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.
Închipuie-ți un avion care zboară la 1 mm de sol, înconjurând Pământul o dată la fiecare 25 de secunde, în timp ce numără fiecare fir de iarbă. Dacă micșorezi totul cât să-ți încapă în palmă obții echivalentul unui hard-disc modern, un obiect care ar putea stoca mai multe date decât biblioteca orașului. Dar cum stochează el atâta informație într-un volum așa mic? Orice hard-disc conține un teanc de discuri care se rotesc rapid, cu un cap magnetic deasupra fiecărei suprafețe. Fiecare disc e placat cu un film de granule metalice microscopice magnetizate și datele tale nu stau acolo într-o formă pe care o poți recunoaște. În schimb sunt înregistrate ca o structură magnetică formată de grupuri de granule. În fiecare grup, numit și bit, toate granulele au aceeași magnetizare, într-una din cele două stări posibile, care corespund lui 0 sau 1. Datele sunt scrise pe disc convertind șirurile de biți într-un curent electric care trece printr-un electromagnet. Magnetul generează un câmp suficient de puternic pentru a schimba magnetizarea granulelor de metal. Odată ce informația e scrisă pe disc, drive-ul folosește un cititor magnetic pentru a o readuce într-o formă utilă, tot așa cum acul fonografului traduce șanțurile unui disc în muzică. Dar cum poți obține atâta informație numai din șiruri de 0 și 1? Ei bine, combinând mulți la un loc. De exemplu, o literă e reprezentată printr-un octet, sau 8 biți, iar o fotografie obișnuită ocupă câțiva megaocteți, fiecare având 8 milioane de biți. Deoarece fiecare bit trebuie stocat pe o porțiune din suprafața discului, tot timpul încercăm să mărim densitatea biților pe disc, sau câți biți se pot înghesui pe 1 cm². Densitatea unui hard-disc modern e de circa 100 gigabiți pe cm², de 300 milioane de ori mai mare decât primul hard-disc, produs de IBM în 1957. Saltul uriaș al capacității de stocare nu s-a redus doar la a face totul mai mic, ci a presupus mai multe inovații. O tehnică numită litografie pe film subțire le-a permis inginerilor să micșoreze capetele de citire și scriere. Deși mic, capul de citire a devenit mai sensibil în urma descoperirii de noi proprietăți magnetice și cuantice ale materiei. Biții pot fi grupați mai strâns folosind algoritmii matematici care elimină zgomotele produse de interferența magnetică și găsesc cele mai probabile secvențe de biți din fiecare pachet de semnale. Controlul expansiunii termice a capului, obținut cu un încălzitor pus sub capul magnetic de scriere, i-a permis să stea la mai puțin de 5 nm deasupra suprafeței discului, cam cât grosimea a două șiruri de ADN. În ultimele câteva decenii creșterea exponențială în capacitatea de stocare și procesare a calculatorului a urmat un model cunoscut ca „legea lui Moore”, care a prezis în 1975 că densitatea informației se va dubla la fiecare 2 ani. Dar pe la 15 gigabiți pe cm² încercarea de a micșora sau a înghesui și mai mult granulele magnetice s-a lovit de un nou risc numit efectul superparamagnetic. Când volumul unei granule magnetice e prea mic, magnetizarea acesteia e ușor afectată de energia termică și face biții să-și schimbe accidental starea, ducând la pierderea datelor. Oamenii de știință au rezolvat limitarea într-un mod remarcabil de simplu: schimbând direcția înregistrării din longitudinală în perpendiculară, ceea ce a permis densității să se apropie de 0,15 terabiți pe cm². Recent, limita potențială a crescut din nou prin înregistrare magnetică asistată de căldură. Aceasta folosește pentru înregistrare un mediu mai stabil termic, a cărui rezistență magnetică e redusă temporar prin încălzirea locului cu un laser, permițând scrierea datelor. Astfel de hard-discuri sunt încă în stadiul de prototip, dar cercetătorii au pregătit deja următoarea soluție: mediul structurat pe biți, la care zonele biților sunt dispuse în structuri nanometrice separate, permițând teoretic densități de 3 terabiți pe cm² sau mai mult. Așadar, datorită eforturilor combinate ale generațiilor de ingineri și de specialiști în materiale și în fizică cuantică, această unealtă incredibil de puternică și precisă se poate învârti în palma ta.