Grabando y leyendo un disco duro: el magnetismo en la vida cotidiana

02 Jun 2017
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Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

En un artículo previo he descrito las principales características físicas del que en la actualidad es el principal medio de almacenamiento de datos en un ordenador, el disco duro (en lo que sigue, HD). Como continuación de ese texto, en este describiré cómo se guarda y lee la información en un HD. Recomiendo leer previamente el anterior, para facilitar la lectura de este.


1. Proceso de grabación/lectura de un HD

Como ya he indicado en el artículo anterior, los HD modernos tienen varios platos y cabezas lectoras, de manera que cuando hablamos de “Disco Duro”, en realidad estamos hablando de varios de esos discos, agrupados en una columna, que pueden grabarse por ambas caras y que, por consiguiente, necesitan de una cabeza lectora y una grabadora por cada una de las caras del disco. Recuérdese que cada disco de los que integran el HD tiene dos elementos esenciales: el soporte físico y el recubrimiento de una capa de material magnético, constituida por imanes microscópicos que se pueden orientar mediante un campo magnético externo.

Cuando el HD no tiene datos almacenados, los imanes del recubrimiento superficial del plato no tienen ninguna orientación determinada. En el proceso de escritura o grabación del HD, se hace circular una corriente por la cabeza de escritura, creando en su punta un campo magnético muy intenso que, al ponerse muy cerca de la superficie del HD, polariza los imanes microscópicos de su interior y los orienta en dos direcciones opuestas, esas orientaciones son los “unos” y los “ceros” que codifican la información grabada; según va rotando el disco, la cabeza grabadora va orientándolos y por consiguiente, escribiendo los datos. La figura lo ilustra de forma muy intuitiva:

Izquierda: ilustración simplificada del proceso de grabación de datos en la superficie de un HD. Derecha: esquema del proceso completo de grabación, en el que la cabeza grabadora va orientando los imanes de la “storage layer” (capa de almacenamiento) en posiciones “arriba” y “abajo” en un determinado sector del HD, señalado en la figura.

La otra cabeza del HD, la lectora, lee la información grabada sin modificar la orientación de las partículas del disco; en la operación de lectura, la cabeza pasa por encima de los imanes microscópicos orientados y en lugar de orientarlos de nuevo, se limita a detectar la dirección de la orientación en cada zona por la que pasa. Si la orientación del campo magnético no cambia de una zona a la siguiente, no se induce ninguna corriente en la cabeza lectora, que ésta interpreta como un “cero”. Por el contrario, cuando la orientación cambia de una zona a la siguiente, se induce una corriente en la cabeza de lectura, que interpreta el dato como un “uno”. Todo el proceso ocurre a la asombrosa velocidad de giro del plato de entre 7.000 y 10.000 revoluciones por minuto (r.p.m.)

Con objeto de almacenar mayor cantidad de datos, las capas de grabación pueden magnetizarse en dirección vertical en vez de en horizontal, lográndose una densidad de datos por unidad de superficie mucho mayor en este último caso, ya que el almacenamiento perpendicular proporciona una densidad de almacenamiento tres veces superior al más tradicional procedimiento de grabación en sentido longitudinal. El procedimiento vertical fue usado por primera vez por Toshiba en 1989 en los discos flexibles de 3,5 pulgadas de diámetro, pero no fueron bien recibidos en el mercado. Su uso se ha generalizado en los HD desde 2005, aproximadamente.

El almacenamiento longitudinal tiene una densidad de almacenamiento que puede llegar a 100-200 Gb/pulgada2 (para cuantificar este dato, se utiliza una unidad poco usual en Europa, la pulgada cuadrada, es decir, 2,54 x 2,54 cm2 = 6,45 cm2).  Por el contrario, se estima que el almacenamiento perpendicular permite guardar datos hasta densidades en el orden de 1 Tbit/ pulgada2 (1000 Gbit/pulgada2). De hecho, hay HD comerciales con 667 Gb/ pulgada2.

Cuanta mayor es la densidad de información que guarda el plato del HD, más pequeños son los dominios magnéticos que codifican la información y más cerca de la superficie deben sobrevolar las cabezas lectora/grabadora para que el campo magnético que crean en su punta sea suficiente para grabar en el primer caso o leer en el segundo los datos. Es por eso que en los HD actuales, la separación entre las cabezas y la superficie está por debajo de los 5 nm.  La figura siguiente muestra los detalles:

Izquierda: grabación en horizontal (arriba) y en vertical (abajo) de la capa magnética (“recording layer”) del plato de un HD. Derecha: imagen tomada por microscopía electrónica de una zona de dominios magnéticos con “imanes” microscópicos con una orientación (en naranja) u otra (en violeta) grabados. Se muestra también la escala para apreciar el tamaño que ocupa cada bit.

 

 2. Los HD actuales y su previsible evolución

Para organizar la ingente cantidad de datos que almacena un HD (los más modernos tienen una capacidad de 5 TB) y poder acceder rápidamente a una determinada información, los datos grabados en los platos se organizan en zonas; cada plato se divide en pistas (cientos de ellas), puestas en círculos concéntricos muy estrechos sobre su superficie, en una estructura similar a la de los anillos anuales del tronco de un árbol.

La cantidad de información que hay en cada pista sigue siendo enorme, por lo que cada una se divide a su vez en sectores. Los primeros HD que utilizaban los ordenadores personales tenían 17 sectores por pista. En los HD actuales hay miles de sectores en una única pista.

La capacidad de los HD ha crecido de manera espectacular durante los últimos 50 años, lo que se muestra en la siguiente imagen, que detalla la evolución de la densidad de almacenamiento por unidad de área desde principios de los 90 hasta el momento presente y las proyecciones hasta 2025. La figura muestra lo que se conoce como la ley de Kryder de los HD, el equivalente de la ley de Moore para la densidad de transistores de un chip:

Izquierda: un disco de 5,25 pulgadas de diámetro, con 20 pistas concéntricas definidas en su superficie. Cada pista se divide, a su vez, en 16 sectores no visibles para organizar la información almacenada. Derecha: evolución de la densidad de información de los HD (expresada en Gbits/pulgada2), según la hoja de ruta diseñada en 2015 por el “International Magnetic Tape Storage Roadmap”, que agrupa a las principales empresas del sector. La escala del eje vertical es logarítmica.

La densidad de almacenamiento que tienen en la actualidad los HD se ha conseguido mediante cambios en los materiales de los platos, en los diámetros de estos, en la tecnología de los cabezales, etc. El ritmo de aumento se ha movido entre el 25% y el 100% cada año, y ahora lo hace a un ritmo del 25-40% anual. Es poco probable que ese ritmo vuelva a ser de un 100% de tasa anual, ya que están irrumpiendo con fuerza en el mercado otros dispositivos de almacenamiento, las memorias flash, basadas en semiconductores, que poco a poco irán sustituyendo en los próximos años a los HD, al ser más fiables que estos últimos.

Recientemente, IBM ha anunciado una nueva memoria en la que la unidad de almacenamiento es ¡un único átomo! Si esta idea progresa, se abriría una nueva era en el almacenamiento de la información; no obstante, es muy pronto para saber si es una idea viable desde un punto de vista comercial.


3. A modo de conclusión

Para hacerse una idea de lo que es un HD moderno, imagine el lector que aumentamos el tamaño del mismo un millón de veces. Los parámetros característicos del mismo (velocidad de giro del plato, separación de los cabezales de grabado-lectura, etc.), serían los que recoge la siguiente figura:

En el siguiente video se resume el contenido de los dos artículos dedicados al HD:


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