Ổ cứng làm việc như thế nào? - Kanawat Senanan

Tưởng tượng rằng một máy bay
bay cách mặt đất 1 milimet

và vòng quanh Trái Đất
mỗi 25 giây

và đếm từng ngọn cỏ.

Co tất cả chúng lại cho vừa
lòng bàn tay bạn,

và bạn sẽ có một thứ tương đương
với một ổ cứng hiện đại,

cái mà có thể lưu giữ nhiều thông tin
hơn cả một thư viện địa phương.

Vậy làm thế nào mà chứa nhiều thông tin
trong một không gian nhỏ như thế?

Trái tim của mỗi chiếc ổ cứng chính là
một chồng đĩa quay tốc độ cao

với một đầu đọc
lướt trên mỗi bề mặt.

Mỗi chiếc đĩa được mã hóa bằng 1 lớp màng
các hạt kim loại vi phân tử được từ hóa,

và dữ liệu của bạn không tồn tại ở đó
trong dạng mà bạn có thể nhận biết.

Mặc dù vậy, nó được ghi lại
như 1 dạng từ tính

hình thành bởi nhóm hạt vô cùng nhỏ đó.

Trong mỗi nhóm, được biết như là 1 bit,

tất cả các hạt có từ tính
được sắp đặt

theo một trong 2 trạng thái,

tương ứng với 0 và 1.

Dữ liệu được viết trên đĩa

bằng cách chuyển dãy các bit
thành dòng điện

xuyên qua một trường điện từ.

Từ trường này sinh ra một trường
đủ mạnh để thay đổi hướng

của các hạt kim loại nhiễm từ.

Một khi thông tin này được viết
trên đĩa,

ổ cứng sử dụng bộ phận đọc từ
để chuyển nó về dạng hữu ích,

giống như kim đĩa hát
chuyển các rãnh đĩa thành âm nhạc vậy.

Nhưng làm thế nào để có nhiều thông tin
chỉ dựa trên 0 và 1?

Vâng, bằng cách xếp chúng cạnh nhau.

Ví dụ, một chữ cái được thể hiện
bằng 1 byte, hay 8 bits,

và 1 bức ảnh thông thường của bạn
chiếm nhiều Megabyte,

mỗi Megabyte là 8 triệu bits.

Bởi vì mỗi bit phải được viết trên
1 khu vực vật lý của đĩa,

chúng ta luôn luôn tìm cách để nâng
mật độ diện tích của đĩa lên,

hay chính là bao nhiêu bit có thể được nén
vào trong 1 inch vuông.

Mật độ diện tích của 1 ổ cứng hiện đại
vào khoảng 600 Gigabyte trên 1 inch vuông,

lớn hơn 300 triệu lần so với
của chiếc ổ cứng đầu tiên của IBM từ 1957.

Sự tiến bộ kinh ngạc này
về dung lượng chứa

không chỉ đóng góp
từ việc làm cho mọi thứ nhỏ hơn,

mà còn bao gồm nhiều cải tiến khác nữa.

Một kỹ thuật gọi là in lito màng mỏng

cho phép các kỹ sư
co ngót đầu đọc và đầu ghi lại.

Và mặc dù kích thước của nó,
đầu đọc trở nên nhạy hơn

bằng việc đưa lợi ích của khám phá mới
trong từ tính và lượng tử của vật chất.

Bits cũng có thể được xếp lại gần nhau hơn
nhờ có thuật toán toán học

lọc sạch nhiễu
khỏi sự giao thoa từ,

và tìm ra chuỗi bit giống nhau
từ mỗi khối dữ liệu đọc được.

Về việc kiểm soát giãn nở nhiệt của đầu đọc,

được kích hoạt nhờ đặt bộ trao đổi nhiệt
dưới đầu ghi từ tính,

cho phép nó chuyển động nhỏ hơn
5 nanomet bên trên bề mặt đĩa,

bằng chiều rộng của 2 sợi DNA.

Khoảng vài thập kỷ trước,

sự phát triển theo hàm số mũ trong
dung lượng chứa và công suất xử lý máy tính

tuân theo quy luật
định luật Moore,

vào năm 1975, đã dự đoán rằng
lượng thông tin sẽ tăng gấp đôi mỗi 2 năm.

Nhưng với mật độ 100 Gigabits
trong inch vuông,

co những hạt mang từ tính lại
hoặc nén chúng lại gần nhau hơn

đã đặt ra một mối nguy mới
gọi là hiệu ứng siêu thuận từ.

Khi thể tích hạt nhiễm từ quá nhỏ,

từ trường của chúng dễ dàng bị nhiễu
bởi năng lượng nhiệt

và có thể làm cho các bits
chuyển hướng không xác định,

dẫn đến việc mất dữ liệu.

Các nhà khoa học đã giải quyết giới hạn này
theo 1 cách đơn giản kinh ngạc:

bằng cách thay đổi hướng ghi
từ song song sang vuông góc,

cho phép mật độ diện tích đạt đến
1 terabit trên inch vuông.

Gần đây, mức giới hạn tiềm năng
đã tăng trở lại

thông qua nhiệt
sinh ra từ việc ghi tín hiệu từ.

Điều này sử dụng 1 môi trường ghi tín hiệu
thậm chí còn ổn định nhiệt hơn,

khi điện trở từ của chúng
được giảm tức thời

bằng việc gia nhiệt 1 điểm cụ thể
bằng tia laser

và cho phép dữ liệu được ghi.

Và trong khi những ổ cứng này
đang trong thời kỳ nguyên mẫu,

các nhà khoa học cũng đã có
kế hoạch sử dụng chúng:

môi trường dạng bit,

ở đó vị trí các bit được sắp xếp
riêng biệt, cấu trúc kích thước nano,

có thể cho phép mật độ diện tích
lên tới 20 Terabit trên inch vuông

hoặc hơn nữa.

Vậy xin cảm ơn tới những nỗ lực cộng hợp
của thế hệ kỹ sư đi đầu,

các nhà khoa học vật liệu,

và các nhà vật lý lượng tử

mà công cụ của sức mạnh kinh ngạc
và chính xác này

có thể nằm gọn trong lòng bàn tay bạn.