Как работает жесткий диск

Представьте себе самолет, летящий на расстоянии одного миллиметра над Землей, огибающий Землю каждые 25 секунд и подсчитывающий на ходу каждую травинку. А теперь мысленно сожмите всю эту картину до размеров собственной ладони, и получите отдаленный эквивалент современного жесткого диска, способного вместить больше информации, чем городская библиотека. Но как такое количество данных помещается в настолько маленьком пространстве?

Сердцем жесткого диска является ряд высокоскоростных, вращающихся дисков с записывающей головкой, расположенной над поверхностью каждого из них. Каждый диск покрыт слоем из микроскопических металлических частиц, а информация на них хранится вовсе не в той форме, которую вы себе представляете. Данные записываются в виде магнитного рисунка, состоящего из групп крошечных частиц. В каждой группе, известной, как бит, намагниченность всех частиц соответствует одному из двух возможных значений: нулю и единице. Данные записываются на диск путем преобразования последовательности битов в электрической ток, подаваемый через электромагнит. Этот магнит создает поле достаточной силы для изменения направления намагничивания металлических частиц. Когда информация записана на диск, магнитный считыватель преобразует ее обратно в удобный вид, по аналогии с тем, как игла патефона создает музыку из дорожек на пластинке.

Но каким образом из единиц и нулей берется столько информации? Все дело в комбинациях. К примеру, обычная буква представлена одним байтом, и восемью битами, а средняя фотография занимает уже несколько мегабайт, в каждом из которых содержится 8 миллионов битов. Поскольку каждый бит должен иметь конкретное место на поверхности диска, мы постоянно ищем пути увеличения плотности записи, или, иными словами, того, сколько битов поместится в одном квадратном дюйме.

Плотность записи современных жестких дисков составляет около 600 гигабайт на квадратный дюйм, что в 300 миллионов раз больше, чем у первого диска IBM, созданного в далеком 1957 году. Такой невероятный прогресс во вместительности произошел не только благодаря уменьшению размеров, но и ввиду множества инноваций. Технология, известная как тонкопленочный литографический процесс, позволила инженерам значительно уменьшить считывающий и записывающий механизмы. Причем, несмотря на уменьшение размеров, считыватель стал более чувствительным благодаря новым открытиям в области магнитных и квантовых свойств материй. Кроме того, отныне биты могли располагаться ближе друг к другу из-за математических алгоритмов, фильтрующих шумы от магнитных помех, и определяющих оптимальную последовательность в каждом считываемом фрагменте.

Проблему регулирования термического расширения головки решили, поместив нагреватель под магнитным записывающим устройством, что позволило ограничить высоту ее полета над поверхностью диска до менее чем 5 нм – расстояния, примерно равного ширине двух нитей ДНК.

В течение последних десятилетий, вместительность компьютерных носителей и скорость обработки данных росла в геометрической прогрессии, что привело к возникновению в 1975 году закономерности, известной как закон Мура, и предсказывавшей, что впредь плотность хранения информации будет удваиваться каждые два годы. Однако, после достижения отметки в 100 гигабайт на квадратный дюйм, попытки дальнейшего уменьшения размера магнитных частиц или их уплотнения привели к возникновению новый проблемы, известной, как супермагнитный эффект.

Когда размер магнитных частиц слишком мал, их намагниченность легко нарушается даже тепловой энергией, что приводит к случайному изменению направления битов и потере информации. Ученые обошли это ограничение потрясающе простым способом, а именно изменением направления записи с продольной на перпендикулярную, позволив достигнуть плотность в 1 террабит на квадратный дюйм.

А недавно возможный предел был отодвинут еще дальше, благодаря технологии магнитной записи с нагревом носителя. В этой технологии используется еще более термоустойчивый носитель, чье магнитное сопротивление на мгновение снижается путем лазерного нагрева определенной точки для записи на нее информации. А пока такие диски находятся лишь на этапе разработки, ученые замахнулись на еще одно новшество – структурированный носитель данных, в котором каждый бит представляет собой отдельный наноразмерный объект, а плотность записи достигает 20 террабит на квадратный дюйм и даже больше.

Мы должны благодарить представителей нескольких поколений инженеров, материаловедов и квантовых физиков за то, что их совместные усилия позволяют нам сегодня держать в ладони настолько мощный и точный инструмент.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Вставьте недостающее число: *
Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.