มถึง 100 กิกะบิตต่อตารางนิ้ว

การย่อขนาดของผลึกแม่เหล็กให้เล็กลงไปอีก
หรือเขียนบิตให้ใกล้กันมากขึ้น

ก่อให้เกิดปัญหาใหม่ที่เรียกว่า
ปรากฏการณ์ซูเปอร์พาราแมกเนติก

ซึ่งเมื่อผลึกแม่เหล็ก
มีปริมาตรเล็กลงจนถึงจุดหนึ่ง

ทิศทางของขั้วแม่เหล็กของมัน
จะถูกรบกวนด้วยพลังงานความร้อน

จนอาจเกิดการกลับทิศได้โดยไม่ตั้งใจ

และนำไปสู่การสูญเสียข้อมูลในที่สุด

เหล่านักวิทยาศาสตร์ได้แก้ไข้ขีดจำกัดนี้
ด้วยวิธีที่ง่ายเหลือเชื่อ

โดยการเปลี่ยนทิศขั้วแม่เหล็กจากในแนวขนาน
กับระนาบของจาน เป็นแนวตั้งฉาก

ทำให้ความหนาแน่นของข้อมูลเพิ่มต่อไปได้
จนเกือบถึง 1 เทราบิตต่อตารางนิ้ว

ไม่นานมานี้ ขีดจำกัดด้านความหนาแน่น
เชิงพื้นที่ก็ได้ถูกเพิ่มขึ้นไปอีกครั้งหนึ่ง

โดยการใช้ความร้อน
เพื่อช่วยในการบันทึกข้อมูลเชิงแม่เหล็ก

เทคนิคนี้ใช้สื่อในการบันทึก
ที่มีความเสถียรต่อการสูญเสียข้อมูลโดยความร้อน

ซึ่งความเสถียรนี้จะถูกลดลงชั่วขณะ

โดยใช้เลเซอร์เพื่อให้ความร้อนเป็นจุดเล็ก ๆ

เพื่อให้ข้อมูลสามารถถูกเขียนลงไปได้

แม้ว่าฮาร์ดดิสก์ที่ใช้เทคโนโลยีนี้
ยังอยู่ในขั้นต้นแบบ

เหล่านักวิทยาศาสตร์ก็มีกลเม็ดอีกชิ้นหนึ่ง
เตรียมพร้อมไว้แล้ว

นั่นก็คือ แผ่นจานแม่เหล็ก
ที่ทำลวดลายของบิตไว้แล้ว

ซึ่งบิตแต่ละบิตจะถูกบันทึกลงในโครงสร้าง
คล้ายเกาะเล็ก ๆ ระดับนาโน

ซึ่งด้วยวิธีนี้คาดกันไว้ว่าจะช่วยเพิ่ม
ความหนาแน่นขึ้นไปถึง 20 เทระบิต ต่อ ตารางนิ้ว

หรือสูงกว่านั้น

ต้องขอบคุณความพยายามของเหล่าวิศวกร

นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ

และนักฟิสิกส์ควอนตัม หลายชั่วรุ่น

ที่ช่วยทำให้อุปกรณ์อันทรงพลัง
และความแม่นยำอันน่าทึ่งนี้

หมุนติ้วอยู่ในมือของคุณ