Ako funguje pevný disk HDD

Predstavte si lietadlo, ktoré sa pohybuje len milimeter nad terénom, každých 25 sekúnd obletí Zem a pritom zaznamenáva každé steblo trávy. Teraz tento scenár zhustite tak, aby sa vám pohodlne zmestil do dlane. To je presná predstava moderného pevného disku, výnimočného zariadenia, ktoré pravdepodobne obsahuje viac informácií ako vaša miestna knižnica. Ako sa však podarilo uložiť také obrovské množstvo údajov do takého malého priestoru?

Jadro každého pevného disku pozostáva z hromady rýchlo rotujúcich diskov, z ktorých každý má záznamovú hlavu vznášajúcu sa nad jeho povrchom. Každý disk je pokrytý vrstvou mikroskopických kovových zŕn, z ktorých každé je zmagnetizované. Vaše údaje sa neukladajú v rozpoznateľnej forme, ale sú zaznamenané ako magnetický vzor vytvorený zhlukmi týchto miniatúrnych zŕn.

Každý zhluk, inak známy ako „bit“, má všetky magnetizácie svojich zŕn zarovnané do jedného z dvoch možných stavov. Tieto stavy zodpovedajú nulám a jednotkám. Dáta sa na disk zapisujú prevodom reťazcov bitov na elektrický prúd, ktorý potom prechádza cez elektromagnet. Tento magnet vytvára dostatočne silné pole na to, aby zmenil smer magnetizácie kovových zŕn.

Keď sú tieto údaje zapísané na disku, disk použije magnetickú čítačku na ich spätnú konverziu do použiteľnej podoby, podobne ako fonografová ihla interpretuje drážky platne do hudby. Ale ako sa dá získať toľko informácií z obyčajných núl a jednotiek? Tajomstvo spočíva v ich kombinácii vo veľkom množstve. Napríklad jedno písmeno je reprezentované jedným bajtom alebo ôsmimi bitmi, zatiaľ čo priemerná fotografia zaberá niekoľko megabajtov, z ktorých každý obsahuje 8 miliónov bitov.

Keďže každý bit sa musí zaznamenať na fyzickú časť disku, neustále sa snažíme zvyšovať „plošnú hustotu“ disku, čo je počet bitov, ktoré sa zmestia na štvorcový palec. Moderný pevný disk sa môže pochváliť plošnou hustotou približne 600 gigabitov na štvorcový palec, čo je 300 miliónkrát viac ako pri prvom pevnom disku IBM, ktorý bol uvedený na trh v roku 1957.

Tento pozoruhodný pokrok v kapacite úložiska nie je len dôsledkom miniaturizácie, ale aj výsledkom mnohých dômyselných vývojových postupov. Napríklad proces tenkovrstvovej litografie umožnil inžinierom zmenšiť veľkosť čítačky a zapisovača. Napriek kompaktnej forme sa citlivosť čítačky zvýšila vďaka pokroku v chápaní magnetických a kvantových vlastností hmoty. Matematické algoritmy tiež umožnili tesnejšie zabalenie bitov, odfiltrovanie šumu vznikajúceho v dôsledku magnetického rušenia a určenie najpravdepodobnejších sekvencií bitov z každého segmentu čítaného signálu.

Kontrola tepelnej rozťažnosti záznamovej hlavy sa dosiahla zabudovaním ohrievača pod magnetický zapisovač. Táto konfigurácia umožňuje, aby sa hlava vznášala menej ako päť nanometrov nad povrchom disku, čo je približne šírka dvoch vlákien DNA.

Za posledných niekoľko desaťročí sa exponenciálny nárast kapacity úložísk a výkonnosti spracovania počítačov riadil trendom známym ako Moorov zákon. V roku 1975 tento zákon predpokladal, že hustota dát sa každé dva roky zdvojnásobí. Keď však hustota dát dosiahla približne 100 gigabitov na štvorcový palec, vznikla nová výzva. Ďalšia miniaturizácia magnetických zŕn alebo ich hustejšie balenie predstavovali riziko javu známeho ako superparamagnetický efekt.

Keď sa objem magnetického zrna príliš zmenší, jeho magnetizácia sa môže ľahko narušiť tepelnou energiou. Toto narušenie môže viesť k neúmyselnému prevráteniu bitov a spôsobiť stratu údajov. Vedci prekonali túto prekážku pozoruhodne jednoduchým spôsobom: zmenili smer záznamu z pozdĺžneho na kolmý, čo umožnilo dosiahnuť plošnú hustotu takmer jeden terabit na štvorcový palec.

V poslednom čase sa táto potenciálna hranica posunula ďalej vďaka zavedeniu magnetického záznamu s podporou tepla. Táto metóda využíva tepelne stabilnejšie záznamové médium, ktorého magnetický odpor možno dočasne znížiť zahriatím určitej oblasti laserom, čím sa uľahčí zápis údajov.

Hoci disky využívajúce túto technológiu sú v súčasnosti vo fáze prototypu, výskumníci už pripravujú ďalšie potenciálne riešenie: bitovo vzorované médiá. Pri tomto prístupe sú miesta s bitmi usporiadané do samostatných štruktúr veľkosti nano, čo potenciálne umožňuje dosiahnuť plošnú hustotu dvadsať terabitov na štvorcový palec alebo viac.

Je to teda kumulované úsilie generácií inžinierov, materiálových vedcov a kvantových fyzikov, ktoré umožnilo vznik tohto pozoruhodného nástroja s obrovským výkonom a presnosťou, ktorý sa môže bez námahy otáčať v dlani.

Strýko

Strýko ti so všetkým pomôže a poradí. Prináša informácie zo sveta a rád ti pomôže. Poradí ti s nudou, učením, prezradí zaujímavosti a dá ti možnosť zlepšiť svoj život.