การทำงานของฮาร์ดดิสก์


 

ลองจินตนาการเครื่องบิน บินอยู่เหนือพื้นโลกเพียง 1 มิลลิเมตร วนรอบโลกทุก 25 วินาที แถมต้องนับใบหญ้าทุกใบที่บินผ่าน ทีนี้ย่อส่วนทุกอย่างลง ให้เล็กพอที่จะอยู่ในฝ่ามือของคุณ และคุณก็จะได้สิ่งที่คล้าย กับฮาร์ดดิสก์ในปัจจุบัน ซึ่งอาจจุข้อมูลได้มากกว่า ห้องสมุดสาธารณะใกล้ ๆ คุณ แล้วมันจุข้อมูลมหาศาลไว้ ภายในเนื้อที่เล็ก ๆ เช่นนี้ได้อย่างไร หัวใจสำคัญของฮาร์ดดิสก์ทุกชิ้น คือ แผ่นจานที่หมุนด้วยความเร็วสูง เรียงซ้อนกัน โดยมีหัวบันทึกลอยอยู่เหนือผิวแต่ละจานนั้น แผ่นจานนี้เคลือบด้วยผลึกโลหะแม่เหล็กขนาดจิ๋วเป็นแผ่นฟิล์มบาง ๆ แต่ข้อมูลของคุณนั้นไม่ได้ถูกบันทึกในฮาร์ดดิสก์ ในรูปแบบที่คุณดูออก แต่จะบันทึกในรูปแบบ การจัดเรียงตัวของขั้วแม่เหล็ก จากกลุ่มผลึกจิ๋วเหล่านั้น กลุ่มผลึกแต่ละกลุ่มนั้นเรียกว่าบิต ซึ่งล้วนมีขั้วแม่เหล็กหันไปในทิศทางเดียวกัน ทิศใดทิศหนึ่ง จากที่ทิศเป็นไปได้ 2 ทิศ หมายถึง 0 หรือ 1 นั่นเอง ข้อมูลถูกเขียนลงไปบนจานแม่เหล็ก ด้วยการแปลงชุดข้อมูลบิตที่ต่อเนื่องกัน ให้เป็นกระแสไฟฟ้า ที่ป้อนผ่านแม่เหล็กไฟฟ้า แม่เหล็กนี้จะสร้างสนามแม่เหล็ก ที่แรงพอที่จะเปลี่ยน ขั้วแม่เหล็กของเหล่าผลึกโลหะ เมื่อข้อมูลเหล่านี้ถูกบันทึกลงบนแผ่นจาน ฮาร์ดดิสก์ก็จะใช้เซนเซอร์ตรวจสนามแม่เหล็ก เพื่อแปลงข้อมูลกลับมาอยู่ในรูปที่เราใช้ได้ เช่นเดียวกับที่เข็มของเครื่องเล่นแผ่นเสียง แปลงร่องขรุขระบนแผ่นเสียงให้เป็นเสียงเพลง แต่เราได้ข้อมูลมหาศาลจาก แค่ตัวเลขศูนย์และหนึ่งได้อย่างไร ก็ด้วยการเอามาเรียงกันเยอะ ๆ ไง ตัวอย่างเช่น ตัวอักษรหนึ่งตัว นับเป็นข้อมูล 1 ไบต์ ซึ่งเท่ากับ 8 บิต และรูปภาพทั่ว ๆ ไปของคุณ กินเนื้อที่หลายเมกะไบต์ แต่ละเมกะไบต์ก็คือ 8 ล้านบิต เนื่องจากแต่ละบิตนั้นกินเนื้อที่ บนผิวจานแม่เหล็ก เราจึงต้องพยายามหาวิธีเพิ่ม ความหนาแน่นเชิงพื้นที่ ซึ่งวัดโดย จำนวนบิตที่บันทึกลงไปได้ ในพื้นที่หนึ่งตารางนิ้ว ความหนาแน่นเชิงพื้นที่ของฮาร์ดดิสก์ในปัจจุบัน อยู่ที่ราว 600 กิกะบิตต่อตารางนิ้ว ซึ่งมากกว่าฮาร์ดดิสก์ตัวแรกที่ไอบีเอ็มสร้างขึ้นเมื่อปี พ.ศ. 2500 ถึง 300 ล้านเท่า ความจุที่เพิ่มขึ้นอย่างน่ามหัศจรรย์นี้ ไม่ใช่เพียงการลดขนาดทุกอย่างให้เล็กลง แต่เกิดจากนวัตกรรมหลาย ๆ อย่าง เทคนิคที่เรียกว่าการพิมพ์ลายฟิล์มบางด้วยแสง ช่วยให้วิศวกรย่อขนาดหัวอ่านและหัวเขียนได้ และแม้ขนาดเล็กลง เซนเซอร์ในหัวอ่านกลับมีความไวสูงขึ้น เพราะเราใช้คุณสมบัติทางแม่เหล็ก และควอนตัมของวัสดุต่าง ๆ ที่เพิ่งค้นพบ แถมบิตยังถูกอัดให้ชิดกันมากขึ้น เพราะอัลกอริทึมทางคณิตศาสตร์ต่าง ๆ ที่กรองสัญญาณแม่เหล็กรบกวนออกไป แถมยังทำนายลำดับบิตที่เป็นไปได้ที่สุด จากสัญญาณอ่านกลับแต่ละท่อนได้ด้วย อีกทั้งการควบคุมการขยายตัวทางความร้อนของหัวเขียน โดยอาศัยขดลวดความร้อนที่ฝังไว้ ทำให้หัวเขียนลอยเหนือแผ่นจานได้ไม่ถึง 5 นาโนเมตร เทียบเท่ากับความกว้างของ DNA สองสาย หลายทศวรรษที่ผ่านมา ความจุและพลังการคำนวณของคอมพิวเตอร์นั้น เติบโตอย่างทวีคูณ เป็นไปตามกฎของมัวร์ ซึ่งพยากรณ์ไว้ในปี พ.ศ. 2518 ว่า ความหนาแน่นของข้อมูลจะทวีคูณขึ้นทุก 2 ปี แต่เมื่อความหนาแน่น เพิ่มถึง 100 กิกะบิตต่อตารางนิ้ว การย่อผลึกแม่เหล็กให้เล็กลงไปอีก หรือเขียนบิตให้ใกล้กันมากขึ้น ก่อให้เกิดปัญหาใหม่ที่เรียกว่า ปรากฏการณ์ซูเปอร์พาราแมกเนติก เมื่อผลึกแม่เหล็กมีปริมาตรเล็กเกินไป ทิศทางขั้วแม่เหล็กจะถูกรบกวนจากพลังงานความร้อนได้ จนอาจกลับทิศได้โดยไม่ตั้งใจ และทำให้สูญเสียข้อมูลไป นักวิทยาศาสตร์แก้ขีดจำกัดนี้ ด้วยวิธีที่ง่ายเหลือเชื่อ โดยการเปลี่ยนทิศขั้วแม่เหล็ก จากขนานกับระนาบจานเป็นแนวตั้งฉาก ทำให้เพิ่มความหนาแน่นข้อมูลได้ จนเกือบถึง 1 เทราบิตต่อตารางนิ้ว ไม่นานมานี้ ก็เพิ่มขีดความสามารถนี้ได้อีก โดยการใช้ความร้อนช่วยบันทึกข้อมูลแม่เหล็ก เทคนิคนี้ใช้สื่อบันทึกที่เสถียรต่อความร้อนกว่าเดิม ซึ่งความเสถียรนี้จะถูกลดลงชั่วขณะ ด้วยการยิงเลเซอร์เพื่อให้ความร้อนเฉพาะจุด เพื่อให้บันทึกข้อมูลลงไปได้ แม้ว่าฮาร์ดดิสก์ที่ใช้เทคโนโลยีนี้ ยังเป็นเพียงต้นแบบ แต่นักวิทยาศาสตร์ก็มีกลเม็ดอีกอย่าง เตรียมไว้แล้ว นั่นก็คือ แผ่นจานแม่เหล็กลายบิต ซึ่งแต่ละบิตจะถูกบันทึกลงใน โครงสร้างระดับนาโน ซึ่งน่าจะช่วยเพิ่มความหนาแน่นเชิงพื้นที่ ให้ถึง 20 เทระบิต ต่อ ตารางนิ้ว หรือสูงกว่านั้น ต้องขอบคุณความพยายามของเหล่าวิศวกร นักวัสดุศาสตร์ และนักฟิสิกส์ควอนตัม หลายชั่วรุ่น ที่ทำให้อุปกรณ์อันทรงพลัง และแม่นยำน่าทึ่งชิ้นนี้ หมุนติ้วอยู่ในมือของคุณได้

 

เนื้อหาด้านบน นำมาจากคำบรรยายของคลิป Youtube นะครับ ถ้าชอบก็อย่าลืมกดตามด้วยครับผม