How do hard drives work? - Kanawat Senanan

תרגום: Ido Dekkers עריכה: Roni Ravia

Imagine an airplane flying one millimeter above the ground

דמיינו מטוס הטס בגובה מילימטר מעל הקרקע

and circling the Earth once every 25 seconds

ומקיף את כדור הארץ בכל 25 שניות

while counting every blade of grass.

בעודו סופר כל גבעול של עשב.

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

הקטינו זאת לגודל כף ידכם,

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

וקבלו משהו שווה ערך לדיסק קשיח מודרני,

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

עצם שודאי מסוגל להכיל יותר מידע מהספריה המקומית שלכם.

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

אז איך הוא אוגר כל כך הרבה מידע במקום כל כך קטן?

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

בליבו של כל דיסק קשיח ישנה ערמה של דיסקות המסתובבות במהירות גבוהה

with a recording head flying over each surface.

עם ראש רישום המרחף מעל כל דיסקה.

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

כל דיסקה מצופה בשכבה של גרגרי מתכת מגנטית מיקרוסקופיים,

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

והמידע שלכם אינו מתקיים שם בצורה המוכרת לכם.

Instead, it is recorded as a magnetic pattern

במקום, הוא נרשם כתבנית מגנטית

formed by groups of those tiny grains.

המורכבת מקבוצות של גרגרים קטנים אלה.

In each group, also known as a bit,

בכל קבוצה, המכונה גם בשם ביט,

all of the grains have their magnetization's aligned

השדה המגנטי של כל הגרגירים מכוון

in one of two possible states,

לאחד משני מצבים אפשריים,

which correspond to zeroes and ones.

המייצגים ערכים של ״0״ ו-״1״.

Data is written onto the disc

מידע נכתב על גבי הדיסק

by converting strings of bits into electrical current

על ידי המרת מחרוזות הביטים לזרם חשמלי

fed through an electromagnet.

שמוזן דרך אלקטרומגנט.

This magnet generates a field strong enough to change the direction

השדה החזק שמשרה מגנט זה מסוגל לשנות כיוון המיגנוט

of the metal grain's magnetization.

של גרגרי המתכת.

Once this information is written onto the disc,

ברגע שמידע זה נכתב על גבי הדיסק,

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

נעשה שימוש בראש הקריאה המגנטי בכדי להפכו חזרה לצורה שימושית,

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

ממש כמו מחט הפטיפון שמתרגמת את חריצי התקליט למוזיקה.

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

אבל כיצד ניתן לקבל כל כך הרבה מידע מ-״0״ ו-״1״?

Well, by putting lots of them together.

ובכן, על ידי כך ששמים הרבה מהם יחד.

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

לדוגמה, אות מיוצגת על ידי בייט אחד, או שמונה ביטים,

and your average photo takes up several megabytes,

וגודלה של תמונה ממוצעת הוא כמה מגה-בייטים,

each of which is 8 million bits.

שכל אחד מהם מונה 8 מיליון ביטים.

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

בגלל שכל ביט חייב להכתב על אזור פיזי בדיסק,

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

השאיפה היא תמיד להגדיל את הצפיפות המרחבית של הדיסק,

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

או כמה ביטים ניתן לדחוס בכל סנטימטר מרובע.

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

הצפיפות המרחבית של דיסק קשיח מודרני היא בערך 93 גיגה-ביט לסנטימטר מרובע,

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

גדולה פי 300 מליון מצפיפותו של הדיסק הקשיח הראשון של IBM מ-1957.

This amazing advance in storage capacity

ההתקדמות המדהימה ביכולת איכסון המידע

wasn't just a matter of making everything smaller,

אינה רק תוצאה של הקטנה פיזית של רכיבים

but involved multiple innovations.

אלא גם תוצר של שלל המצאות.

A technique called the thin film lithography process

שיטה שנקראת תהליך ליתוגרפיה של סרט דק

allowed engineers to shrink the reader and writer.

אפשרה למהנדסים לכווץ את ראש הקריאה והכתיבה.

And despite its size, the reader became more sensitive

ולמרות גודלו, תהליך הקריאה הפך לרגיש יותר

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

הודות לניצול של תגליות חדשות בתחום התכונות המגנטיות והקוואנטיות של החומר.

Bits could also be packed closer together thanks to mathematical algorithms

בנוסף, ניתן היה לדחוס יותר ביטים הודות לאלגוריתמים מתמטיים

that filter out noise from magnetic interference,

שמסננים רעש מהפרעות מגנטיות,

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

ומוצאים את רצפי הביטים ההגיוניים ביותר בכל מקטע של סיגנל קריאה.

And thermal expansion control of the head,

ולבסוף, שליטה על ההתרחבות התרמית של הראש,

enabled by placing a heater under the magnetic writer,

שהתקבלה על ידי הצבת גוף חימום תחת ראש הכתיבה המגנטי,

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

אפשרה לו לרחף פחות מחמישה ננומטר מעל פני הדיסקה,

about the width of two strands of DNA.

בערך ברוחב של שני גדילי DNA.

For the past several decades,

במהלך העשורים האחרונים,

the exponential growth in computer storage capacity and processing power

הגידול האקספוננציאלי ביכולת אכסון המידע ועוצמת העיבוד של מחשבים

has followed a pattern known as Moore's Law,

התנהג על פי מגמה הידועה בשם חוק מור,

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

שב-1975 חזה שצפיפות המידע תוכפל כל שנתיים.

But at around 100 gigabits per square inch,

אבל בצפיפות של 15 גיגה-ביט לסנטימטר מרובע,

shrinking the magnetic grains further or cramming them closer together

כיווץ נוסף של הגרגירים המגנטיים או גידול נוסף בצפיפותם

posed a new risk called the superparamagnetic effect.

העמידו סיכון חדש שנקרא בשם האפקט הסופרפראמגנטי.

When a magnetic grain volume is too small,

כשנפח הגרגיר המגנטי קטן מדי,

its magnetization is easily disturbed by heat energy

המיגנוט שלו מופרע בקלות על ידי אנרגיית חום

and can cause bits to switch unintentionally,

וזה יכול לגרום לביטים להסתובב ללא שליטה,

leading to data loss.

מה שמוביל לאובדן מידע.

Scientists resolved this limitation in a remarkably simple way:

מדענים פתרו את המגבלה הזו בדרך פשוטה להפליא:

by changing the direction of recording from longitudinal to perpendicular,

על ידי שינוי כיוון הרישום מארכי לאנכי,

allowing areal density to approach one terabit per square inch.

מה שאיפשר לצפיפות המרחבית להתקרב ל-155 גיגה-ביט לסנטימטר מרובע.

Recently, the potential limit has been increased yet again

לאחרונה, יכולת אכסון המידע המירבית גדלה שוב

through heat assisted magnetic recording.

דרך שימוש בתהליך רישום מגנטי בסיוע חום.

This uses an even more thermally stable recording medium,

תהליך זה משתמש בראש רישום יציב אף יותר מבחינה תרמית,

whose magnetic resistance is momentarily reduced

ובעל התנגדות מגנטית המופחתת רגעית

by heating up a particular spot with a laser

על ידי חימום נקודה ספציפית עם לייזר

and allowing data to be written.

ואיפשור תהליך הכתיבה בזמן זה.

And while those drives are currently in the prototype stage,

ובעוד דיסקים קשיחים אלה נמצאים כרגע בשלב האב טיפוס,

scientists already have the next potential trick up their sleeves:

למדענים כבר יש את הטריק הבא במעלה השרוול:

bit-patterned media,

שיטת תבניות הביטים,

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

שבה ביטים מאורגנים במבנים נפרדים בגודל ננומטרי,

potentially allowing for areal densities of twenty terabits per square inch

מה שעלול לאפשר צפיפות של 3.1 טרה-ביט לסנטימטר מרובע

or more.

או יותר.

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

אז הודות למאמצים המשולבים של דורות של מהנדסים,

material scientists,

מדעני חומרים,

and quantum physicists

ופיזיקאים מתחום הקוואנטיים,

that this tool of incredible power and precision

יכול כלי עוצמתי ומדוייק זה

can spin in the palm of your hand.

להסתובב בכף ידכם.