هارد درایو چه‌گونه کار می‌کند؟

هواپیمایی را تصور کنید که در ارتفاع یک میلی متر بالاتر از سطح زمین در حال پرواز است. این هواپیما در هر 25 ثانیه یک دور به دور زمین می‌چرخد و همه برگ‌های علف را نیز می‌شمارد. حال همه این‌ها را که گفتیم فشرده کنید تا اندازه کف دستتان شود. اکنون شما چیزی شبیه به یک هارد درایو دارید؛ پدیده‌ای که می‌تواند از اطلاعاتی بیش از کتابخانه محلی شهرتان نگهداری کند.
اما چطور این حجم زیاد در چنین فضای کمی ذخیره می‌شود؟
در قلب هر هارد درایو تعدادی صفحه وجود دارد که با سرعتی بسیار زیاد در حال چرخیدن هستند. بالای هر کدام از این صفحه‌ها یک هد ضبط کننده معلق وجود دارد و این صفحه‌ها با یک لایه از دانه‌های میکروسکوپی باردار پوشیده شده است. داده‌های شما آن‌طوری که بتوانید آن‌ها را شناسایی کنید، وجود ندارند؛ در عوض به شکل یک الگوی مغناطیسی نگهداری می‌شوند که توسط گروه‌هایی از این دانه‌های کوچک شکل گرفته است. در هر گروه که با نام «بیت» شناخته می‌شود، تمام دانه‌های مغناطیسی در یکی از دو حالت ممکن صفر و یک، ردیف هستند. داده‌ها با تبدیل رشته‌های بیت به جریان الکتریکی، به وسیله یک آهن ربای الکتریکی، در صفحات نوشته می شوند. این آهن ربا میدانی آنچنان قوی می سازد که جهت بار مغناطیسی دانه های فلزی را تغییر بدهد. وقتی این اطلاعات در صفحه نوشته شد، درایور از یک مغناطیس خوان (magnatic reader) استفاده می کند تا آن را به شکل قابل استفاده اش تبدیل کند؛ مثل سوزن گرامافون که شیارها را به موسیقی برمی گرداند.
اما چطور فقط از صفر و یک می توان این همه اطلاعات به دست آورد؟
خب با گذاشتن تعداد زیادی از آن ها در کنار هم؛ به طور مثال، یک حرف با یک بایت یا 8 بیت نشان داده می شود و یک عکس معمولی چند مگابایت فضا می گیرد که هر کدامش 8 میلیون بیت است؛ زیرا هر بیت باید در فضای فیزیکی نوشته شود. ما همیشه به دنبال آن هستیم که ضخامت سطح صفحه را افزایش داده یا بدانیم که چند بیت را می توان در یک اینچ مربع جا داد.
ظرفیت هارد درایو های مدرن حدود 600 گیگابیت در هر اینچ مربع است. این مقدار 300 میلیون بار بیش‌تر  از اولین هارد درایو «IBM»  است که در سال 1957 میلادی ساخته شد. این پیشرفت شگفت انگیز در ظرفیت ذخیره سازی فقط برای کوچک کردن همه چیز نیست، اما با این حال نوآوری های زیادی را با خود به همراه داشته است. روشی به نام «فرایند لیتوگرافی لایه نازک» به موتورها اجازه می‌دهد «Reader» و «Writer» را کوچک کنند.
به کمک کشفیات جدید و ویژگی‌های مغناطیسی و کوانتمی، ریدرها با وجود اندازه‌شان حساس‌تر می‌شوند و به لطف الگوریتم‌های ریاضی، بیت‌ها می توانند نسبت به هم نزدیک‌تر قرار بگیرند؛ زیرا الگوریتم‌ها باعث از بین رفتن پارازیت در تداخلات مغناطیسی و پیدا کردن ممکن‌ترین رشته بیت در هر بخش می‌شوند.
کنترل انبساط حرارتی هد که به کمک قرار دادن یک گرم کن زیر Writer مغناطیسی ایجاد شده است، به هد اجازه می‌دهد که در فاصله‌ای کمتر از 5 نانومتر از سطح صفحه، معلق باشد. این فاصله به اندازه پهنای دو رشته «DNA» است.
در دهه‌های گذشته رشد رو به افزایش ظرفیت ذخیره سازی و قدرت پردازش از الگویی به نام «قانون مور» پیروی کرده است. این قانون در سال 1975 میلادی پیش بینی کرد که حجم اطلاعات در هر 2 سال دو برابر خواهد شد.
اما کوچک کردن دانه‌های مغناطیسی حدود 100 گیگابیت در هر اینچ مربع یا نزدیک‌تر قرار دادن آن‌ها، خطر جدیدی را به نام اثر سوپر پارا مغناطیسی ایجاد می‌کند. وقتی اندازه یک دانه مغناطیسی خیلی کم باشد، بار مغناطیسی به راحتی توسط حرارت پخش و باعث می‌شود که بیت‌ها تصادفی جا به جا شده و اطلاعات از دست بروند. دانشمندان این ایراد را با یک راه حل ساده برطرف کرده‌اند. آن‌ها دستورالعمل ثبت داده‌ها را از طولی به عمودی تغییر دادند و این کار اجازه دسترسی به یک ترابیت در هر اینچ مربع را به آن‌ها داد.
این ایراد (محدودیت) بالقوه دوباره با ضبط مغناطیسی حرارتی افزایش پیدا کرده است. این روش از یک واسطه حرارتی باثبات‌تر استفاده می‌کند که مقاومت مغناطیسی‌اش هر لحظه با گرم کردن نقطه‌ای خاص به وسیله لیزر و اجازه ثبت داده‌ها کم می‌شود. با این که این درایورها در حد نمونه های اولیه هستند، دانشمندان از پیش حقه‌های بعدی را در آستین دارند؛ وسیله‌ای بر اساس الگوی بیتی که در آن بیت‌ها در ساختارهایی جداگانه و در اندازه نانو قرار گرفته‌اند و به طور بالقوه امکان وجود بیش از 20 ترابیت در هر اینچ مربع یا بیشتر را می‌دهند.
بنابراین به لطف تلاش در هم آمیخته نسل‌هایی از مهندس‌ها، دانشمندان مواد و فیزیکدان‌های کوانتوم، این ابزار فوق‌العاده در عرصه قدرت و دقت می‌تواند کف دستان شما بچرخد.