Stell dir ein Flugzeug vor, das nur 1 mm über dem Boden fliegt
und alle 25 Sekunden die Erde umkreist,
während es jeden einzelnen Grashalm zählt.
Stell es dir so klein vor, dass es in deine Hand passt
und du hast etwas, das mit einer modernen Festplatte vergleichbar ist,
die mehr Informationen speichern kann, als die Bibliothek um die Ecke enthält.
Wie speichert man so viel Information auf so kleinem Raum?
Kern jeder Festplatte sind Platten, die sich mit Hochgeschwindigkeit drehen
und über deren Oberflächen Schreibköpfe fliegen.
Auf jeder Scheibe ist ein Film winziger, magnetischer Metallkörnchen
und die Daten liegen dort nicht in verständlicher Form.
Man speichert sie als magnetisches Muster,
das aus Gruppen der winzigen Körnchen besteht.
In jeder Gruppe, die auch Bit genannt wird,
sind alle Körnchen gleich magnetisiert.
Es gibt zwei erlaubte Zustände,
die Nullen und Einsen entsprechen.
Daten werden auf die Platte geschrieben,
indem man Folgen von Bits in elektrischen Stom wandelt
und durch einen Elektromagneten schickt.
Das Feld, das dieser Magnet erzeugt, ist ausreichend stark,
um die Richtung der Magnetisierung zu ändern.
Wenn die Daten dann auf der Platte stehen,
wird ein magnetischer Lesekopf verwendet, um sie wieder auszulesen,
ganz ähnlich der Nadel eines Plattenspielers,
die die Rillen einer Schallplatte in Musik verwandelt.
Aber wie kann man so viel Information nur in Nullen und Einsen packen?
Ganz einfach: indem man viele von ihnen zusammenpackt.
Ein Buchstabe zum Beispiel kann mit einem Byte, acht Bits, dargestellt werden.
Ein Foto dagegen belegt mehrere Megabyte,
von denen jedes 8 Millionen Bits hat.
Weil jedes Bit seinen eigenen Platz auf der Platte benötigt,
versuchen wir, die Dichte immer weiter zu erhöhen,
wie viele Bits also auf einen Quadratzentimeter passen.
Auf eine moderne Festplatte passen etwa 4000 Gigabit pro Quadratzentimeter,
das ist 300 Millionen mal mehr als auf der ersten Festplatte von IBM im Jahr 1957.
Diese unglaubliche Entwicklung der Speicherkapazität
wurde nicht nur dadurch erreicht, dass alles verkleinert wurde,
sie erforderte auch verschiedene Erfindungen.
Ein Verfahren namens Dünnschichtlithographie
ermöglichte die Verkleinerung von Lese- und Schreibkopf.
Trotz seiner kleinen Größe wurde der Lesekopf feinfühliger,
weil man neu entdeckte magnetische und quantenphysikalische Eigenschaften nutzte.
Algorithmen, die Störungen aus magnetischer Interferenz herausfiltern,
ermöglichen es, die Bits dichter zu packen
und die wahrscheinlichste Bitfolge aus dem gelesenen Signal herauszulesen.
Ein Heizgerät unter dem Schreibkopf,
das die Ausdehnung des Kopfes durch die Wärme steuert,
erlaubt diesem, weniger als fünf Nanometer über der Plattenoberfläche zu schweben,
das ist die Breite von zwei DNA-Strängen.
Das exponentielle Wachstum der Speicherkapazität
und Rechenleistung folgte in den letzten Jahrzehnten
einem Muster, das man Mooresches Gesetz nennt.
Es besagte 1975, dass sich alle zwei Jahre die Informationsdichte verdoppeln würde.
Als aber 600 Gigabits pro Quadratzentimeter erreicht waren,
tauchte beim Verkleinern und Verdichten der magnetischen Körnchen
ein neues Problem auf, der Superparamagnetische Effekt:
Besteht ein Bit aus zu wenigen Körnchen,
kann seine Magnetisierung leicht durch Wärme gestört werden.
Das Bit ändert dann ungewollt seinen Wert
und Daten gehen verloren.
Es gibt aber eine erstaunlich einfache Lösung für dieses Problem:
Schreibt man die Daten nicht längs, sondern senkrecht zur Platte,
sind Dichten von 6 Terabit pro Quadratzentimeter mögich.
Erst kürzlich wurde die Grenze weiter verschoben,
indem man das Schreiben durch Wärme unterstützt.
Man senkt vorübergehend den magnetischen Widerstand
eines noch wärmestabileren Mediums,
indem man die Stelle mit einem Laser erwärmt
und danach mit Daten beschreibt.
Zwar sind solche Festplatten bis jetzt nur Prototypen,
aber Wissenschaftler arbeiten schon am nächsten möglichen Trick:
Bitstrukturierte Medien, bei denen Bits
in getrennten, nanometergroßen Strukturen angeordnet sind,
könnten Speicherdichten bis zu 120 Terabits pro Quadratzentimeter
oder mehr erlauben.
So ermöglicht die Zusammenarbeit von Generationen von Ingenieuren,
Materialwissenschaftlern
und Quantenphysikern,
dass dieses unglaublich nützliche Präzisionswerkzeug
sich in deiner Handfläche drehen kann.