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.
Tưởng tượng rằng một máy bay bay cách mặt đất 1 milimet và vòng quanh Trái Đất mỗi 25 giây và đếm từng ngọn cỏ. Co tất cả chúng lại cho vừa lòng bàn tay bạn, và bạn sẽ có một thứ tương đương với một ổ cứng hiện đại, cái mà có thể lưu giữ nhiều thông tin hơn cả một thư viện địa phương. Vậy làm thế nào mà chứa nhiều thông tin trong một không gian nhỏ như thế? Trái tim của mỗi chiếc ổ cứng chính là một chồng đĩa quay tốc độ cao với một đầu đọc lướt trên mỗi bề mặt. Mỗi chiếc đĩa được mã hóa bằng 1 lớp màng các hạt kim loại vi phân tử được từ hóa, và dữ liệu của bạn không tồn tại ở đó trong dạng mà bạn có thể nhận biết. Mặc dù vậy, nó được ghi lại như 1 dạng từ tính hình thành bởi nhóm hạt vô cùng nhỏ đó. Trong mỗi nhóm, được biết như là 1 bit, tất cả các hạt có từ tính được sắp đặt theo một trong 2 trạng thái, tương ứng với 0 và 1. Dữ liệu được viết trên đĩa bằng cách chuyển dãy các bit thành dòng điện xuyên qua một trường điện từ. Từ trường này sinh ra một trường đủ mạnh để thay đổi hướng của các hạt kim loại nhiễm từ. Một khi thông tin này được viết trên đĩa, ổ cứng sử dụng bộ phận đọc từ để chuyển nó về dạng hữu ích, giống như kim đĩa hát chuyển các rãnh đĩa thành âm nhạc vậy. Nhưng làm thế nào để có nhiều thông tin chỉ dựa trên 0 và 1? Vâng, bằng cách xếp chúng cạnh nhau. Ví dụ, một chữ cái được thể hiện bằng 1 byte, hay 8 bits, và 1 bức ảnh thông thường của bạn chiếm nhiều Megabyte, mỗi Megabyte là 8 triệu bits. Bởi vì mỗi bit phải được viết trên 1 khu vực vật lý của đĩa, chúng ta luôn luôn tìm cách để nâng mật độ diện tích của đĩa lên, hay chính là bao nhiêu bit có thể được nén vào trong 1 inch vuông. Mật độ diện tích của 1 ổ cứng hiện đại vào khoảng 600 Gigabyte trên 1 inch vuông, lớn hơn 300 triệu lần so với của chiếc ổ cứng đầu tiên của IBM từ 1957. Sự tiến bộ kinh ngạc này về dung lượng chứa không chỉ đóng góp từ việc làm cho mọi thứ nhỏ hơn, mà còn bao gồm nhiều cải tiến khác nữa. Một kỹ thuật gọi là in lito màng mỏng cho phép các kỹ sư co ngót đầu đọc và đầu ghi lại. Và mặc dù kích thước của nó, đầu đọc trở nên nhạy hơn bằng việc đưa lợi ích của khám phá mới trong từ tính và lượng tử của vật chất. Bits cũng có thể được xếp lại gần nhau hơn nhờ có thuật toán toán học lọc sạch nhiễu khỏi sự giao thoa từ, và tìm ra chuỗi bit giống nhau từ mỗi khối dữ liệu đọc được. Về việc kiểm soát giãn nở nhiệt của đầu đọc, được kích hoạt nhờ đặt bộ trao đổi nhiệt dưới đầu ghi từ tính, cho phép nó chuyển động nhỏ hơn 5 nanomet bên trên bề mặt đĩa, bằng chiều rộng của 2 sợi DNA. Khoảng vài thập kỷ trước, sự phát triển theo hàm số mũ trong dung lượng chứa và công suất xử lý máy tính tuân theo quy luật định luật Moore, vào năm 1975, đã dự đoán rằng lượng thông tin sẽ tăng gấp đôi mỗi 2 năm. Nhưng với mật độ 100 Gigabits trong inch vuông, co những hạt mang từ tính lại hoặc nén chúng lại gần nhau hơn đã đặt ra một mối nguy mới gọi là hiệu ứng siêu thuận từ. Khi thể tích hạt nhiễm từ quá nhỏ, từ trường của chúng dễ dàng bị nhiễu bởi năng lượng nhiệt và có thể làm cho các bits chuyển hướng không xác định, dẫn đến việc mất dữ liệu. Các nhà khoa học đã giải quyết giới hạn này theo 1 cách đơn giản kinh ngạc: bằng cách thay đổi hướng ghi từ song song sang vuông góc, cho phép mật độ diện tích đạt đến 1 terabit trên inch vuông. Gần đây, mức giới hạn tiềm năng đã tăng trở lại thông qua nhiệt sinh ra từ việc ghi tín hiệu từ. Điều này sử dụng 1 môi trường ghi tín hiệu thậm chí còn ổn định nhiệt hơn, khi điện trở từ của chúng được giảm tức thời bằng việc gia nhiệt 1 điểm cụ thể bằng tia laser và cho phép dữ liệu được ghi. Và trong khi những ổ cứng này đang trong thời kỳ nguyên mẫu, các nhà khoa học cũng đã có kế hoạch sử dụng chúng: môi trường dạng bit, ở đó vị trí các bit được sắp xếp riêng biệt, cấu trúc kích thước nano, có thể cho phép mật độ diện tích lên tới 20 Terabit trên inch vuông hoặc hơn nữa. Vậy xin cảm ơn tới những nỗ lực cộng hợp của thế hệ kỹ sư đi đầu, các nhà khoa học vật liệu, và các nhà vật lý lượng tử mà công cụ của sức mạnh kinh ngạc và chính xác này có thể nằm gọn trong lòng bàn tay bạn.