Un poco de ciencia, por favor

Los orígenes del almacenamiento de la información (VI): proceso de grabación y lectura de discos duros magnéticos

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

Sexto artículo de la serie dedicada a los procedimientos para guardar la información. El artículo anterior lo dediqué a describir el nacimiento del disco duro magnético (en lo que sigue, HD), en este describiré cómo se guarda y lee la información en uno de estos dispositivos, anticipo que voy a describir lo que sin duda es una verdadera maravilla de la tecnología electrónica.

1. El HD actual

Los HD modernos pueden tener 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/grabadora por cada una de las caras del disco:

Los orígenes del almacenamiento de la información (VI): proceso de grabación y lectura de discos duros magnéticos

Interior de un HD desprovisto de la carcasa de protección. Recuerda mucho a los populares "tocadiscos", pero su funcionamiento no tiene nada que ver con estos últimos. Se muestra junto a una moneda de un euro para hacerse una idea del tamaño.

 

1.1 El soporte físico: los discos o platos

Un HD tiene uno o más discos extraordinariamente planos, que se denominan también platos, donde se almacena la información. Cada disco/plato contiene dos elementos esenciales: el sustrato, que es un material que hace de soporte mecánico y le confiere consistencia, y una capa superficial o recubrimiento de un material magnético, que es donde realmente se graban los datos. La calidad de ambos constituyentes –sustrato y recubrimiento magnético– es crítica.

El material del sustrato, además de rígido, debe ser fácil de moldear, ligero, estable, magnéticamente inerte, económico y abundante. El más utilizado hasta la fecha es el aluminio y alguna de sus aleaciones, ya que reúne todos esos requisitos.

Por lo que respecta al recubrimiento magnético, este es una fina capa de una aleación de Co-Cr-Pt-TaCo-Pt-Ni, Co-Fe, etc.; dicha capa contiene lo que se denominan "dominios magnéticos", que son algo parecido a imanes microscópicos, que en presencia de un campo magnético externo se pueden orientar en dos  direcciones: "arriba/abajo" o "izquierda/derecha"; esto es algo similar a lo que ocurre con las ferritas de las memorias de núcleo magnético, que vimos en un artículo anterior. Esas direcciones y su secuencia en el disco representan los "unos y los "ceros", es decir, los bits en los que está codificada la información.

El campo magnético que orienta o lee la dirección de esos imanes microscópicos es creado por una cabeza grabadora que describiré en el siguiente párrafo. El recubrimiento magnético del disco/plato es la región donde se almacena la información y es extremadamente delgada, del orden de 10 a 20 nm de grosor -por comparación, una hoja de papel tiene 100.000-200.000 nm de grosor- [1].

1.2 Los cabezales de grabación y lectura

La grabación y la lectura de la información la realizan unas cabezas lectoras/grabadoras, que están separadas del plato una distancia extraordinariamente pequeña, lo que condiciona enormemente la extrema planitud que deben tener los discos para evitar daños irreversibles. Ambas cabezas contienen pequeñísimos electroimanes en su punta para crear un campo magnético que, en el caso de la cabezas grabadoras, dirigen la orientación de los imanes que se requiere en la capa magnética de la superficie del HD; mientras que en el caso de las cabezas lectoras, los electroimanes detectan la orientación de los imanes microscópicos del disco, sin modificar su orientación.

Es verdaderamente asombroso lo cerca que circulan los cabezales de escritura/lectura sobre la superficie de los discos sin tocarlos. En los primeros HD, esa distancia era del orden de 100 nm, pero en los actuales, es una cifra tan reducida como 3-5 nm. Esto es debido a que el disco gira a una velocidad muy elevada, entre 7.000 y 10.000 r.p.m., lo que provoca que el aire que fluye entre el cabezal y la superficie del disco genera un efecto de sustentación sobre el brazo que sujeta el cabezal, que le posibilita mantenerse muy próximo a la superficie sin llegar a tocarla, siguiendo un principio muy similar al que permite a los aviones mantenerse en el aire. Se entiende entonces la extraordinaria importancia que tiene que la superficie del disco se mantenga en condiciones de limpieza y planitud extremas.

 

2. Proceso de grabación/lectura de un HD

Cuando el HD no tiene datos almacenados, los imanes microscópicos 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 el cabezal de escritura, creando en su punta un campo magnético muy intenso que, al situarse muy cerca de la superficie del HD, actúa sobre los imanes 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 intuitiva:

Los orígenes del almacenamiento de la información (VI): proceso de grabación y lectura de discos duros magnéticos

Ilustración simplificada del proceso de grabación de datos en la superficie de un HD, que muestra el esquema del proceso completo de grabación, en el que la cabeza grabadora ("write element") va orientando los imanes de la capa de almacenamiento ("storage layer") en posiciones "arriba" y "abajo" en un determinado sector del HD, señalado en la figura. Cuando se desea leer esa información, la cabeza lectora ("Read Element") realiza esa tarea

 

La otra cabeza del HD, la lectora, lee la información grabada sin modificar la orientación de los imanes del disco; en la operación de lectura, la cabeza pasa por encima de los imanes microscópicos ya 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 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". Como ya he indicado, todo el proceso ocurre a la asombrosa velocidad de giro del plato de entre 7.000 y 10.000 r.p.m. En este vídeo podéis ver cómo ocurre todo el proceso, con un buen número de detalles muy interesantes y aclaratorios:

 

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 y aunque inicialmente no fue bien recibido en el mercado, su uso se ha generalizado desde 2005, aproximadamente.

Cuanta mayor es la densidad de información que guarda el disco, 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:

Los orígenes del almacenamiento de la información (VI): proceso de grabación y lectura de discos duros magnéticos

Izquierda: grabación en horizontal (arriba) y en vertical (abajo) de la capa magnética ("recording layer") del plato ("additional layer") 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 dominio.

 

3. 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, que son sectores circulares concéntricos muy estrechos sobre su superficie, dispuestos en una estructura similar a la de los anillos anuales del tronco de un árbol.

La cantidad de información que hay en cada zona es enorme, por lo que cada una se divide a su vez en sectores. Los primeros HD que utilizaban los ordenadores personales tenían 16 sectores por pista. En los HD actuales hay miles de sectores en una única pista. En este vídeo es posible ver con más detalle el funcionamiento de un HD actual. Recomiendo encarecidamente que se vea, es realmente muy llamativo.

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 2029. 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 integrados en un chip:

Los orígenes del almacenamiento de la información (VI): proceso de grabación y lectura de discos duros magnéticos

Evolución de la densidad de información de los HD (expresada en Gbits/pulgada²) [2] y de las cintas magnéticas ("Tape"), según la hoja de ruta diseñada 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 describiré en sucesivos artículos de esta serie.

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[1] 1 nm = 0,000000001 m
[2] 1 pulgada = 2.54 cm

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