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.
هواپیمایی را در نظر بگیرید که یک میلیمتر بالاتر از زمین پرواز می کند و هر ۲۵ ثانیه یک بار دور زمین دور می زند در حالیکه ساقههای همه علفها را می شمارد. اون را آنقدر کوچک کنید طوریکه در کف دستتان جا شود، و شما چیزی معادل یک "هارد درایو" مدرن خواهید داشت، شی که احتمالا اطلاعاتی بیشتر از کتابخانه محلیتان نگه می دارد. خوب، چطور این همه اطلاعات رو در همچنین فضای کمی ذخیره می کند؟ در قلب هر هارد درایوی یک دسته دیسک های دوار وجود دارد که یک هِد ثبت کننده بالای هر صفحه پرواز می کند. هر صفحه با یک فیلم از دانه های فلزی مغناطیسی میکروسکوپی پوشانده شده است، و داده هایتان اون طوریکه بتوانید تشخیص دهید، آنجا زندگی نمی کند. در عوض، بصورت الگوهای مغناطیسی ثبت شده است که با گروهی از آن دانه های ریز شکل گرفته است. در هر گروه، که به یک بیت معروف است، همه های دانه ها، مغناطیس خود را با یکی از دو حالت ممکن، هم سو کرده اند که متناظر است با صفر ها و یک ها. داده روی دیسک، با تبدیل کردن رشته هایی از بیت ها به جریان الکتریکی که از میان میدان مغناطیسی رد شده است، نوشته می شود. این مغناطیس میدانی را تولید می کند که قدرت کافی برای تغییر جهت مغناطیس دانه ها را دارد. وقتیکه این اطلاعات روی دیسک نوشته شد، درایو یک خواننده مغناطیسی را بکار می گیرد تا آن را به صورت قابل استفاده برگرداند، بیشتر مثل یک سوزن گرامافون که سوراخ های صفحه را به موسیقی ترجمه می کند. ولی چطور می توانید، اینهمه اطلاعات را فقط از صفر ها و یک ها گرفت؟ خوب، با گذاشتن کلی از اونها کنار یکدیگر. برای مثال، یک حرف با یک بایت، یا هشت بیت، نمایش داده می شود و عکس متوسط شما تا چندین مگابایت می گیرد، که هر کدام ۸ میلیون بیت هستند. چونکه هر بیت باید روی یک سطح فیزیکی از دیسک نوشته شود. ما همیشه دنبال آن هستیم که چگالی سطحی دیسک را، یا اینکه چه تعداد بیت را می توان در یک اینچ مربع فشرده کرد، افزایش دهیم. چگالی سطحی یک هارد درایو مدرن حدود ۶۰۰ گیگابیت بر اینچ مربع است، ۳۰۰ میلیون بار بزرگتر از اولین هارد درایور (آی.بی.ام) سال ۱۹۵۷. این پیشرفت فوق العاده در ظرفیت ذخیره سازی فقط قضیه کوچکتر کردن همه چیز نبوده، بلکه شامل چندین نوع آوری بوده است. تکنیکی که فرآیند چاپ فبلم نازک نامیده می شود به مهندسین امکان داد تا خواننده و ثبت کننده را کوچک کنند. و بر خلاف اندازه اش، خواننده حساستر شد با بهره گیری از اکتشافات جدید در خواص مغناطیس و کوانتوم مواد. بیت ها همچنین توانستند نزدیکتر به هم، بسته بندی شوند، به لطف الگوریتم های ریاضی که نویز ناشی از تداخل مغناطیسی را فیلتر می کنند، و محتمل ترین دنباله بیت های قرائت شده از هر دسته سیگنال را می یابد. و کنترل انبساط حرارتی هِد، که با قرار دادن یک هیتر زیر ثبات مغناطیسی میسر می شود، بآن اجازه داد تا کمتر از ۵ نانومتر بالای سطح دیسک پرواز کند، حدود ضخامت دو رشته DNA. برای چندین دهه گذشته، رشد نمایی در گنجایش ذخیره سازی و قدرت پردازش کامپیوتری الگویی را دنبال کرده است که به قانون (مور) معروف است، که در سال ۱۹۵۷ پیش بینی کرد، چگالی اطلاعات هر دو سال یکبار دو برابر می شود. ولی در حدود ۱۰۰ گیگابیت بر اینچ مربع، کوچکتر کردن اندازه دانه های مغناطیسی یا چپاندن آنها نزدیکتر به هم ریسکی را ایجاد می کند که به اثر ابر پارامغناطیس معروف است. وقتیکه حجم دانه مغناطیسی خیلی کوچک باشد، مغناطش آن به آسانی توسط انرژی حرارتی مغشوش می شود و سبب می شود که بیت ها ناخواسته تغییر جهت دهند، که منجر به از دست دادن داده ها می شود. دانشمندان این محدودیت را از یک راه فوق العاده ساده حل کردند: با تغییر راستای ثبت کردن از طولی به قائم، که اجازه می دهد چگالی سطحی تا یک ترابیت بر اینچ مربع برسد. اخیرا، این محدودیت بالقوه بیشتر هم افزایش یافته است از طریق ثبت مغناطیسی به کمک گرما. این روش وسیله ای با پایداری حرارتی حتی بالاتر بکار می برد، که مقاومت مغناطیسی آن بطور آنی کاهش می یابد با گرم کردن یک نقطه خاص بوسیله لیزر که اجازه می دهد تا داده ها نوشته شود. هرچند این درایوها هنوز در مرحله مدل هستند، دانشمندان حقه ی احتمالی بعدی را در آستین دارند: محیط نقش شده با بیت، جائیکه موقعیت بیت ها در یک ساختار مجزا در ابعاد نانو چیده شده است، که بالقوه امکان چگالی سطحی بیست ترابایت در هر اینچ مربع یا بیشتر را می دهد. بنابراین به لطف تلاش مشترک نسل هایی از مهندسین، دانشمندان مواد، و فیزیک دانان کوانتوم است که این ابزار با توان و دقت خارق العاده می تواند در کف دست شما بچرخد.