How do hard drives work? - Kanawat Senanan

Translator: Kanawat Senanan Reviewer: Kelwalin Dhanasarnsombut

Imagine an airplane flying one millimeter above the ground

ลองจินตนาการถึงเครื่องบินโดยสาร ที่บินอยู่เหนือพื้นโลกเพียง 1 มิลลิเมตร

and circling the Earth once every 25 seconds

ด้วยความเร็วที่จะบินได้รอบโลก ทุก ๆ 25 วินาที

while counting every blade of grass.

แถมต้องนับใบหญ้าทุกใบที่มันบินผ่าน

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

ทีนี้ย่อส่วนทุกอย่างลง ให้เล็กพอที่จะอยู่ในมือของคุณ

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

และคุณก็จะได้สิ่งที่เทียบเคียง กับฮาร์ดดิสก์ในปัจจุบัน

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

มันคือวัตถุที่อาจจะจุข้อมูลได้มากกว่า ห้องสมุดสาธารณะในเมืองของคุณ

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

แล้วมันจุข้อมูลมหาศาลไว้ ภายในเนื้อที่เล็ก ๆ เช่นนี้ได้อย่างไร

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

หัวใจสำคัญของฮาร์ดดิสก์ทุกชิ้น คือ แผ่นจานที่เรียงซ้อนกัน ที่หมุนด้วยความเร็วสูง

with a recording head flying over each surface.

โดยมีหัวบันทึกบินอยู่เหนือผิว แต่ละด้านของจานนั้น

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

แผ่นจานถูกเคลือบด้วยแผ่นฟิล์มบาง ๆ ที่ก่อขึ้น จากผลึกขนาดจิ๋วของโลหะที่เป็นสารแม่เหล็ก

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

แต่ข้อมูลของคุณนั้นไม่ได้ถูกบันทึกในฮาร์ดดิสก์ ในรูปแบบที่คุณจะมองออก

Instead, it is recorded as a magnetic pattern

มันถูกบันทึกในรูปแบบ การจัดเรียงตัวของขั้วแม่เหล็ก

formed by groups of those tiny grains.

ของกลุ่มผลึกจิ๋วเหล่านั้น

In each group, also known as a bit,

กลุ่มผลึกแต่ละกลุ่มนั้น เราเรียกมันว่าบิต (bit)

all of the grains have their magnetization's aligned

ซึ่งล้วนมีขั้วแม่เหล็กหันไปในทิศทางเดียวกัน ทิศใดทิศหนึ่ง

in one of two possible states,

จากที่ทิศเป็นไปได้ 2 ทิศ

which correspond to zeroes and ones.

ซึ่งนั่นก็หมายถึงบิต 0 หรือ 1 นั่นเอง

Data is written onto the disc

ข้อมูลถูกเขียนลงไปบนจานแม่เหล็ก

by converting strings of bits into electrical current

โดยการแปลงชุดข้อมูลบิตที่ต่อเนื่องกัน ให้เป็นกระแสไฟฟ้า

fed through an electromagnet.

แล้วป้อนเข้าสู่แม่เหล็กไฟฟ้า

This magnet generates a field strong enough to change the direction

แม่เหล็กไฟฟ้าชิ้นนี้จะสร้างสนามแม่เหล็ก ที่แรงพอที่จะเปลี่ยนทิศทาง

of the metal grain's magnetization.

ขั้วแม่เหล็กของเหล่าผลึกโลหะ

Once this information is written onto the disc,

เมื่อข้อมูลเหล่านี้ถูกเขียนลง บนแผ่นจานแม่เหล็ก

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

ฮาร์ดดิสก์ก็จะใช้เซนเซอร์ตรวจสนามแม่เหล็ก แปลงมันกลับมาให้อยู่ในรูปที่ใช้ประโยชน์ได้

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

เช่นเดียวกับที่เข็มของเครื่องเล่นแผ่นเสียง แปลงร่องขรุขระบนแผ่นเสียงให้เป็นเสียงเพลง

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

แต่เราได้ข้อมูลมหาศาลจาก แค่ตัวเลขหนึ่งและศูนย์ได้อย่างไร

Well, by putting lots of them together.

ก็เอามันมาเรียงกันเยอะ ๆ น่ะสิ

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

ตัวอย่างเช่น หนึ่งตัวอักษรนั้น นับเป็นข้อมูล 1 ไบต์ ซึ่งเท่ากับ 8 บิต

and your average photo takes up several megabytes,

และรูปภาพทั่ว ๆ ไปของคุณ ก็กินเนื้อที่หลายเมกะไบต์

each of which is 8 million bits.

แต่ละเมกะไบต์ก็คือ 8 ล้านบิต

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

และเนื่องจากแต่ละบิตนั้นกินเนื้อที่ บนผิวของจานแม่เหล็กเมื่อมันถูกเขียนลงไป

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

เราจึงต้องพยายามที่จะหาหนทางเพื่อที่ จะเพิ่ม ความหนาแน่นเชิงพื้นที่ (areal density)

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

ซึ่งวัดกันโดย จำนวนบิตที่สามารถ บันทึกลงไปในพื้นที่หนึ่งตารางนิ้ว

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

ความหนาแน่นเชิงพื้นที่ของฮาร์ดดิส์ในปัจจุบัน คือประมาณ 600 กิกะบิตต่อตารางนิ้ว

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

300 ล้านเท่าของฮาร์ดดิส์ตัวแรก ที่ IBM สร้างขึ้นเมื่อปี ค.ศ. 1957

This amazing advance in storage capacity

การเพิ่มขึ้นอย่างมหัศจรรย์ ของความจุของฮาร์ดดิสก์

wasn't just a matter of making everything smaller,

ไม่ใช่แค่การลดขนาดทุกอย่างให้เล็กลง

but involved multiple innovations.

แต่มันเกี่ยวข้องกับนวัตกรรมหลาย ๆ อย่าง

A technique called the thin film lithography process

เทคนิคที่เรียกว่ากระบวนการพิมพ์ลายด้วยแสง

allowed engineers to shrink the reader and writer.

ช่วยให้วิศวกรย่อขนาดหัวอ่านและหัวเขียนได้

And despite its size, the reader became more sensitive

และแม้ด้วยขนาดที่เล็กลง เซนเซอร์ในหัวอ่านนั้นก็ยังมีความไวสูงขึ้น

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

โดยการใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางแม่เหล็ก และทางควอนตัม ของวัสดุต่าง ๆ

Bits could also be packed closer together thanks to mathematical algorithms

แถมบิตก็ยังถูกบันทึกให้ชิดกันมากขึ้น ซึ่งต้องขอบคุณวิธีทางคณิตศาสตร์ต่าง ๆ

that filter out noise from magnetic interference,

ที่ช่วยกรองเอาสัญญาณรบกวน และการบิดเบือนของสัญญาณออกไป

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

แถมยังสามารถทำนายชุดข้อมูลบิตที่น่าจะเป็นไปได้ มากที่สุดจากสัญญาณที่อ่านขึ้นมาจากจานแม่เหล็ก

And thermal expansion control of the head,

และการควบคุมการขยายตัวทางความร้อนของหัวเขียน

enabled by placing a heater under the magnetic writer,

โดยอาศัยขดลวดความร้อนที่ฝังไว้ใต้หัวเขียน

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

ทำให้มันบินใกล้แผ่นจาน ได้ใกล้กว่า 5 นาโนเมตร

about the width of two strands of DNA.

นั่นเทียบเท่ากับ DNA เพียงแค่สองสาย

For the past several decades,

หลายทศวรรษที่ผ่านมา

the exponential growth in computer storage capacity and processing power

การเติบโตอย่างทวีคูณของความจุ และพลังการคำนวณของคอมพิวเตอร์นั้น

has followed a pattern known as Moore's Law,

เป็นไปตามรูปแบบที่รู้จักกัน ในชื่อว่ากฎของมัวร์

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

ซึ่งในปี ค.ศ. 1975 ได้มีการทำนายว่า ความหนาแน่นของข้อมูลจะทวีคูณขึ้นทุก ๆ 2 ปี

But at around 100 gigabits per square inch,

แต่เมื่อความหนาแน่น เพิ่มถึง 100 กิกะบิตต่อตารางนิ้ว

shrinking the magnetic grains further or cramming them closer together

การย่อขนาดของผลึกแม่เหล็กให้เล็กลงไปอีก หรือเขียนบิตให้ใกล้กันมากขึ้น

posed a new risk called the superparamagnetic effect.

ก่อให้เกิดปัญหาใหม่ที่เรียกว่า ปรากฏการณ์ซูเปอร์พาราแมกเนติก

When a magnetic grain volume is too small,

ซึ่งเมื่อผลึกแม่เหล็ก มีปริมาตรเล็กลงจนถึงจุดหนึ่ง

its magnetization is easily disturbed by heat energy

ทิศทางของขั้วแม่เหล็กของมัน จะถูกรบกวนด้วยพลังงานความร้อน

and can cause bits to switch unintentionally,

จนอาจเกิดการกลับทิศได้โดยไม่ตั้งใจ

leading to data loss.

และนำไปสู่การสูญเสียข้อมูลในที่สุด

Scientists resolved this limitation in a remarkably simple way:

เหล่านักวิทยาศาสตร์ได้แก้ไข้ขีดจำกัดนี้ ด้วยวิธีที่ง่ายเหลือเชื่อ

by changing the direction of recording from longitudinal to perpendicular,

โดยการเปลี่ยนทิศขั้วแม่เหล็กจากในแนวขนาน กับระนาบของจาน เป็นแนวตั้งฉาก

allowing areal density to approach one terabit per square inch.

ทำให้ความหนาแน่นของข้อมูลเพิ่มต่อไปได้ จนเกือบถึง 1 เทราบิตต่อตารางนิ้ว

Recently, the potential limit has been increased yet again

ไม่นานมานี้ ขีดจำกัดด้านความหนาแน่น เชิงพื้นที่ก็ได้ถูกเพิ่มขึ้นไปอีกครั้งหนึ่ง

through heat assisted magnetic recording.

โดยการใช้ความร้อน เพื่อช่วยในการบันทึกข้อมูลเชิงแม่เหล็ก

This uses an even more thermally stable recording medium,

เทคนิคนี้ใช้สื่อในการบันทึก ที่มีความเสถียรต่อการสูญเสียข้อมูลโดยความร้อน

whose magnetic resistance is momentarily reduced

ซึ่งความเสถียรนี้จะถูกลดลงชั่วขณะ

by heating up a particular spot with a laser

โดยใช้เลเซอร์เพื่อให้ความร้อนเป็นจุดเล็ก ๆ

and allowing data to be written.

เพื่อให้ข้อมูลสามารถถูกเขียนลงไปได้

And while those drives are currently in the prototype stage,

แม้ว่าฮาร์ดดิสก์ที่ใช้เทคโนโลยีนี้ ยังอยู่ในขั้นต้นแบบ

scientists already have the next potential trick up their sleeves:

เหล่านักวิทยาศาสตร์ก็มีกลเม็ดอีกชิ้นหนึ่ง เตรียมพร้อมไว้แล้ว

bit-patterned media,

นั่นก็คือ แผ่นจานแม่เหล็ก ที่ทำลวดลายของบิตไว้แล้ว

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

ซึ่งบิตแต่ละบิตจะถูกบันทึกลงในโครงสร้าง คล้ายเกาะเล็ก ๆ ระดับนาโน

potentially allowing for areal densities of twenty terabits per square inch

ซึ่งด้วยวิธีนี้คาดกันไว้ว่าจะช่วยเพิ่ม ความหนาแน่นขึ้นไปถึง 20 เทระบิต ต่อ ตารางนิ้ว

or more.

หรือสูงกว่านั้น

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

ต้องขอบคุณความพยายามของเหล่าวิศวกร

material scientists,

นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ

and quantum physicists

และนักฟิสิกส์ควอนตัม หลายชั่วรุ่น

that this tool of incredible power and precision

ที่ช่วยทำให้อุปกรณ์อันทรงพลัง และความแม่นยำอันน่าทึ่งนี้

can spin in the palm of your hand.

หมุนติ้วอยู่ในมือของคุณ