Como Funcionam os Discos Rígidos - HDs

Informática

20/11/2015

Imagine um avião que voa um milímetro acima do solo e circula a Terra uma vez a cada 25 segundos enquanto conta cada folha de grama. Agora encolha tudo para que isto caiba na palma da sua mão, e você terá algo equivalente a um disco rígido moderno, um objeto que provavelmente pode conter mais informações do que a sua biblioteca local.


Então como é possível armazenar tanta informação em um espaço tão pequeno? O coração de cada unidade de disco rígido é uma pilha de discos giratórios de alta velocidade com uma cabeça de gravação voando sobre cada superfície. Cada disco está codificado com uma película de grãos microscópicos de metais magnetizados, e seus dados não vivem lá em um formulário que você pode reconhecer. Em vez disso, os dados são registrados como um padrão magnético formado por grupos desses minúsculos grãos. Em cada grupo, também conhecido como 'bit', todos os grãos detêm o mesmo alinhamento de sua magnetização em um de dois estados possíveis, que correspondem a zeros e uns.


Os dados são gravados no disco através da conversão de sequências de bits em corrente elétrica, alimentada através de um eletroímã. Este ímã gera um campo forte o suficiente para mudar a direção de magnetização do grão de metal. Uma vez que esta informação é gravada no disco, a unidade usa um leitor magnético para transformá-lo de volta em uma forma útil, muito parecido com uma agulha de fonógrafo que traduz sulcos de um registro em música.


Mas como você pode obter tanta informação de apenas zeros e uns? Bem, colocando muitos deles juntos. Por exemplo, uma letra é representada em um byte, ou oito bits, e sua foto média ocupa vários megabytes, cada uma das quais é de 8 milhões de bits.

Como cada bit deve ser escrito em uma área física do disco, estamos sempre buscando aumentar a densidade de área do disco, ou quantos bits podem ser espremidos em uma polegada quadrada. A densidade de área de um disco rígido moderno é de cerca de 600 gigabits por polegada quadrada, 300 milhões de vezes maior do que o primeiro disco rígido da IBM de 1957.


Este incrível avanço em compacidade de armazenamento não foi apenas uma questão de fazer tudo menor, mas envolveu múltiplas inovações. Uma técnica chamada de 'o processo de litografia película fina' permitiu engenheiros encolher o leitor e o escritor do disco. E apesar de seu tamanho, o leitor tornou-se mais sensível tirando partido das novas descobertas em propriedades magnéticas e quântica da matéria.


Bits também puderam ser embalados mais pertos graças a algoritmos matemáticos que filtram o ruído de interferência magnética, e encontram as sequências de bits mais prováveis de cada pedaço de sinal de leitura. E o controle de expansão térmica da cabeça, habilitado pela colocação de um aquecedor sob o escritor magnético, permitiu ao leitor voar menos de cinco nanômetros acima da superfície do disco, basicamente a largura de duas fitas de DNA.


Pelas últimas décadas, o crescimento exponencial da compacidade de armazenamento do computador e seu poder de processamento seguiu um padrão conhecido como Lei de Moore, que em 1975, previu que a densidade de informação dobraria a cada dois anos. Mas em cerca de 100 gigabits por polegada quadrada, encolher mais o grão magnético ou deixá-los mais próximos representava um novo risco, chamado efeito superparamagnético. Quando um volume de grãos magnético é muito pequeno, sua magnetização é facilmente perturbada por energia térmica e pode fazer com que bits mudarem sua magnetização não intencionalmente, levando à perda de dados. Os cientistas resolveram esta limitação de uma forma extremamente simples: mudando a direção de gravação perpendicular para longitudinal, permitindo que a densidade de área chegasse a um terabit por polegada quadrada.


Recentemente, o limite potencial foi aumentado mais uma vez através do calor assistido de gravação magnética. Este utiliza um meio de gravação ainda mais termicamente estável, cuja resistência magnética é momentaneamente reduzida ao aquecer um local especial com um laser e permitir que os dados sejam gravados. E enquanto essas unidades estão atualmente em fase de protótipo, cientistas já tem o próximo potencial para trabalhar: 'bit-patterned media', onde a localizações dos bits são dispostos em estruturas nanométricas separadas, potencialmente permitindo densidades de área de vinte terabits por polegada quadrada ou mais.


Então, é graças aos esforços combinados de gerações de engenheiros, cientistas de materiais, e físicos quânticos que esta ferramenta de incrível poder e precisão pode girar na palma de sua mão.