Kako delujejo trdi diski? - Kanawat Senanan

Za ogled celotne lekcije pojdite na: http://ed.ted.com/lessons/how-do-hard-drives-work-kanawat-senanan

Sodobni trdi disk je predmet, ki lahko vsebuje več informacij kot vaša lokalna knjižnica. A kako lahko hrani toliko informacij na tako majhnem prostoru? Kanawat Senanan podrobno opiše generacije inženirjev, znanstvenikov materialov in kvantnih fizikov, ki so vplivali na ustvaritev tega neverjetno močnega in natančnega orodja.

Lekcija: Kanawat Senanan, animacija: TED-Ed.

Predstavljajte si letalo,
ki leti en milimeter nad tlemi

in vsakih 25 sekund obkroži Zemljo,

pri tem pa prešteje vse travne bilke.

Če to pomanjšate do te mere,
da se prilega vaši dlani,

dobite nekaj enakovrednega
sodobnemu trdemu disku,

predmetu, ki lahko vsebuje več informacij
kot vaša lokalna knjižnica.

Kako pa lahko hrani toliko informacij
na tako majhnem prostoru?

V središču vsakega trdega diska je
skladovnica hitro vrtečih se plošč

z bralno/pisalno glavo,
ki leti nad vsako od površin.

Vsaka plošča je prekrita s prevleko
mikroskopskih magnetiziranih kovinskih zrn

in vaši podatki tam ne živijo v obliki,
ki bi jo prepoznali.

Namesto tega so zapisani
kot magnetni vzorec,

ki ga tvorijo skupine teh drobnih zrn.

V vsaki skupini, znani tudi kot bit,

imajo vsa zrna magnetizacijo poravnano

v eno od dveh možnih stanj,

ki ustrezata ničlam in enicam.

Podatki se na disk zapišejo

s pretvorbo bitnih nizov v električni tok,

ki ga dovaja elektromagnet.

Ta magnet tvori polje,
ki je dovolj močno, da spremeni smer

magnetizacije kovinskih zrn.

Ko so informacije enkrat zapisane na disk,

pogon uporabi magnetni bralnik,
da jih pretvori nazaj v uporabno obliko,

zelo podobno gramofonski igli,
ki utore na plošči prevaja v glasbo.

Toda kako lahko dobimo toliko informacij
iz samo ničel in enic?

Tako, da jih damo mnogo skupaj.

Na primer, črko predstavlja en bajt
ali osem bitov,

vaša povprečna slika
pa zavzame več megabajtov,

vsak od njih pa ima 8 milijonov bitov.

Ker mora biti vsak bit
zapisan na fizični del diska,

venomer iščemo načine
za povečanje gostote zapisa na disku

oz. koliko bitov lahko stisnemo
na kvadraten palec.

Gostota zapisa modernih trdih diskov je
okoli 600 gigabitov na kvadratni palec,

300-milijonkrat več kot pri IBM-ovemu
prvemu trdemu disku iz leta 1957.

Ta neverjetni napredek
v kapaciteti shrambe

ni bil rezultat le pomanjševanja vsega,

ampak je vključevalo številne inovacije.

Tehnika, imenovana
proces litografije tankega filma,

je inženirjem omogočila pomanjšanje
bralno/pisalne glave.

In navkljub svoji velikosti,
je bralnik postal bolj občutljiv

z izkoriščenjem novih odkritij na področju
magnetnih in kvantnih lastnostih snovi.

Biti so lahko bili tudi bolj zgoščeni
zahvaljujoč matematičnim algoritmom,

ki filtrirajo motnje magnetne interference

in najdejo najbolj verjetne bitne nize iz
vsakega kosa povratnega bralnega signala.

Nadzor nad termičnim raztezanjem glave,

ki ga omogočimo z grelnikom
pod magnetnim zapisovalnikom,

ji je omogočilo lebdenje na manj kot
petih nanometrih nad površino diska,

kar je približno širina dveh vej DNK.

Zadnjih nekaj desetletij

je eksponentna rast kapacitete računal-
niškega pomnilnika in procesorske moči

sledila vzorcu,
ki ga poznamo kot Moorov zakon,

ki je 1975 predvidel, da se bo gostota
informacij podvojila vsaki dve leti.

Vendar pa je pri
okoli 100 gigabitih na kvadratni palec

nadaljnje pomanjševanje magnetnih zrn,
ali njihovo še večje tlačenje skupaj,

predstavljalo novo tveganje
imenovano super-paramagnetni učinek.

Ko je prostornina
magnetnega zrna premajhna,

njegovo magnetizacijo zlahka
zmoti toplotna energija

in lahko povzroči, da se biti
nenamenoma zamenjajo,

kar vodi k izgubi podatkov.

Znanstveniki so to omejitev rešili
na presenetljivo enostaven način:

s spremembo smeri zapisovanja
iz vzdolžne v navpično,

kar je omogočilo gostoto zapisa
blizu enega terabita na kvadratni palec.

Nedavno se je potencialna meja
ponovno zvišala

z uporabo toplotnega
magnetnega zapisovanja (HAMR).

Ta uporablja še bolj termično stabilen
zapisovalni medij,

čigar magnetno odpornost
se za trenutek zniža

s segrevanjem določene točke z laserjem

in omogočenim zapisovanjem podatkov.

In medtem ko so ti pogoni
trenutno v fazi prototipov,

imajo znanstveniki v rokavu
že nov potencialni trik:

medij bitnih vzorcev (BPM),

na katerem so lokacije bitov
razvrščene v ločene nano strukture,

kar potencialno omogoča gostote zapisa
20 terabitov na kvadratni palec

ali več.

Zahvalimo se torej lahko skupnim
prizadevanjem večih generacij inženirjev,

znanstvenikov snovi

in kvantnih fizikov,

da se to orodje
neverjetne moči in natančnosti

lahko vrti v vaši dlani.