How do hard drives work? - Kanawat Senanan

翻訳: Keiko Marutani 校正: Tomoyuki Suzuki

Imagine an airplane flying one millimeter above the ground

飛行機が地上１ミリの高さを 飛行しながら

and circling the Earth once every 25 seconds

地球を一周25秒で 繰り返し周回し

while counting every blade of grass.

地上の草を１本ずつ数えている様子を 想像してみてください

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

これを手の平に収まるサイズに 縮小してみましょう

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

すると 近年のハードディスクと 同じ程度の大きさになりますが

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

これには地域の図書館に含まれる以上の 情報を保存できることでしょう

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

では大量の情報は この小さな空間に どのように保存されているのでしょうか？

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

ハードディスクの中心部には 高速に回転するディスクが積み重ねられていて

with a recording head flying over each surface.

各表面の上を記録用の磁気ヘッドが 飛び回っています

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

各ディスクには磁化された微視的な金属が フィルム状にコーティングされており

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

しかも 人が見て認識できるように データは記録されているのではなく

Instead, it is recorded as a magnetic pattern

超微粒子が集まることにより 形成される ―

formed by groups of those tiny grains.

磁気パターンとして記録されています

In each group, also known as a bit,

１ビットとも呼ばれる 個々のグループにおいて

all of the grains have their magnetization's aligned

すべての粒子が 磁化の向きを揃えています

in one of two possible states,

これには２つの状態があり

which correspond to zeroes and ones.

０か１のどちらかに対応しています

Data is written onto the disc

データのディスクへの書き込みは

by converting strings of bits into electrical current

一連のビットを電流に変換し

fed through an electromagnet.

電磁石に流すことによって行われます

This magnet generates a field strong enough to change the direction

電磁石は金属粒子の磁化の向きを変えるに足る 強い磁場を作り出します

of the metal grain's magnetization.

電磁石は金属粒子の磁化の向きを変えるに足る 強い磁場を作り出します

Once this information is written onto the disc,

情報が一旦 ディスクに書き込まれると

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

ドライブにある読み取り磁気ヘッドにより 利用可能なデータとして取り出せます

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

蓄音機の針が レコードの溝を読み取り 音楽を奏でるのと似ています

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

でも 様々な情報を ０と１だけで表現する仕組みは？

Well, by putting lots of them together.

多くの０と１をまとめて使うことで 表現しています

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

例えば １文字は１バイト つまり８ビットで表します

and your average photo takes up several megabytes,

平均的な写真のサイズは 数メガバイト程度です

each of which is 8 million bits.

１メガバイトは 800万ビットに相当します

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

各ビットはディスクの 物理的なスペースに書き込まれるので

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

ディスクの面記録密度を高めること つまり １平方インチあたりに

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

より多くのビット数を詰め込む方法が 常に追求されています

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

最近のハードディスクの面記録密度は １平方インチ辺り約600ギガビットで

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

これは1957年にIBMが製造した 初のハードディスクの３億倍にもなります

This amazing advance in storage capacity

記憶容量のこの様な 目覚ましい向上は

wasn't just a matter of making everything smaller,

すべてを小型化することだけではなく

but involved multiple innovations.

いくつもの発明が積み重なっています

A technique called the thin film lithography process

薄膜リソグラフィーと呼ばれる技術は

allowed engineers to shrink the reader and writer.

技術者による 読み書き磁気ヘッドの 小型化を可能にしました

And despite its size, the reader became more sensitive

その小さなサイズにかかわらず 読み取りの精度は

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

物質の磁性と量子的特性に関する新発明を 応用することで さらに高まりました

Bits could also be packed closer together thanks to mathematical algorithms

また数学的アルゴリズムは ビットの密度をさらに高めました

that filter out noise from magnetic interference,

これは 磁気干渉による ノイズを除去し

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

一群の読み取り信号から 最もらしい 一連のビット値を決定します

And thermal expansion control of the head,

書き込み磁気ヘッドの下に加熱装置を 置くことで可能になった

enabled by placing a heater under the magnetic writer,

ヘッドの熱膨張制御技術は

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

ヘッドがディスクから５ナノメートル未満の 高さで動くことを可能にしました

about the width of two strands of DNA.

これは２本鎖からなる DNAの幅の程度です

For the past several decades,

過去数十年間で

the exponential growth in computer storage capacity and processing power

コンピューターの記憶容量と 処理能力は指数関数的に飛躍を遂げ

has followed a pattern known as Moore's Law,

２年ごとに集積密度が ２倍になると予測した ―

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

1975年に提唱されたムーアの法則通りに 進歩してきました

But at around 100 gigabits per square inch,

しかし １平方インチあたり 約100ギガビットまでくると

shrinking the magnetic grains further or cramming them closer together

磁気粒子の微細化 あるいは 集積化において

posed a new risk called the superparamagnetic effect.

超常磁性効果という 新たな問題が発生しました

When a magnetic grain volume is too small,

磁性粒子の体積が小さすぎると

its magnetization is easily disturbed by heat energy

熱エネルギーによって磁化の状態が 容易に乱され

and can cause bits to switch unintentionally,

意図せずビットが反転してしまい

leading to data loss.

データの損失が起こりうるのです

Scientists resolved this limitation in a remarkably simple way:

科学者たちは 記憶する方向を ヘッドの移動方向から

by changing the direction of recording from longitudinal to perpendicular,

これに垂直な方向に切り替えるという とても単純な方法でこの限界を克服し

allowing areal density to approach one terabit per square inch.

面記録密度を１平方インチあたり １テラビットに近づけることができました

Recently, the potential limit has been increased yet again

最近は 熱を使った磁気記録によって

through heat assisted magnetic recording.

潜在的な限界が さらに 高められました

This uses an even more thermally stable recording medium,

この方法は熱に対して ずっと安定した記憶媒体を使い

whose magnetic resistance is momentarily reduced

特定の場所をレーザーで熱し

by heating up a particular spot with a laser

磁気抵抗を一時的に下げることで

and allowing data to be written.

データの書き込みを可能にしています

And while those drives are currently in the prototype stage,

これらのドライブは現在 試作の段階にありますが

scientists already have the next potential trick up their sleeves:

科学者たちはすでに 次なる技術を秘かに準備しています

bit-patterned media,

ビットパターンドメディアでは

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

ビットをナノサイズの構造として 分離して配列することで

potentially allowing for areal densities of twenty terabits per square inch

１平方インチあたりの面密度を 20テラビットかそれ以上に

or more.

引き上げられる可能性があります

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

何世代にもわたる技術者や

material scientists,

物性物理学者

and quantum physicists

そして量子物理学者のおかげで

that this tool of incredible power and precision

見事な能力と精度を有するこの装置が

can spin in the palm of your hand.

手の平の上で 回転していられるのです