How do hard drives work? - Kanawat Senanan

Переводчик: Anastasia Mishina Редактор: Yulia Kallistratova

Представьте самолёт, летающий на высоте одного миллиметра над землёй

Imagine an airplane flying one millimeter above the ground

and circling the Earth once every 25 seconds

и делающий один оборот вокруг Земли за 25 секунд,

в то же время считая каждую травинку.

while counting every blade of grass.

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

Теперь представьте, что всё это поместилось у вас на ладони,

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

и вы полýчите аналог современного жёсткого диска —

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

устройства, способного хранить больше информации, чем ваша районная библиотека.

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

Но как столько информации помещается на таком маленьком пространстве?

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

Внутри каждого жёсткого диска есть блок быстро вращающихся дисков

с записывающими головками, передвигающимися над их поверхностью.

with a recording head flying over each surface.

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

Каждый из дисков покрыт

плёнкой из микроскопических намагниченных металлических ячеек,

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

где ваши данные хранятся в непривычном для вас виде.

Instead, it is recorded as a magnetic pattern

Они записаны как магнитная структура,

formed by groups of those tiny grains.

состоящая из групп этих маленьких ячеек.

In each group, also known as a bit,

В каждой группе, также известной как «бит»,

все ячейки намагничены

all of the grains have their magnetization's aligned

в одном из двух возможных состояний,

in one of two possible states,

which correspond to zeroes and ones.

соответствующих нулю или единице.

Data is written onto the disc

Данные записываются на диск

by converting strings of bits into electrical current

путём конвертирования битовых цепочек в электрический ток,

fed through an electromagnet.

проходящий через электромагнит.

This magnet generates a field strong enough to change the direction

Этот магнит создаёт поле достаточно сильное,

чтобы изменить направление намагниченности металлических частиц.

of the metal grain's magnetization.

Once this information is written onto the disc,

Для извлечения с жёсткого диска записанной информации

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

используется магнитный считыватель.

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

Это напоминает то, как игла патефона переводит записанную дорожку в музыку.

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

Но как же можно получить столько информации лишь из нулей и единиц?

Well, by putting lots of them together.

Нужно поместить их в большом количестве в одном месте.

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

Например, одна буква записывается при помощи одного байта или восьми битов,

and your average photo takes up several megabytes,

а ваше фото в среднем занимает несколько мегабайт,

each of which is 8 million bits.

где каждый состоит из 8 миллионов битов.

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

Так как каждый бит занимает определённое физическое пространство на диске,

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

мы всегда стремимся увеличить плотность дискового пространства,

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

иными словами, количество битов, которые могут поместиться на квадратном дюйме.

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

Сейчас плотность записи составляет порядка 600 Гбит на кв. дюйм,

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

что в 300 миллионов раз больше, чем на первом жёстком диске IBM 1957 года.

This amazing advance in storage capacity

Это поразительное увеличение объёма памяти было достигнуто

wasn't just a matter of making everything smaller,

не только путём уменьшения размера составных частей диска,

but involved multiple innovations.

но и благодаря множеству инновационных разработок.

A technique called the thin film lithography process

Технология получения тонких плёнок

allowed engineers to shrink the reader and writer.

позволяет инженерам уменьшать считыватель и записывающее устройство.

And despite its size, the reader became more sensitive

Несмотря на свой размер, считыватель стал более чувствительным

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

благодаря новым открытиям в области магнитных и квантовых свойств материи.

Bits could also be packed closer together thanks to mathematical algorithms

Биты можно расположить более компактно благодаря математическим алгоритмам

that filter out noise from magnetic interference,

фильтрации шумов от магнитных помех

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

и подбора подходящей последовательности для битов из каждого считываемого сигнала.

And thermal expansion control of the head,

Контроль теплового расширения считывающей головки

enabled by placing a heater under the magnetic writer,

при помощи нагрева магнитного записывающего устройства

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

не позволяет ей подниматься более чем на пять нанометров над поверхностью диска —

about the width of two strands of DNA.

это примерная ширина двух цепочек ДНК.

For the past several decades,

На протяжении последних десятилетий экспоненциальный рост возможностей

the exponential growth in computer storage capacity and processing power

компьютерного хранилища и вычислительной мощности

has followed a pattern known as Moore's Law,

происходил по закону Мура,

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

который в 1975 году предсказал,

что плотность записываемой информации будет удваиваться каждые два года.

Но при плотности примерно 100 Гбит на кв. дюйм

But at around 100 gigabits per square inch,

shrinking the magnetic grains further or cramming them closer together

дальнейшее уменьшение магнитных ячеек или их сближение

posed a new risk called the superparamagnetic effect.

вызывает новый риск — суперпарамагнетизм.

When a magnetic grain volume is too small,

Когда объём намагниченной ячейки слишком мал,

its magnetization is easily disturbed by heat energy

её намагниченность может быть легко нарушена тепловой энергией,

and can cause bits to switch unintentionally,

что может привести биты к непреднамеренному переключению

leading to data loss.

и последующей потере информации.

Scientists resolved this limitation in a remarkably simple way:

Учёные справились с этим ограничением удивительно просто:

by changing the direction of recording from longitudinal to perpendicular,

они изменили направление записи информации с вертикального на перпендикулярное

allowing areal density to approach one terabit per square inch.

и достигли плотности записи на диск, равной 1 Тбит на кв. дюйм.

Recently, the potential limit has been increased yet again

А недавно потенциальный лимит вырос ещё больше

through heat assisted magnetic recording.

благодаря термомагнитной записи.

This uses an even more thermally stable recording medium,

Она использует ещё более термостабильный носитель,

whose magnetic resistance is momentarily reduced

чьё магнитное сопротивление временно сокращается

by heating up a particular spot with a laser

путём нагрева определённого участка лазерным лучом,

and allowing data to be written.

позволяя запись информации.

And while those drives are currently in the prototype stage,

И пока для таких дисков пока ещё существуют лишь прототипы,

scientists already have the next potential trick up their sleeves:

у учёных уже есть идеи потенциальных разработок:

bit-patterned media,

структурированный носитель данных,

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

биты в котором располагаются в отдельных наноструктурах,

что может позволить увеличить плотность записи до 20 Тбит на кв. дюйм

potentially allowing for areal densities of twenty terabits per square inch

or more.

или даже больше!

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

Итак, благодаря совместным усилиям нескольких поколений инженеров,

material scientists,

материаловедов и квантовых физиков,

and quantum physicists

that this tool of incredible power and precision

это устройство невероятной мощности и точности

can spin in the palm of your hand.

может поместиться на вашей ладони.