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.
Yeryüzünün 1 mm üzerinde uçan bir uçak hayal edin. Dünyanın çevresini her 25 saniyede bir turlarken, her bir çim yaprağını da sayıyor olsun. Şimdi bu manzarayı avuç içinize sığacak kadar küçültün. İşte modern hard disklere eşdeğer birşeyiniz oldu. Neredeyse yerel kütüphaneden daha fazla veri barındırabilir. Peki bu kadar küçük bir alana, o kadar veri nasıl depolanıyor? Hard disklerin içinde yüksek hızda dönen istiflenmiş diskler bulunur. Ayrıca her bir yüzeyin üzerinde uçan kaydedici kafalar vardır. Her bir disk, mikroskopik manyetize metal tanecikleri şeridi ile kaplıdır. Verileriniz orada pek de tanıdık biçimde depolanmaz. Her şey, şeritteki tanecik toplulukları tarafından biçimlendirilen manyetik bir desen olarak kayıtlıdır. Bit olarak da bilinen her toplulukta, orada bulunan taneciklerin hepsinin manyetiklikleri sıfırlara ve birlere karşılık gelen iki olası durumdan biri olarak hizalanmıştır. Veriler diske, bit dizilerinin elektromıknatısla beslenen elektrik akımına dönüştürülmesi ile yazılır. Mıknatıs, metal taneciğinin manyetikliğinin yönünü değiştirmeye yetecek denli güçlü bir alan üretir. Bu bilgi diske bir kez yazıldığında, tekrar kullanışlı biçime sokmak için manyetik bir okuyucu kullanılır; tıpkı bir gramofon iğnesinin kaydı sese dönüştürmesi gibi. Peki ama sadece sıfırlardan ve birlerden nasıl bu kadar çok veri alınabilir? Onlardan çok çok fazlasını biraraya getirerek. Örneğin, tek bir harf bir byte (8 bit) ile temsil edilir. Ortalama bir fotoğraf birkaç megabyte yer tutar. Her bir megabyte ise 8 milyon bit demektir. Her bitin diskteki fiziksel bir alana yazılması gerektiğinden, hep diskin alansal yoğunluğunu arttırma yolları ararız. Bir inç karelik alana sığabilecek bit sayısını arttırmak isteriz. Modern bir hard diskin alansal yoğunluğu inç kare başına yaklaşık 600 gigabittir. IBM'in 1957'de ürettiği ilk hard diskten 300 milyon kat büyüktür bu. Depolama kapasitesindeki bu inanılmaz ilerleme, herşeyi küçültme meselesinden ibaret değildi. Çok sayıda başka yenilikle de ilgisi var. İnce film litografi işlenmesi denilen bir teknik mühendislerin okuyucuyu ve yazıcıyı küçültebilmesini sağladı. Ayrıca okuyucu küçülmesine rağmen daha duyarlı hale geldi. Bu da maddenin manyetik ve kuantum özelliklerindeki keşifler sayesindedir. Ayrıca gürültüyü manyetik girişimden ayırabilen ve geri okunan sinyalin her öbeğindeki en uygun bit dizilerini bulan matematiksel algoritmalarla, bitlerin birbirlerine daha yakın paketlenmeleri mümkün oldu. Kafanın ısısal genleşme kontrolü, manyetik yazıcının altına bir ısıtıcı yerleştirilerek sağlandı. Böylece kafa, disk yüzeyinden 9 nanometreden, yani iki DNA teli genişliğinden daha alçakta uçabildi. Geçtiğimiz birkaç on yıl içinde, bilgisayar depolama kapasitesindeki ve işlemci gücündeki üstel büyüme, Moore Yasası olarak bilinen bir desen izledi. Yasa 1975'te bilgi yoğunluğunun her iki yılda bir, iki katına çıkacağını öngörmüştü. Ama inç kare başına 100 gigabit için manyetik tanecikleri küçültüp sıkıştırmak süpermanyetik etki denilen yeni bir risk doğurdu. Bir manyetik tanecik hacmi aşırı küçük olduğunda, manyetizasyonu ısı enerjisi ile kolayca etkilenip, bitlerin istenmeyen değişimlerine ve dolayısıyla veri kaybına neden olabiliyor. Bilimciler bu sınırlamayı oldukça basit bir yolla çözdü: Kaydın yönünü yataydan dikeye çevirdiler. Bu da alansal yoğunluğun 2,5cm (1 inç) kare başına bir terabite yaklaşmasını sağladı. Yakın zamanda, ısı yardımlı manyetik kayıt yoluyla potansiyel limit daha da arttırıldı. Bu, belli bir noktanın lazerle ısıtılarak manyetik direnci anında düşürülen ve veri yazılmasını sağlayan, ısısal olarak daha dengeli bir ortam sağlıyor. Bu diskler şu anda prototip aşamasında olsa da, bilimciler bir başka yeniliğin peşinde: bit-desenli ortam. Burada bit konumları ayrı ayrı, nano boyutlu yapılarda düzenleniyor ve potansiyel olarak alansal yoğunlukların 2,5 cm kare başına 20 terabite kadar çıkmasını sağlıyor. Avucunuza sığabilen bu güçlü araç, çok sayıda malzeme bilimci ve kuantum fizikçisinin