Φανταστείτε ένα αεροπλάνο το οποίο πετάει ένα χιλιοστό πάνω από το έδαφος και κάνει κύκλους γύρω από τη γη μία φορά κάθε 25 δευτερόλεπτα καθώς μετράει την κάθε λεπτομέρεια. Μαζέψτε το όλο αυτό έτσι ώστε να χωράει στην παλάμη του χεριού σας, και θα έχετε κάτι παρόμοιο με έναν σημερινό σκληρό δίσκο, κάτι το οποίο πιθανώς μπορεί να χωρέσει περισσότερες πληροφορίες από την τοπική σας βιβλιοθήκη. Πώς όμως αποθηκεύει τόσες πολλές πληροφορίες σε τόσο λίγο χώρο; Στην καρδιά κάθε σκληρού δίσκου υπάρχει μια στοίβα γρήγορα στροβιλιζόμενων δίσκων με μια κεφαλή εγγραφής η οποία αιωρείται πάνω από κάθε δίσκο. Κάθε δίσκος έχει καλυφθεί με μια μεμβράνη μικροσκοπικών μαγνητισμένων κόκκων μετάλλου, και τα δεδομένα σας δεν ζουν εκεί πέρα με μια μορφή αναγνωρίσιμη από εσάς. Αντιθέτως, αποθηκεύονται σαν ένα μαγνητικό μοτίβο σχηματισμένο από ομάδες εκείνων των μικρών κόκκων. Σε κάθε ομάδα, γνωστή ως δυαδικό ψηφίο ή μπιτ, όλοι οι κόκκοι έχουν τους μαγνητισμούς τους ευθυγραμμισμένους σε δύο πιθανά στάδια, τα οποία αντιστοιχούν σε μηδέν και ένα. Τα δεδομένα γράφονται πάνω στον δίσκο μετατρέποντας ακολουθίες δυαδικών ψηφίων σε ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο τροφοδοτείται μέσω ενός ηλεκτρομαγνήτη. Αυτός ο μαγνήτης παράγει ένα πεδίο αρκετά δυνατό ώστε να αλλάξει τη φορά του μαγνητισμού των μεταλλικών κόκκων. Όταν οι πληροφορίες έχουν γραφτεί στον δίσκο, η μονάδα χρησιμοποιεί ένα μαγνητικό αναγνώστη ώστε να τις επαναφέρει σε χρησιμοποιήσιμη μορφή, σαν τη βελόνα ενός φωνογράφου που μεταφράζει τα αυλάκια ενός δίσκου σε μουσική. Αλλά πώς γίνεται να πάρεις τόσες πολλές πληροφορίες από μηδενικά και άσους; Βάζοντας πολλά μαζί. Για παράδειγμα, ένα γράμμα αναπαριστάται με ένα μπάιτ ή οχτώ μπιτ, και η συνηθισμένη φωτογραφία καταλαμβάνει αρκετά μεγκαμπάιτ, η κάθε μία από τις οποίες ισούται με 8 εκατομμύρια μπιτ. Επειδή κάθε μπιτ πρέπει να γραφτεί πάνω σε μια περιοχή του δίσκου, πάντα προσπαθούμε να αυξήσουμε την επιφανειακή πυκνότητα του δίσκου, ή πόσα μπιτ μπορούν να χωρέσουν σε μία τετραγωνική ίντσα. Η επιφανειακή πυκνότητα ενός μοντέρνου σκληρού δίσκου είναι περίπου 600 γκίγκαμπιτ ανά τετραγωνική ίντσα, 300 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τον πρώτο σκληρό δίσκο της IBM το 1957. Αυτή η καταπληκτική πρόοδος στον αποθηκευτικό χώρο δεν ήταν απλά ένα θέμα του να φτιάξουμε τα πάντα μικρότερα, αλλά περιλάμβανε πολλές καινοτομίες. Μία τεχνική η οποία ονομάζεται διαδικασία λιθογραφίας λεπτής μεμβράνης έδωσε στους μηχανικούς τη δυνατότητα σμίκρυνσης του αναγνώστη και του εγγραφέα. Και παρά το μέγεθος του, ο αναγνώστης έγινε πιο ευαίσθητος εκμεταλλευόμενος νέες εφευρέσεις στις μαγνητικές και κβαντικές ιδιότητες της ύλης. Επίσης τα μπιτ μπορούσαν να συμπιεστούν χάρις σε μαθηματικούς αλγόριθμους που φιλτράρουν τον θόρυβο από τις μαγνητικές παρεμβολές και βρίσκουν την πιο πιθανή ακολουθία μπιτ για κάθε τμήμα που αναγιγνώσκεται. Και ο έλεγχος της θερμικής διαστολής της κεφαλής, ο οποίος επιτυγχάνεται με ένα θερμαντήρα κάτω από τον μαγνητικό εγγραφέα, του επέτρεψε να αιωρείται λιγότερο από 5 νανομέτρα πάνω από την επιφάνεια του δίσκου, που είναι ίσο με το πλάτος δύο ελίκων DNA. Τις τελευταίες δεκαετίες, η εκθετική ανάπτυξη στον αποθηκευτικό χώρο και στην υπολογιστική δύναμη έχει ακολουθήσει το πρότυπο γνωστό ως νόμος του Μουρ, το οποίο, το 1975, προέβλεψε ότι η πυκνότητα της πληροφορίας θα διπλασιαζόταν κάθε δύο χρόνια. Αλλά περίπου στα 100 γκίγκαμπιτ ανά τετραγωνική ίντσα, η περαιτέρω συρρίκνωση των μαγνητικών κόκκων ή η τοποθέτηση τους σε μικρότερες αποστάσεις έθεσε ένα νέο κίνδυνο ο οποίος ονομάζεται το υπερπαραμαγνητικό φαινόμενο. Όταν ο όγκος του μαγνητικού κόκκου είναι πολύ μικρός, η μαγνήτισή του εύκολα διαταράσσεται από θερμική ενέργεια και μπορεί να προκαλέσει την αλλαγή των μπιτ χωρίς την θέληση τους, κάτι που οδηγεί σε απώλεια δεδομένων. Οι επιστήμονες ξεπέρασαν αυτόν τον περιορισμό με έναν αξιοσημείωτα απλό τρόπο: αλλάζοντας την κατεύθυνση της εγγραφής από οριζόντια σε κάθετη, θέτοντας το όριο της χωρικής πυκνότητας σε ένα τέραμπιτ ανά τετραγωνική ίντσα. Πρόσφατα, το δυνατόν όριο έχει αυξηθεί για μία ακόμα φορά μέσου της μαγνητικής εγγραφής με τη βοήθεια θερμότητας. Αυτή χρησιμοποιεί ένα ακόμη πιο θερμικά σταθερό μέσο εγγραφής, του οποίου η μαγνητική αντίσταση στιγμιαία μειώνεται θερμαίνοντας ένα συγκεκριμένο σημείο με ένα λέιζερ δίνοντας τη δυνατότητα εγγραφής των δεδομένων. Και ενώ αυτοί οι δίσκοι βρίσκονται ακόμη σε πρώιμο στάδιο, οι επιστήμονες ήδη έχουν το επόμενο τέχνασμα στο μανίκι τους: πολυμέσα διαμορφωμένα με μπιτ όπου τα μπιτ είναι τοποθετημένα σε ξεχωριστές, νανο-μεγέθους κατασκευές, πιθανώς δίνοντας τη δυνατότητα για χωρικές πυκνότητες είκοσι τέραμπιτ ανά τετραγωνική ίντσα ή και περισσότερο. Έτσι, χάρις στις συνδυασμένες προσπάθειες γενεών μηχανικών, υλικών επιστημόνων και κβαντικών φυσικών αυτό το εργαλείο απίστευτης δύναμης και ακρίβειας μπορεί να στροβιλίζει στην παλάμη του χεριού σας.
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.