تخيل طائرة تطير بارتفاع واحد ميلي متر عن سطح الأرض وتدور حول الكرة الارضية مرة كل 25 ثانية وهي تقوم بعدّ كل عشبة على الأرض. قلص كل ذلك بحيث يصبح بحجم كف يدك، وستملك شيئا مشابها لقرص صلب حديث ، جهاز يمكنه امتلاك معلومات اكبر من معلومات مكتبتك الشخصية إذاً، كيف يخزن الكثير من المعلومات في مساحة صغيرة ؟ في داخل كل قرص صلب هناك مجموعة من الأقراص سريعة الدوران مع رأس تسجيل فوق كل قرص . كل قرص مغطى بحبيبات مجهرية من المعدن الممغنط ، ومعلوماتك لاتوجد في القرص بشكل تستطيع ملاحظته، بل إنها مسجلة بأسلوب مغناطيسي تُشكلها مجموعة من هذه الحبيبات الصغيرة كل مجموعة تعرف باسم "بت" ، كل الحبوب تملك حالة مغناطيسية وتمتلك حالة من حالتين ممكنتين ، والتي تفسر إلى واحد أو صفر . المعلومات تكتب على القرص بتحويل سلسلة من البتات (مجموع بت) إلى تيارات كهربائية والتي تحول لحقل كهرومغناطيسي . هذا الحقل قوي كفاية لتغير اتجاه حالة الحبيبة المغناطيسية . بمجرد أن يتم كتابة هذه المعلومة على القرص ، القرص يملك قارئ مغناطيسي ليستطيع ارجاع الحالة المغناطيسية لشكل مفهوم، كما تقوم ابرة الفونوغراف بإخراج موسيقى من الاحتكاك بالقرص. ولكن كيف يمكننا استخلاص معلومات كثيرة من مجرد واحدات واصفار ؟ الجواب هو: بوضع سلسلة طويلة منهم. كمثال، فإن الحرف يمثل بثمانية بتات او مايسمى بايت، ومتوسط حجم صورتك هو بضعة ميغا بايت، كل ميغابايت هو ثماني مليون بت. ولأن كل بت يجب ان يكتب على مساحة فيزيائية على القرص نحن نحاول دائما بتوسيع كثافة القرص. أو زيادة عدد البتات التي نستطيع حشرها في إنش مربع. كثافة القرص الحديث هي 600 غيغا بت في الإنش الواحد، أي أكبر بـ 300 مليون مرة من أول قرص انتجته شركة IBM في عام 1957. هذا التقدم المدهش في السعة لم يُنتج بعملية تصغير الاشياء فحسب بل بانتاج عدة اختراعات. تقنية تسمى "thin film lithography process" تسمح للمهندسين بتصغير حجم القارئ والكاتب. يغض النظر عن حجمه، فإن القارئ أصبح أكثر حساسية وذلك بالاستفادة من الاكتشافات الجديدة في المغناطيسية وخصائص علم الكم . والبتات استطاعت ان تخزن بشكل متقارب من بعضها بسبب الخوارزميات الرياضية والتي ترشح الضجيج الناتج من تداخل الحقول المغناطيسية وأيجاد اكثر سلسلة بتات متكررة من كل شريحة معادة القراءة. والتحكم بالتمدد الحراري لرأس القارئ والكاتب، وذلك بوضع مسخن تحت الكاتب المغناطيسي، وذلك يسمح له بالتحليق فوق سطح القرص بارتفاع 5 نانوميتر وهو تقريباً عرض سلسلتان من الحمض النووي. في العقود الماضية، معدل نمو المساحة وقدرة المعالجة الحاسوبية تبعت نمط يسمى بقانون موري. والذي تنبأ في 1975، بإن كثافة المعلومات ستتضاعف كل سنتين. ولكن بما يقارب 100 غيغا بت في الإنش بتقليص حجم الحبوب المغناطيسية او بجعلهم أقرب لبعضهم ظهرت مشكلة جديدة تسمى "superparamagnetic effect" عندما يكون حجم الحبة صغير جداً، إن مغناطيستها تتشوه بسهولة عن طريق الطاقة الحرارية وقد تسبب تغير قيمة البت بشكل غير مقصود. والذي يسبب فقدان المعلومات. الباحثون قامو بحل هذه المشكلة بطريقة بسيطة ملفتة للنظر : بتغير اتجاه التسجيل من شكل طولي إلى شكل عمودي، مما سمح بالوصول إلى كثافة واحد تيرا بت بالإنش المربع. ومؤخراً، ارتفع الحد مرة أخرى وذلك من خلال التحكم الحراري بالتسجيل المغناطيسي. مما يجعل التسجيل أكثر استقراراً حيث أن المقاومة المغناطيسة قد انخفضت وذلك بتسخين البقعة المراد التخزين فيها بليزر والسماح للمعلومات بأن تكتب. وطالما أن هذه الاقراص مازالت في مرحلة التجربة، الباحثون لديهم خطوة اضافية متوفرة بين يديهم: البتات المنقوشة حيث يتم ترتيب المواقع في هياكل نانونية البنية، والذي يسمح بكثافة حول عشرين تيرابت في الإنش المربع أو أكثر. إذاً، الشكر لجهود المهندسين المتراكمة عبر العقود، علماء المواد، وفيزيائين الكم على هذه الأداة المدهشة القوة والدقة التي يمكن ان تعمل وتدور في راحة كفك.
Imagine an airplane flying one millimeter above the ground and circling the Earth once every 25 seconds while counting every blade of grass. Shrink all that down so that it fits in the palm of your hand, and you'd have something equivalent to a modern hard drive, an object that can likely hold more information than your local library. So how does it store so much information in such a small space? At the heart of every hard drive is a stack of high-speed spinning discs with a recording head flying over each surface. Each disc is coated with a film of microscopic magnetised metal grains, and your data doesn't live there in a form you can recognize. Instead, it is recorded as a magnetic pattern formed by groups of those tiny grains. In each group, also known as a bit, all of the grains have their magnetization's aligned in one of two possible states, which correspond to zeroes and ones. Data is written onto the disc by converting strings of bits into electrical current fed through an electromagnet. This magnet generates a field strong enough to change the direction of the metal grain's magnetization. Once this information is written onto the disc, the drive uses a magnetic reader to turn it back into a useful form, much like a phonograph needle translates a record's grooves into music. But how can you get so much information out of just zeroes and ones? Well, by putting lots of them together. For example, a letter is represented in one byte, or eight bits, and your average photo takes up several megabytes, each of which is 8 million bits. Because each bit must be written onto a physical area of the disc, we're always seeking to increase the disc's areal density, or how many bits can be squeezed into one square inch. The areal density of a modern hard drive is about 600 gigabits per square inch, 300 million times greater than that of IBM's first hard drive from 1957. This amazing advance in storage capacity wasn't just a matter of making everything smaller, but involved multiple innovations. A technique called the thin film lithography process allowed engineers to shrink the reader and writer. And despite its size, the reader became more sensitive by taking advantage of new discoveries in magnetic and quantum properties of matter. Bits could also be packed closer together thanks to mathematical algorithms that filter out noise from magnetic interference, and find the most likely bit sequences from each chunk of read-back signal. And thermal expansion control of the head, enabled by placing a heater under the magnetic writer, allowed it to fly less than five nanometers above the disc's surface, about the width of two strands of DNA. For the past several decades, the exponential growth in computer storage capacity and processing power has followed a pattern known as Moore's Law, which, in 1975, predicted that information density would double every two years. But at around 100 gigabits per square inch, shrinking the magnetic grains further or cramming them closer together posed a new risk called the superparamagnetic effect. When a magnetic grain volume is too small, its magnetization is easily disturbed by heat energy and can cause bits to switch unintentionally, leading to data loss. Scientists resolved this limitation in a remarkably simple way: by changing the direction of recording from longitudinal to perpendicular, allowing areal density to approach one terabit per square inch. Recently, the potential limit has been increased yet again through heat assisted magnetic recording. This uses an even more thermally stable recording medium, whose magnetic resistance is momentarily reduced by heating up a particular spot with a laser and allowing data to be written. And while those drives are currently in the prototype stage, scientists already have the next potential trick up their sleeves: bit-patterned media, where bit locations are arranged in separate, nano-sized structures, potentially allowing for areal densities of twenty terabits per square inch or more. So it's thanks to the combined efforts of generations of engineers, material scientists, and quantum physicists that this tool of incredible power and precision can spin in the palm of your hand.