Πώς λειτουργούν οι σκληροί δίσκοι; - Κάναγουατ Σέναναν

Δείτε το πλήρες μάθημα: http://ed.ted.com/lessons/how-do-hard-drives-work-kanawat-senanan

Ο μοντέρνος σκληρός δίσκος είναι ένα αντικείμενο που πιθανώς μπορεί να αποθηκεύση περισσότερες πληροφορίες από την τοπική σας βιβλιοθήκη. Αλλά πώς μπορεί να αποθηκεύσει τόσες πολλές πληροφορίες σε τόσο λίγο χώρο; Ο Κάναγουατ Σέναναν μιλάει για τις γενεές μηχανικών, υλικών επιστημόνων και κβαντικών φυσικών που επηρέασαν τη δημιουργία αυτού του εργαλείου τεράστιας δύναμης και ακρίβειας.

Μάθημα από τον Κάναγουατ Σέναναν, ψηφιακή απεικόνιση από το TED-Ed.

Φανταστείτε ένα αεροπλάνο το οποίο πετάει
ένα χιλιοστό πάνω από το έδαφος

και κάνει κύκλους γύρω από τη γη
μία φορά κάθε 25 δευτερόλεπτα

καθώς μετράει την κάθε λεπτομέρεια.

Μαζέψτε το όλο αυτό έτσι ώστε να χωράει
στην παλάμη του χεριού σας,

και θα έχετε κάτι παρόμοιο
με έναν σημερινό σκληρό δίσκο,

κάτι το οποίο πιθανώς μπορεί να χωρέσει

περισσότερες πληροφορίες
από την τοπική σας βιβλιοθήκη.

Πώς όμως αποθηκεύει τόσες πολλές
πληροφορίες σε τόσο λίγο χώρο;

Στην καρδιά κάθε σκληρού δίσκου υπάρχει
μια στοίβα γρήγορα στροβιλιζόμενων δίσκων

με μια κεφαλή εγγραφής
η οποία αιωρείται πάνω από κάθε δίσκο.

Κάθε δίσκος έχει καλυφθεί με μια μεμβράνη

μικροσκοπικών μαγνητισμένων
κόκκων μετάλλου,

και τα δεδομένα σας δεν ζουν εκεί πέρα
με μια μορφή αναγνωρίσιμη από εσάς.

Αντιθέτως, αποθηκεύονται
σαν ένα μαγνητικό μοτίβο

σχηματισμένο από ομάδες
εκείνων των μικρών κόκκων.

Σε κάθε ομάδα,
γνωστή ως δυαδικό ψηφίο ή μπιτ,

όλοι οι κόκκοι έχουν
τους μαγνητισμούς τους ευθυγραμμισμένους

σε δύο πιθανά στάδια,

τα οποία αντιστοιχούν σε μηδέν και ένα.

Τα δεδομένα γράφονται πάνω στον δίσκο

μετατρέποντας ακολουθίες δυαδικών ψηφίων
σε ηλεκτρικό ρεύμα

το οποίο τροφοδοτείται
μέσω ενός ηλεκτρομαγνήτη.

Αυτός ο μαγνήτης παράγει ένα πεδίο
αρκετά δυνατό ώστε να αλλάξει τη φορά

του μαγνητισμού των μεταλλικών κόκκων.

Όταν οι πληροφορίες
έχουν γραφτεί στον δίσκο,

η μονάδα χρησιμοποιεί
ένα μαγνητικό αναγνώστη

ώστε να τις επαναφέρει
σε χρησιμοποιήσιμη μορφή,

σαν τη βελόνα ενός φωνογράφου

που μεταφράζει
τα αυλάκια ενός δίσκου σε μουσική.

Αλλά πώς γίνεται να πάρεις τόσες πολλές
πληροφορίες από μηδενικά και άσους;

Βάζοντας πολλά μαζί.

Για παράδειγμα, ένα γράμμα αναπαριστάται
με ένα μπάιτ ή οχτώ μπιτ,

και η συνηθισμένη φωτογραφία
καταλαμβάνει αρκετά μεγκαμπάιτ,

η κάθε μία από τις οποίες ισούται
με 8 εκατομμύρια μπιτ.

Επειδή κάθε μπιτ πρέπει να γραφτεί
πάνω σε μια περιοχή του δίσκου,

πάντα προσπαθούμε να αυξήσουμε
την επιφανειακή πυκνότητα του δίσκου,

ή πόσα μπιτ μπορούν να χωρέσουν
σε μία τετραγωνική ίντσα.

Η επιφανειακή πυκνότητα
ενός μοντέρνου σκληρού δίσκου

είναι περίπου 600 γκίγκαμπιτ
ανά τετραγωνική ίντσα,

300 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από
τον πρώτο σκληρό δίσκο της IBM το 1957.

Αυτή η καταπληκτική πρόοδος
στον αποθηκευτικό χώρο

δεν ήταν απλά ένα θέμα
του να φτιάξουμε τα πάντα μικρότερα,

αλλά περιλάμβανε πολλές καινοτομίες.

Μία τεχνική η οποία ονομάζεται
διαδικασία λιθογραφίας λεπτής μεμβράνης

έδωσε στους μηχανικούς τη δυνατότητα
σμίκρυνσης του αναγνώστη και του εγγραφέα.

Και παρά το μέγεθος του,
ο αναγνώστης έγινε πιο ευαίσθητος

εκμεταλλευόμενος νέες εφευρέσεις

στις μαγνητικές και κβαντικές
ιδιότητες της ύλης.

Επίσης τα μπιτ

μπορούσαν να συμπιεστούν
χάρις σε μαθηματικούς αλγόριθμους

που φιλτράρουν τον θόρυβο
από τις μαγνητικές παρεμβολές

και βρίσκουν την πιο πιθανή ακολουθία μπιτ

για κάθε τμήμα που αναγιγνώσκεται.

Και ο έλεγχος
της θερμικής διαστολής της κεφαλής,

ο οποίος επιτυγχάνεται με ένα θερμαντήρα
κάτω από τον μαγνητικό εγγραφέα,

του επέτρεψε να αιωρείται

λιγότερο από 5 νανομέτρα
πάνω από την επιφάνεια του δίσκου,

που είναι ίσο με το πλάτος δύο ελίκων DNA.

Τις τελευταίες δεκαετίες,

η εκθετική ανάπτυξη στον αποθηκευτικό χώρο
και στην υπολογιστική δύναμη

έχει ακολουθήσει το πρότυπο
γνωστό ως νόμος του Μουρ,

το οποίο, το 1975, προέβλεψε ότι

η πυκνότητα της πληροφορίας
θα διπλασιαζόταν κάθε δύο χρόνια.

Αλλά περίπου στα 100 γκίγκαμπιτ
ανά τετραγωνική ίντσα,

η περαιτέρω συρρίκνωση
των μαγνητικών κόκκων

ή η τοποθέτηση τους
σε μικρότερες αποστάσεις

έθεσε ένα νέο κίνδυνο

ο οποίος ονομάζεται
το υπερπαραμαγνητικό φαινόμενο.

Όταν ο όγκος του μαγνητικού κόκκου
είναι πολύ μικρός,

η μαγνήτισή του εύκολα
διαταράσσεται από θερμική ενέργεια

και μπορεί να προκαλέσει
την αλλαγή των μπιτ χωρίς την θέληση τους,

κάτι που οδηγεί σε απώλεια δεδομένων.

Οι επιστήμονες
ξεπέρασαν αυτόν τον περιορισμό

με έναν αξιοσημείωτα απλό τρόπο:

αλλάζοντας την κατεύθυνση της εγγραφής
από οριζόντια σε κάθετη,

θέτοντας το όριο της χωρικής πυκνότητας
σε ένα τέραμπιτ ανά τετραγωνική ίντσα.

Πρόσφατα, το δυνατόν όριο
έχει αυξηθεί για μία ακόμα φορά

μέσου της μαγνητικής εγγραφής
με τη βοήθεια θερμότητας.

Αυτή χρησιμοποιεί ένα ακόμη
πιο θερμικά σταθερό μέσο εγγραφής,

του οποίου η μαγνητική αντίσταση
στιγμιαία μειώνεται

θερμαίνοντας ένα συγκεκριμένο σημείο
με ένα λέιζερ

δίνοντας τη δυνατότητα εγγραφής
των δεδομένων.

Και ενώ αυτοί οι δίσκοι
βρίσκονται ακόμη σε πρώιμο στάδιο,

οι επιστήμονες ήδη έχουν
το επόμενο τέχνασμα στο μανίκι τους:

πολυμέσα διαμορφωμένα με μπιτ

όπου τα μπιτ είναι τοποθετημένα
σε ξεχωριστές, νανο-μεγέθους κατασκευές,

πιθανώς δίνοντας τη δυνατότητα

για χωρικές πυκνότητες
είκοσι τέραμπιτ ανά τετραγωνική ίντσα

ή και περισσότερο.

Έτσι, χάρις στις συνδυασμένες προσπάθειες
γενεών μηχανικών,

υλικών επιστημόνων

και κβαντικών φυσικών

αυτό το εργαλείο απίστευτης
δύναμης και ακρίβειας

μπορεί να στροβιλίζει
στην παλάμη του χεριού σας.