Come funzionano gli hard disk? - Kanawat Senanan

Guarda la lezione completa: http://ed.ted.com/lessons/how-do-hard-drives-work-kanawat-senanan

Un moderno disco rigido è in grado di contenere più informazioni della biblioteca della tua città. Ma come si fa a memorizzare così tante informazioni in uno spazio così piccolo? Kanawat Senanan ci spiega come intere generazioni di ingegneri, scienziati dei materiali ed esperti di fisica quantistica abbiano contribuito a creare questo strumento così incredibilmente preciso e potente.

Immagina un aereo che voli
a un millimetro da terra

e che faccia un giro intorno al mondo
ogni 25 secondi

contando nel contempo ogni filo d'erba.

Rimpicciolisci il tutto
fino a farlo stare nel palmo di una mano,

e avrai qualcosa che assomiglia
a un moderno disco rigido,

in grado di contenere più informazioni
della biblioteca della tua città.

Ma come si fa a immagazzinare così tante
informazioni in così poco spazio?

In ogni hard disk c'è una serie di piatti
che girano ad alta velocità

con una testina di registrazione
che ne sfiora ciascuna superficie.

Ogni piatto è coperto da uno strato di
microscopici grani metallici magnetizzati,

ed è lì che i dati vengono salvati
anche se non riesci a leggerli.

Vengono infatti memorizzati
sotto forma di uno schema magnetico

formato da gruppi di questi piccoli grani.

In ogni gruppo, che prende il nome di bit,

la magnetizzazione di ogni grano
è allineata alle altre,

in una delle due direzioni possibili,

che corrispondono ai numeri zero e uno.

I dati vengono scritti sul disco

convertendo stringhe di bit
in corrente elettrica

che passa poi
attraverso un elettromagnete.

Questo magnete genera un campo
sufficiente a modificare la direzione

di magnetizzazione dei grani metallici.

Una volta che le informazioni
sono state scritte sul disco,

un lettore magnetico è in grado di
riconvertirle in una forma utilizzabile,

proprio come la puntina di un giradischi
trasforma i solchi di un vinile in musica.

Ma come si fa a ottenere così tante
informazioni con solo numeri zero e uno?

Beh, mettendone tanti assieme.

Ad esempio, una lettera corrisponde
a un byte, cioè 8 bit,

e una foto normalmente occupa
diversi megabyte,

ciascuno dei quali
corrisponde a 8 milioni di bit.

Dato che ogni bit deve essere scritto
in una zona fisica del disco,

siamo sempre alla ricerca di un modo
per aumentarne la densità superficiale

cioè il numero di bit che possiamo salvare
in un centimetro quadrato del disco.

Oggi gli hard disk hanno una densità di
quasi 100 gigabit per centimetro quadrato,

300 milioni di volte maggiore rispetto
al primo hard disk IBM del 1957.

Per aumentare così tanto
la capacità di memoria

non è stato sufficiente
rendere tutto più piccolo,

sono state necessarie diverse innovazioni.

Con la tecnica della litografia ottica

gli ingegneri hanno rimpicciolito le
testine che scrivono e leggono il disco.

E pur essendo più piccolo,
il lettore è diventato più sensibile

grazie alle nuove scoperte sulle proprietà
magnetiche e quantistiche della materia.

I bit possono stare sempre più vicini
tra loro grazie ad algoritmi matematici

che filtrano il rumore dovuto
alle interferenze magnetiche,

trovando la sequenza di bit più plausibile
in ogni porzione del segnale di rilettura.

Inoltre il controllo termico
della testina,

consentito da un'unità di riscaldamento
posta sotto la testina stessa,

le permette di mantenersi a meno di
cinque nanometri dalla superficie,

una distanza pari a quella
tra i due filamenti del DNA.

Negli ultimi decenni

la crescita esponenziale delle capacità
di memoria e di calcolo dei computer

ha seguito un andamento
chiamato Legge di Moore,

che nel 1975 pronosticò il raddoppio della
densità di informazione ogni due anni.

Ma, arrivati a 15,3 gigabit
per centimetro quadrato,

rimpicciolire ancora i grani magnetici
o stiparli più vicini tra loro

diventa rischioso
a causa del superparamagnetismo.

Quando il volume di un grano magnetico
è troppo piccolo

la sua magnetizzazione viene
facilmente perturbata dal calore

e può causare
lo scambio involontario di alcuni bit,

e una conseguente perdita di dati.

Gli scienziati hanno trovato una soluzione
semplicissima a questo problema:

cambiare la direzione di scrittura
da longitudinale a perpendicolare,

per arrivare a una densità superficiale
di 150 gigabit per centimetro quadrato.

Recentemente il limite massimo
è aumentato ancora,

grazie alla
registrazione magnetica termoassistita.

Questa tecnica sfrutta un materiale
termicamente ancora più stabile,

la cui resistenza magnetica viene
temporaneamente ridotta

riscaldando con un laser un punto preciso

e permettendo così la scrittura dei dati.

Anche se questi hard disk sono
ancora dei semplici prototipi,

gli scienziati hanno già
un altro asso nella manica:

i supporti configurati,

in cui i bit sono posizionati
in nanostrutture separate

che potenzialmente permettono densità
di 3 terabit per centimetro quadrato

e oltre.

È quindi grazie agli sforzi congiunti
di generazioni di ingegneri,

scienziati dei materiali,

ed esperti di fisica quantistica

che questo strumento
incredibilmente potente e preciso

occupa a malapena il palmo di una mano.