How do hard drives work? - Kanawat Senanan

Wie Festplatten funktionieren – Kanawat Senanan

Übersetzung: STJ-Dominik Helm Lektorat: Jo Pi

Imagine an airplane flying one millimeter above the ground

Stell dir ein Flugzeug vor, das nur 1 mm über dem Boden fliegt

and circling the Earth once every 25 seconds

und alle 25 Sekunden die Erde umkreist,

while counting every blade of grass.

während es jeden einzelnen Grashalm zählt.

Shrink all that down so that it fits in the palm of your hand,

Stell es dir so klein vor, dass es in deine Hand passt

and you'd have something equivalent to a modern hard drive,

und du hast etwas, das mit einer modernen Festplatte vergleichbar ist,

an object that can likely hold more information than your local library.

die mehr Informationen speichern kann, als die Bibliothek um die Ecke enthält.

So how does it store so much information in such a small space?

Wie speichert man so viel Information auf so kleinem Raum?

At the heart of every hard drive is a stack of high-speed spinning discs

Kern jeder Festplatte sind Platten, die sich mit Hochgeschwindigkeit drehen

with a recording head flying over each surface.

und über deren Oberflächen Schreibköpfe fliegen.

Each disc is coated with a film of microscopic magnetised metal grains,

Auf jeder Scheibe ist ein Film winziger, magnetischer Metallkörnchen

and your data doesn't live there in a form you can recognize.

und die Daten liegen dort nicht in verständlicher Form.

Instead, it is recorded as a magnetic pattern

Man speichert sie als magnetisches Muster,

formed by groups of those tiny grains.

das aus Gruppen der winzigen Körnchen besteht.

In each group, also known as a bit,

In jeder Gruppe, die auch Bit genannt wird,

all of the grains have their magnetization's aligned

sind alle Körnchen gleich magnetisiert.

in one of two possible states,

Es gibt zwei erlaubte Zustände,

which correspond to zeroes and ones.

die Nullen und Einsen entsprechen.

Data is written onto the disc

Daten werden auf die Platte geschrieben,

by converting strings of bits into electrical current

indem man Folgen von Bits in elektrischen Stom wandelt

fed through an electromagnet.

und durch einen Elektromagneten schickt.

This magnet generates a field strong enough to change the direction

Das Feld, das dieser Magnet erzeugt, ist ausreichend stark,

of the metal grain's magnetization.

um die Richtung der Magnetisierung zu ändern.

Once this information is written onto the disc,

Wenn die Daten dann auf der Platte stehen,

the drive uses a magnetic reader to turn it back into a useful form,

wird ein magnetischer Lesekopf verwendet, um sie wieder auszulesen,

much like a phonograph needle translates a record's grooves into music.

ganz ähnlich der Nadel eines Plattenspielers,

die die Rillen einer Schallplatte in Musik verwandelt.

But how can you get so much information out of just zeroes and ones?

Aber wie kann man so viel Information nur in Nullen und Einsen packen?

Well, by putting lots of them together.

Ganz einfach: indem man viele von ihnen zusammenpackt.

For example, a letter is represented in one byte, or eight bits,

Ein Buchstabe zum Beispiel kann mit einem Byte, acht Bits, dargestellt werden.

and your average photo takes up several megabytes,

Ein Foto dagegen belegt mehrere Megabyte,

each of which is 8 million bits.

von denen jedes 8 Millionen Bits hat.

Because each bit must be written onto a physical area of the disc,

Weil jedes Bit seinen eigenen Platz auf der Platte benötigt,

we're always seeking to increase the disc's areal density,

versuchen wir, die Dichte immer weiter zu erhöhen,

or how many bits can be squeezed into one square inch.

wie viele Bits also auf einen Quadratzentimeter passen.

The areal density of a modern hard drive is about 600 gigabits per square inch,

Auf eine moderne Festplatte passen etwa 4000 Gigabit pro Quadratzentimeter,

300 million times greater than that of IBM's first hard drive from 1957.

das ist 300 Millionen mal mehr als auf der ersten Festplatte von IBM im Jahr 1957.

Diese unglaubliche Entwicklung der Speicherkapazität

This amazing advance in storage capacity

wasn't just a matter of making everything smaller,

wurde nicht nur dadurch erreicht, dass alles verkleinert wurde,

but involved multiple innovations.

sie erforderte auch verschiedene Erfindungen.

A technique called the thin film lithography process

Ein Verfahren namens Dünnschichtlithographie

allowed engineers to shrink the reader and writer.

ermöglichte die Verkleinerung von Lese- und Schreibkopf.

And despite its size, the reader became more sensitive

Trotz seiner kleinen Größe wurde der Lesekopf feinfühliger,

by taking advantage of new discoveries in magnetic and quantum properties of matter.

weil man neu entdeckte magnetische und quantenphysikalische Eigenschaften nutzte.

Bits could also be packed closer together thanks to mathematical algorithms

Algorithmen, die Störungen aus magnetischer Interferenz herausfiltern,

that filter out noise from magnetic interference,

ermöglichen es, die Bits dichter zu packen

and find the most likely bit sequences from each chunk of read-back signal.

und die wahrscheinlichste Bitfolge aus dem gelesenen Signal herauszulesen.

And thermal expansion control of the head,

Ein Heizgerät unter dem Schreibkopf,

enabled by placing a heater under the magnetic writer,

das die Ausdehnung des Kopfes durch die Wärme steuert,

allowed it to fly less than five nanometers above the disc's surface,

erlaubt diesem, weniger als fünf Nanometer über der Plattenoberfläche zu schweben,

about the width of two strands of DNA.

das ist die Breite von zwei DNA-Strängen.

For the past several decades,

Das exponentielle Wachstum der Speicherkapazität

the exponential growth in computer storage capacity and processing power

und Rechenleistung folgte in den letzten Jahrzehnten

has followed a pattern known as Moore's Law,

einem Muster, das man Mooresches Gesetz nennt.

which, in 1975, predicted that information density would double every two years.

Es besagte 1975, dass sich alle zwei Jahre die Informationsdichte verdoppeln würde.

Als aber 600 Gigabits pro Quadratzentimeter erreicht waren,

But at around 100 gigabits per square inch,

shrinking the magnetic grains further or cramming them closer together

tauchte beim Verkleinern und Verdichten der magnetischen Körnchen

posed a new risk called the superparamagnetic effect.

ein neues Problem auf, der Superparamagnetische Effekt:

When a magnetic grain volume is too small,

Besteht ein Bit aus zu wenigen Körnchen,

its magnetization is easily disturbed by heat energy

kann seine Magnetisierung leicht durch Wärme gestört werden.

and can cause bits to switch unintentionally,

Das Bit ändert dann ungewollt seinen Wert

leading to data loss.

und Daten gehen verloren.

Scientists resolved this limitation in a remarkably simple way:

Es gibt aber eine erstaunlich einfache Lösung für dieses Problem:

by changing the direction of recording from longitudinal to perpendicular,

Schreibt man die Daten nicht längs, sondern senkrecht zur Platte,

allowing areal density to approach one terabit per square inch.

sind Dichten von 6 Terabit pro Quadratzentimeter mögich.

Recently, the potential limit has been increased yet again

Erst kürzlich wurde die Grenze weiter verschoben,

through heat assisted magnetic recording.

indem man das Schreiben durch Wärme unterstützt.

This uses an even more thermally stable recording medium,

Man senkt vorübergehend den magnetischen Widerstand

whose magnetic resistance is momentarily reduced

eines noch wärmestabileren Mediums,

by heating up a particular spot with a laser

indem man die Stelle mit einem Laser erwärmt

and allowing data to be written.

und danach mit Daten beschreibt.

And while those drives are currently in the prototype stage,

Zwar sind solche Festplatten bis jetzt nur Prototypen,

scientists already have the next potential trick up their sleeves:

aber Wissenschaftler arbeiten schon am nächsten möglichen Trick:

bit-patterned media,

Bitstrukturierte Medien, bei denen Bits

where bit locations are arranged in separate, nano-sized structures,

in getrennten, nanometergroßen Strukturen angeordnet sind,

potentially allowing for areal densities of twenty terabits per square inch

könnten Speicherdichten bis zu 120 Terabits pro Quadratzentimeter

or more.

oder mehr erlauben.

So it's thanks to the combined efforts of generations of engineers,

So ermöglicht die Zusammenarbeit von Generationen von Ingenieuren,

material scientists,

Materialwissenschaftlern

and quantum physicists

und Quantenphysikern,

that this tool of incredible power and precision

dass dieses unglaublich nützliche Präzisionswerkzeug

can spin in the palm of your hand.

sich in deiner Handfläche drehen kann.