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.
Imagine um avião voando a um milímetro acima do solo e dando uma volta em torno da Terra a cada 25 segundos e ainda contando cada folha de grama presente no solo. Reduza tudo isso até que caiba na palma da sua mão, e você teria algo equivalente a um disco rígido moderno, que pode armazenar mais informação do que a biblioteca de sua cidade. Como é que ele armazena tanta informação em um espaço tão pequeno? Em cada disco rígido existe uma pilha de discos girando em alta velocidade enquanto uma cabeça de gravação sobrevoa cada superfície da pilha. Cada disco é revestido por uma película com minúsculos grãos de metal magnetizado, e seus dados não estão ali em uma forma que você possa reconhecer. Eles são gravados como um padrão magnético formado por grupos desses pequenos grãos. Em cada grupo, também conhecido por bit, todos os grãos são alinhados magneticamente em um estado, dentre dois possíveis, que correspondem aos dígitos zero e um. Os dados são gravados no disco através da conversão de sequências de bits em corrente elétrica alimentada através de um eletroímã. Este ímã gera um campo que é forte o suficiente para mudar a direção de magnetização do grão do metal. Uma vez que esta informação é escrita no disco, o dispositivo usa um leitor magnético para converter os bits em algo compreensível, semelhante a como a agulha do fonógrafo traduz em música os sulcos de um vinil. Mas como você pode obter tanta informação de apenas zeros e uns? Bem, colocando muitos deles juntos. Por exemplo, uma letra é representada em um byte ou oito bits, e cada foto sua possui, em média, vários megabytes, que é o equivalente a 8 milhões de bits. Como cada bit deve ser escrito em uma área física do disco, estamos sempre buscando aumentar a densidade de área do disco, ou quantos bits podem ser espremidos em uma polegada quadrada do disco. A densidade de área de um disco hoje é de 600 gigabits por polegada quadrada, 300 milhões de vezes maior do que aquela do primeiro disco rígido da IBM de 1957. Este avanço incrível na capacidade de armazenamento não se deu apenas através da miniaturização dos componentes, mas envolveu múltiplas inovações. Uma técnica chamada processo de litografia de película fina permitiu que engenheiros compactassem a leitura e a escrita. E apesar de pequeno, o leitor tornou-se mais sensível aproveitando-se de novas descobertas de propriedades magnéticas e quânticas da matéria. Foi possível agrupar ainda mais os bits graças a algoritmos matemáticos, que filtram o ruído da interferência magnética e encontram as sequências de bits mais prováveis a cada leitura de bloco. E o controle da expansão térmica da cabeça de gravação, habilitado por um aquecedor sob o gravador magnético, permite que ela deslize à distância de menos de cinco nanômetros acima da superfície do disco, o que equivale a largura de duas fitas de DNA. Nas últimas décadas, o aumento exponencial da capacidade de armazenamento e do poder de processamento seguiu um padrão conhecido como a Lei de Moore, que, em 1975, previu que a densidade de informação dobraria a cada dois anos. Mas no limite de 100 gigabits por polegada quadrada, onde os grãos magnéticos estão tão pequenos e espremidos, surge um novo problema, chamado efeito superparamagnético. Quando o volume de um grão magnético é muito pequeno, sua magnetização é facilmente alterada pela energia térmica e pode fazer com que os bits mudem seus estados, levando à perda de dados. Os cientistas resolveram esta limitação de uma forma extremamente simples: alterando a direção da gravação, de longitudinal para perpendicular, permitindo que a densidade por área seja de um terabit por polegada quadrada. Recentemente, esse limite foi ultrapassado mais uma vez por meio da gravação magnética com a ajuda do calor. Este método utiliza um meio de gravação termicamente estável, cuja resistência magnética é momentaneamente reduzida, aquecendo-se um ponto específico com um laser e permitindo que os dados sejam gravados. E enquanto esses discos ainda estão em fase de testes, cientistas já têm na cartola o próximo truque: ´"bit-patterned media", onde os bits ficam localizados em estruturas nanométricas separadas, permitindo uma densidade de área na faixa de vinte terabits por polegada quadrada ou mais. Então, graças aos esforços combinados de gerações de engenheiros, cientistas de materiais e físicos quânticos, é que esta ferramenta precisa e de poder incrível pode girar na palma da sua mão.