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.
ลองจินตนาการถึงเครื่องบินโดยสาร ที่บินอยู่เหนือพื้นโลกเพียง 1 มิลลิเมตร ด้วยความเร็วที่จะบินได้รอบโลก ทุก ๆ 25 วินาที แถมต้องนับใบหญ้าทุกใบที่มันบินผ่าน ทีนี้ย่อส่วนทุกอย่างลง ให้เล็กพอที่จะอยู่ในมือของคุณ และคุณก็จะได้สิ่งที่เทียบเคียง กับฮาร์ดดิสก์ในปัจจุบัน มันคือวัตถุที่อาจจะจุข้อมูลได้มากกว่า ห้องสมุดสาธารณะในเมืองของคุณ แล้วมันจุข้อมูลมหาศาลไว้ ภายในเนื้อที่เล็ก ๆ เช่นนี้ได้อย่างไร หัวใจสำคัญของฮาร์ดดิสก์ทุกชิ้น คือ แผ่นจานที่เรียงซ้อนกัน ที่หมุนด้วยความเร็วสูง โดยมีหัวบันทึกบินอยู่เหนือผิว แต่ละด้านของจานนั้น แผ่นจานถูกเคลือบด้วยแผ่นฟิล์มบาง ๆ ที่ก่อขึ้น จากผลึกขนาดจิ๋วของโลหะที่เป็นสารแม่เหล็ก แต่ข้อมูลของคุณนั้นไม่ได้ถูกบันทึกในฮาร์ดดิสก์ ในรูปแบบที่คุณจะมองออก มันถูกบันทึกในรูปแบบ การจัดเรียงตัวของขั้วแม่เหล็ก ของกลุ่มผลึกจิ๋วเหล่านั้น กลุ่มผลึกแต่ละกลุ่มนั้น เราเรียกมันว่าบิต (bit) ซึ่งล้วนมีขั้วแม่เหล็กหันไปในทิศทางเดียวกัน ทิศใดทิศหนึ่ง จากที่ทิศเป็นไปได้ 2 ทิศ ซึ่งนั่นก็หมายถึงบิต 0 หรือ 1 นั่นเอง ข้อมูลถูกเขียนลงไปบนจานแม่เหล็ก โดยการแปลงชุดข้อมูลบิตที่ต่อเนื่องกัน ให้เป็นกระแสไฟฟ้า แล้วป้อนเข้าสู่แม่เหล็กไฟฟ้า แม่เหล็กไฟฟ้าชิ้นนี้จะสร้างสนามแม่เหล็ก ที่แรงพอที่จะเปลี่ยนทิศทาง ขั้วแม่เหล็กของเหล่าผลึกโลหะ เมื่อข้อมูลเหล่านี้ถูกเขียนลง บนแผ่นจานแม่เหล็ก ฮาร์ดดิสก์ก็จะใช้เซนเซอร์ตรวจสนามแม่เหล็ก แปลงมันกลับมาให้อยู่ในรูปที่ใช้ประโยชน์ได้ เช่นเดียวกับที่เข็มของเครื่องเล่นแผ่นเสียง แปลงร่องขรุขระบนแผ่นเสียงให้เป็นเสียงเพลง แต่เราได้ข้อมูลมหาศาลจาก แค่ตัวเลขหนึ่งและศูนย์ได้อย่างไร ก็เอามันมาเรียงกันเยอะ ๆ น่ะสิ ตัวอย่างเช่น หนึ่งตัวอักษรนั้น นับเป็นข้อมูล 1 ไบต์ ซึ่งเท่ากับ 8 บิต และรูปภาพทั่ว ๆ ไปของคุณ ก็กินเนื้อที่หลายเมกะไบต์ แต่ละเมกะไบต์ก็คือ 8 ล้านบิต และเนื่องจากแต่ละบิตนั้นกินเนื้อที่ บนผิวของจานแม่เหล็กเมื่อมันถูกเขียนลงไป เราจึงต้องพยายามที่จะหาหนทางเพื่อที่ จะเพิ่ม ความหนาแน่นเชิงพื้นที่ (areal density) ซึ่งวัดกันโดย จำนวนบิตที่สามารถ บันทึกลงไปในพื้นที่หนึ่งตารางนิ้ว ความหนาแน่นเชิงพื้นที่ของฮาร์ดดิส์ในปัจจุบัน คือประมาณ 600 กิกะบิตต่อตารางนิ้ว 300 ล้านเท่าของฮาร์ดดิส์ตัวแรก ที่ IBM สร้างขึ้นเมื่อปี ค.ศ. 1957 การเพิ่มขึ้นอย่างมหัศจรรย์ ของความจุของฮาร์ดดิสก์ ไม่ใช่แค่การลดขนาดทุกอย่างให้เล็กลง แต่มันเกี่ยวข้องกับนวัตกรรมหลาย ๆ อย่าง เทคนิคที่เรียกว่ากระบวนการพิมพ์ลายด้วยแสง ช่วยให้วิศวกรย่อขนาดหัวอ่านและหัวเขียนได้ และแม้ด้วยขนาดที่เล็กลง เซนเซอร์ในหัวอ่านนั้นก็ยังมีความไวสูงขึ้น โดยการใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางแม่เหล็ก และทางควอนตัม ของวัสดุต่าง ๆ แถมบิตก็ยังถูกบันทึกให้ชิดกันมากขึ้น ซึ่งต้องขอบคุณวิธีทางคณิตศาสตร์ต่าง ๆ ที่ช่วยกรองเอาสัญญาณรบกวน และการบิดเบือนของสัญญาณออกไป แถมยังสามารถทำนายชุดข้อมูลบิตที่น่าจะเป็นไปได้ มากที่สุดจากสัญญาณที่อ่านขึ้นมาจากจานแม่เหล็ก และการควบคุมการขยายตัวทางความร้อนของหัวเขียน โดยอาศัยขดลวดความร้อนที่ฝังไว้ใต้หัวเขียน ทำให้มันบินใกล้แผ่นจาน ได้ใกล้กว่า 5 นาโนเมตร นั่นเทียบเท่ากับ DNA เพียงแค่สองสาย หลายทศวรรษที่ผ่านมา การเติบโตอย่างทวีคูณของความจุ และพลังการคำนวณของคอมพิวเตอร์นั้น เป็นไปตามรูปแบบที่รู้จักกัน ในชื่อว่ากฎของมัวร์ ซึ่งในปี ค.ศ. 1975 ได้มีการทำนายว่า ความหนาแน่นของข้อมูลจะทวีคูณขึ้นทุก ๆ 2 ปี แต่เมื่อความหนาแน่น เพิ่มถึง 100 กิกะบิตต่อตารางนิ้ว การย่อขนาดของผลึกแม่เหล็กให้เล็กลงไปอีก หรือเขียนบิตให้ใกล้กันมากขึ้น ก่อให้เกิดปัญหาใหม่ที่เรียกว่า ปรากฏการณ์ซูเปอร์พาราแมกเนติก ซึ่งเมื่อผลึกแม่เหล็ก มีปริมาตรเล็กลงจนถึงจุดหนึ่ง ทิศทางของขั้วแม่เหล็กของมัน จะถูกรบกวนด้วยพลังงานความร้อน จนอาจเกิดการกลับทิศได้โดยไม่ตั้งใจ และนำไปสู่การสูญเสียข้อมูลในที่สุด เหล่านักวิทยาศาสตร์ได้แก้ไข้ขีดจำกัดนี้ ด้วยวิธีที่ง่ายเหลือเชื่อ โดยการเปลี่ยนทิศขั้วแม่เหล็กจากในแนวขนาน กับระนาบของจาน เป็นแนวตั้งฉาก ทำให้ความหนาแน่นของข้อมูลเพิ่มต่อไปได้ จนเกือบถึง 1 เทราบิตต่อตารางนิ้ว ไม่นานมานี้ ขีดจำกัดด้านความหนาแน่น เชิงพื้นที่ก็ได้ถูกเพิ่มขึ้นไปอีกครั้งหนึ่ง โดยการใช้ความร้อน เพื่อช่วยในการบันทึกข้อมูลเชิงแม่เหล็ก เทคนิคนี้ใช้สื่อในการบันทึก ที่มีความเสถียรต่อการสูญเสียข้อมูลโดยความร้อน ซึ่งความเสถียรนี้จะถูกลดลงชั่วขณะ โดยใช้เลเซอร์เพื่อให้ความร้อนเป็นจุดเล็ก ๆ เพื่อให้ข้อมูลสามารถถูกเขียนลงไปได้ แม้ว่าฮาร์ดดิสก์ที่ใช้เทคโนโลยีนี้ ยังอยู่ในขั้นต้นแบบ เหล่านักวิทยาศาสตร์ก็มีกลเม็ดอีกชิ้นหนึ่ง เตรียมพร้อมไว้แล้ว นั่นก็คือ แผ่นจานแม่เหล็ก ที่ทำลวดลายของบิตไว้แล้ว ซึ่งบิตแต่ละบิตจะถูกบันทึกลงในโครงสร้าง คล้ายเกาะเล็ก ๆ ระดับนาโน ซึ่งด้วยวิธีนี้คาดกันไว้ว่าจะช่วยเพิ่ม ความหนาแน่นขึ้นไปถึง 20 เทระบิต ต่อ ตารางนิ้ว หรือสูงกว่านั้น ต้องขอบคุณความพยายามของเหล่าวิศวกร นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ และนักฟิสิกส์ควอนตัม หลายชั่วรุ่น ที่ช่วยทำให้อุปกรณ์อันทรงพลัง และความแม่นยำอันน่าทึ่งนี้ หมุนติ้วอยู่ในมือของคุณ