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.
Bayangkan sebuah pesawat terbang satu milimeter di atas tanah dan mengelilingi bumi setiap 25 detik sekali sambil menghitung setiap helai rumput. Kecilkan semua itu sehingga muat di telapak tanganmu dan kamu akan memiliki sesuatu yang setara dengan <i>hard drive</i> modern, benda yang mungkin menampung informasi lebih banyak dari perpustakaan lokal Anda. Bagaimana ia menyimpan begitu banyak informasi dalam ruang sekecil itu? Inti setiap <i>hard drive </i>adalah tumpukan piringan berputar berkecepatan tinggi dengan kepala perekam terbang di atas setiap permukaan. Setiap piringan dilapisi dengan butiran logam magnetis mikroskopis, dan data Anda disimpan di sana dalam bentuk yang tidak dapat dikenali. Lebih tepatnya, datanya dicatat sebagai pola magnet yang dibentuk oleh kelompok butir-butir kecil itu. Dalam setiap kelompok, yang disebut ‘bit’, semua butir memiliki magnetisasi yang selaras di salah satu dari dua kemungkinan keadaan, yang berarti nol dan satu. Data ditulis ke dalam piringan dengan mengubah benang-benang bit menjadi arus listrik yang disalurkan melalui elektromagnet. Magnet ini menghasilkan medan yang cukup kuat untuk mengubah arah magnetisasi butiran logam. Setelah informasi ini ditulis ke dalam piringan, <i>drive</i> menggunakan pembaca magnetik untuk mengubahnya menjadi bentuk yang berguna, seperti jarum Fonograf menerjemahkan lekukan rekaman menjadi musik. Nanun, bagaimana bisa mendapatkan begitu banyak informasi hanya dari nol dan satu? Dengan menempatkan itu semua bersama. Misalnya, sebuah huruf diwakili dalam satu bita, atau delapan bit, dan rata-rata fotomu membutuhkan beberapa megabita, yang masing-masing berukuran 8 juta bit. Karena setiap bit harus ditulis ke area fisik piringannya, kita selalu berusaha untuk meningkatkan kerapatan area piringan, atau berapa banyak bit yang dapat dipadatkan menjadi satu inci persegi. Kepadatan area <i>hard drive </i>modern adalah sekitar 600 gigabit per inci persegi, 300 juta kali lebih besar dari <i>hard drive</i> pertama IBM dari tahun 1957. Kemajuan luar biasa dalam kapasitas penyimpanan ini tidak hanya membuat segalanya menjadi lebih kecil, tetapi juga melibatkan banyak inovasi. Sebuah teknik yang disebut proses litografi film tipis memungkinkan para insinyur untuk mengecilkan pembaca dan penulis. Dan terlepas dari ukurannya, pembaca menjadi lebih sensitif dengan memanfaatkan penemuan-penemuan baru dalam sifat magnetik dan kuantum materi. Bit juga dapat dikemas lebih dekat berkat algoritma matematika yang menyaring kebisingan dari gangguan magnetik, menemukan urutan bit yang paling mungkin dari tiap potongan sinyal baca-balik. Dan kontrol ekspansi termal kepala, diaktifkan dengan menempatkan pemanas di bawah penulis magnetik, memungkinkannya melayang kurang dari lima nanometer di atas permukaan piringan, kira-kira selebar dua untai DNA. Selama beberapa dekade terakhir, pertumbuhan eksponensial dalam kapasitas penyimpanan dan kekuatan pemrosesan telah mengikuti pola yang dikenal sebagai Hukum Moore, yang pada tahun 1975 memprediksi kepadatan informasi berlipat ganda tiap dua tahun sekali. Namun, sekitar 100 gigabit per inci persegi, yang mengecilkan butiran magnet atau semakin berdesakan, menimbulkan risiko baru yang disebut efek superparamagnetik. Ketika volume butiran magnet terlalu kecil, magnetisasinya mudah terganggu oleh energi panas dan dapat menyebabkan bit beralih secara tidak sengaja, yang menyebabkan hilangnya data. Para peneliti mengatasi keterbatasan ini dengan cara yang sangat sederhana: dengan mengubah arah perekaman dari membujur menjadi tegak lurus, memungkinkan kerapatan area mendekati satu terabit per inci persegi. Baru-baru ini, batas potensial telah ditingkatkan lagi melalui perekaman magnetik dengan bantuan panas. Ini menggunakan media perekaman yang bahkan lebih stabil secara termal, yang resistansi magnetnya berkurang sesaat dengan memanaskan tempat tertentu dengan laser dan memungkinkan data untuk ditulis. Dan meskipun drive tersebut saat ini masih dalam tahap prototipe, para ilmuwan sudah memiliki trik potensial berikutnya: media berpola bit, di mana lokasi bit diatur dalam struktur berukuran nano yang terpisah, berpotensi memungkinkan kepadatan area dua puluh terabit per inci persegi atau lebih. Berkat usaha gabungan dari berbagai generasi insinyur, peneliti material, dan fisikawan kuantum, alat dengan kekuatan dan presisi yang luar biasa ini dapat berputar di telapak tangan anda.