ハードディスクを ぶんかいして みる わけには いきません。でも、なかには まるい ばんが はいって います。この ばんの うえに、ちいさな じしゃくが、ぎっしり ならんで います。

じしゃくには、むきが あります。たとえば みぎむきが 0、ひだりむきが 1、という ぐあいです［2］。むきの ならびで、おんがくも しゃしんも おぼえて います。

いちばん はじめの ハードディスクは、1956ねんの IBM 350 です。ばんが 50まいも あって、ひとつの ばんは ちょっけい 61センチも ありました［1］。

では、こんなに ちいさい じしゃくを、どうやって もっと ちいさく して いったのでしょう。そこで ぶつかった かべが ありました。

ハードディスクの中には、円盤（ディスク）が入っています。表面の細かい領域を、それぞれ別の向きに磁石にすることで、情報を覚えています［2］。たとえば右向きなら0、左向きなら1、というように向きを情報として使います。

最初の商用のハードディスクは、1956年のIBM 350です。直径24インチ（約61センチ）の円盤を50枚、毎分1200回転させて、約3.75メガバイトを記録しました。今のスマートフォンの写真1枚にも足りない量です［1］。

こんなに少なかった容量を、どうやって桁違いに増やしてきたのでしょうか。カギは、磁石をどんどん小さくすることでした。ところが小さくすると、思わぬ壁が待っていました。

ハードディスクは、微小な領域を異なる向きに磁化する形で情報を記憶する［2］。円盤を回し、ヘッドで磁化の向きを書き、また読む、という動作の繰り返しである。

この原理を初めて商品にしたのが、1956年のIBM 350（RAMAC）だった。直径24インチ（約61cm）の円盤50枚を毎分1200回転させ、6ビット文字で500万個、約3.75MBを記録した。月額750ドルのリースだった［1］。今のスマートフォンの写真1枚にも足りない容量だった。ではその後、容量はどうやって増やされ、なぜ「壁」にぶつかったのか。答えは、磁石の大きさと熱の関係にある。

たくさん おぼえさせるには、じしゃくを ちいさく して、ぎゅっと ならべます。ちいさく すれば、おなじ ばんに たくさん はいります。

ところが、ちいさく しすぎると、こまった ことが おきます。ものは、あたたかいと、ほんの すこし ふるえて います。じしゃくが ちいさすぎると、この ふるえに まけて、むきが かってに かわって しまう ことが あるのです［4］。

ノートに かいた じは、こすれて きえて しまう ことが ありますね。それと すこし にて います。ただし、じしゃくの ばあいは、こすらなくても、まわりの あたたかさだけで きえて しまいます。

これを「ねつゆらぎ」と よびます。むきが ばらばらに なると、0と 1が よめなく なります。

容量を増やすには、磁石の粒を小さくして、同じ面積にたくさん詰めればよいはずです。ところが、あまり小さくすると壁にぶつかります。

磁石は小さいほど、蓄えている磁気のエネルギーが小さくなります。すると、まわりの熱のエネルギーに負けて、向きが勝手に乱れやすくなります。これを熱ゆらぎといいます［4］。

ちなみに、今のハードディスクでは、1ビットをおよそ数十個の細かい磁性の粒で受け持っていると説明されています。粒がぎりぎりまで小さくなり、熱で記録がランダムに反転する恐れが出てきた、というのです［4］。0と1が読み出せなくなれば、記録の意味がなくなります。

2005年の報道では、当時の方式（ディスクの面と平行に磁石を寝かせる面内記録）は、1平方インチあたり120ギガビットを超えると読み取りが難しくなる、実用的な限界だとされていました［5］。この壁をどう越えたのでしょうか。

記録密度を上げるには、1ビットを担う磁性粒子を小さくする必要がある。ところが、粒子が小さいほど蓄えられる磁化エネルギーは減り、熱エネルギーによって磁化の向きが乱される熱ゆらぎ（熱擾乱）が起きやすくなる［4］。1ビットを数十個の磁性微粒子が担う水準まで達し、記録磁化のランダムな反転が現実の懸念になった［4］。

ここで問題になるのが、磁石の寝かせ方である。従来の面内記録は、円盤面に平行に磁化する。2005年4月の報道では、面内記録は120Gビット/平方インチを超えると読み取りが難しくなり、実用的な限界と見られていた［5］。この数値は当時の一メーカーの見方であり、方式そのものの絶対的な限界ではない。

では、寝かせるのをやめて別の向きにしたらどうなるのか。そこで出てきたのが垂直記録である。

いままでは、ばんの おもてに、じしゃくを ねかせて いました。この じしゃくを、ばんの おもてに まっすぐ「たてて」ならべたら どうでしょう。

これを おもいついたのが、とうほくだいがくの いわさき しゅんいち せんせいと、その チームです。1977ねんの ことです［3］。

たてる ためには、かく ほうの ヘッドも かえます。むかしの ヘッドは、ばんと ならんだ むきに じりょくを かけました。あたらしい ヘッドは、ばんに まっすぐ じりょくを かけます［5］。

たてると よい ことが あると いわれて います。じしゃくを たてて ぎゅっと ならべると、おたがいが ひきあって、かえって おちつくと いう のです［6］。

1977年、東北大学の岩崎俊一教授のチームが、新しい記録方式の原理を提唱しました。磁石を円盤の面に対して垂直に立てる、垂直磁気記録です。実用化は2005年です［3］。

この方式は3つの部品の組み合わせでした。コバルト合金の薄い膜でできた記録層、その下に敷く軟磁性の裏打ち層、そして磁界を一点に集める単磁極ヘッドです［3］。この構成なら、従来の面内記録では届かない密度で記録できることが示されました。

書き込みの向きも変わります。従来はリング型のヘッドで、円盤の面と平行に磁界をかけて書いていました。垂直記録は、単磁極ヘッドで、記録層に垂直な磁界をかけて書きます［5］。

なぜ立てると密度が上がるのでしょうか。東北大学の資料の要約には、微小な磁石を面に垂直に向けると、密に並べるほど互いに引き合って安定する、という趣旨の説明があります。面内では、向かい合う磁石どうしが反発して不安定になる、といわれます［6］。

垂直記録は、1977年に東北大学の岩崎俊一教授のチームが、コバルト合金の薄膜垂直媒体・軟磁性裏打ち層・単磁極ヘッドの組み合わせとして提唱した記録方式である（実用化は2005年）。この構成により、面内記録で可能な密度を超える記録が可能になった［3］。

書き込み方式が、面内記録と根本的に違う。面内記録では、リング型ヘッドが円盤面と平行な磁界をかけて記録する。垂直記録では、単磁極ヘッドが記録層に垂直な磁界をかける［5］。

では、なぜ立てると小さくても安定するのか。東北大学電気通信研究所の資料の検索要約は、微小磁石を媒体面に垂直に向けると、高密度に並べるほど互いに吸引し合って安定化する、と述べる。面内配置では、隣り合う磁石が向き合って反発し、不安定になるという対比である［6］。この機構の説明は、資料の要約に基づいている。

1977ねんに かんがえが うまれて、じっさいの ハードディスクに つかわれたのは 2005ねんです。28ねんかかりました［4］。

2005ねんには、ヒタチの かいしゃが、たてる ほうしきの ハードディスクを だす ことを はっぴょうしました。これまでの ほうしきの げんかいと いわれた みつどの、2ばいちかくを、しさくで つくったと いいます［5］。

かんがえを だした ひとの しごとは、あとに なって みとめられました。2023ねんの 10がつ、せかいの でんきの がっかい IEEEが、この しごとを「マイルストーン」に えらびました［3］。

いま けんきゅうされて いるのは、1つぶが 1ビットを うけもつ ほうほうです［4］。ちいさく する はなしは、まだ おわって いないのです。

垂直記録は1977年に提案され、2005年に実用化されました。東北大学電気通信研究所の資料には、本所で発明され（岩崎俊一教授、1977年）2005年に実用化された、と書かれています［4］。提案から実用化まで28年です。

2005年4月には、日立グローバルストレージテクノロジーズ（日立GST）が、2005年後半に2.5インチ・約120ギガバイトの垂直記録ハードディスクを製品にする予定だと発表しました。試作では1平方インチあたり230ギガビットを達成し、将来は1テラビットも可能になる、との見通しも示されました［5］。ただし1テラビットは当時の目標で、実績ではありません。

面内記録の実用的な限界とされた120ギガビットに対して、230ギガビットは約1.9倍です。ただし230ギガビットは試作での値で、試作の段階で壁を超える値を示した、という意味です。

この業績は後に評価され、2023年10月にIEEE（米国の電気・電子の学会）のマイルストーンに認定されました［3］。

研究はまだ続いています。1ビットを数十個の粒でなく1つの粒（1ドット）で受け持たせるビットパターン型が、次世代の方式として研究されています［4］。

垂直記録は、提唱が1977年、実用化が2005年で、東北大学電気通信研究所は自らこの経緯を「本所で発明され2005年に実用化された」と述べる［4］。28年という長さは、原理の提案から量産に耐える部品・媒体・ヘッドの完成までの遠さを示す。IEEEは、この方式が2005年以来、磁気記憶装置の容量増加で重要な役割を果たしているとして、2023年10月にマイルストーンに認定した［3］。

2005年4月、日立GSTは垂直記録の2.5インチ約120GB製品を同年後半に出荷する予定と発表した。試作では230Gビット/平方インチを達成し、当時の面内記録の実用限界とされた120Gビット/平方インチの約1.9倍である。同社は将来1Tビット/平方インチも可能との見通しを示したが、これは2005年時点の目標値であり、実績ではない［5］。

密度の壁は、垂直記録で終わったわけではない。1ビットを数十個の磁性粒子が担う構造では、粒子がさらに小さくなると再び熱擾乱が問題になる。そこで、1ビットを1粒子（1ドット）で担うビットパターン媒体が、次世代の方式として研究されている［4］。

じしゃくを ちいさく するほど、じしゃくの ちからは よわく なります。よわい ちからを、どうやって よむのでしょう。

かぎは、「じしゃくの ちからで、でんきの とおりやすさが おおきく かわる」と いう ふしぎな せいしつです。1988ねんに、フランスの アルベール・フェールさんと、ドイツの ペーター・グリューンベルクさんが、べつべつに みつけました［2］。

ごく よわい じしゃくの ちがいでも、でんきの ながれが はっきり かわります。だから、ディスクの じしゃくを、でんきの ちがいに かえて よめるのです。

この せいしつを つかった ヘッドは、1997ねんに でて、すぐに ふつうの ぎじゅつに なりました。2007ねんには、ノーベルぶつりがくしょうが おくられました［2］。

ビットが小さくなれば、ディスクから出てくる磁気の変化もごく弱くなります。書く側だけでなく、読む側にも新しい技術が必要でした。

1988年、フランスのアルベール・フェールとドイツのペーター・グリューンベルクが、別々に巨大磁気抵抗（GMR）効果を発見しました。ごく弱い磁気の変化が、電気抵抗の大きな差になる現象です［2］。電気抵抗が大きく変われば、ディスクの磁気の情報を電流の変化として取り出せます。

GMRを使った最初の読み取りヘッドは1997年に登場し、まもなく標準の技術になりました。2人には2007年のノーベル物理学賞が贈られています［2］。

発見から製品まで9年。1990年代の終わりまでに、読む側の壁も破られていたことになります。

記録密度を上げるとは、1ビットあたりの磁化領域が小さくなり、ディスクから漏れ出る磁界が弱くなることでもある。書く側の工夫だけでは不十分で、弱い磁界を確実に検出する読み取りヘッドが要る。

そこで使われたのが巨大磁気抵抗（GMR）効果である。1988年にアルベール・フェール（Albert Fert）とペーター・グリューンベルク（Peter Grünberg）が別々に発見した。ごく弱い磁気の変化が、電気抵抗の大きな差を生む。この性質により、ディスクの磁気情報を電流に変える読み取りに向く［2］。

GMRを使った最初の読み取りヘッドは1997年に登場し、間もなく標準技術になった。2007年のノーベル物理学賞は、この発見に対して2人に贈られた［2］。発見から実用化まで9年（1988→1997）で、垂直記録の28年と比べると短い。ただし、両者は別々の技術であり、実用化までの道のりは技術の種類や当時の開発状況にもよる。

ヘッドが ばんに ふれたら、きずが ついて しまいます。だから ヘッドは、ばんの すぐ うえに、うかんで います。くうきの クッションの うえに のって いるのです［1］。

いちばん はじめの ハードディスクでも、ヘッドは くうきの クッションで、めんの うえに すこし うかんで いました［1］。

ビットが ちいさく なると、ヘッドと ばんの すきまも ちいさく されて きました。すきまが ちいさいほど、ちいさな じしゃくの むきを ただしく かいたり よんだり できるからです。

円盤は高速で回っています。ヘッドがふれれば、記録の面が傷ついてしまいます。そこで、ヘッドは円盤のすぐ上に浮いています。1956年のIBM 350でも、ヘッドは空気のクッションの上で、面のわずか上に浮いていました［1］。

ビットが小さくなるにつれ、ヘッドと円盤のすきまも縮められてきました。すきまが小さいほど、小さな磁石の向きを正確に書き読みできるからです。RAMACのころの約20マイクロメートルから、その後は大きく縮められてきました。

円盤の回転中にヘッドが接触すれば、記録面が傷つく。そのため、ヘッドは円盤の面にふれず、わずかに浮いている。この浮上は最初の商用機から使われており、RAMACでは腕に付けたヘッドが約800マイクロインチ（約20マイクロメートル）の高さで面の上に浮いていた［1］。

密度が上がると、ヘッドは小さな磁化領域に近づく必要が出るため、浮上量は縮められた。RAMACの約20マイクロメートルから、その後は大きく縮められてきた。

書く側・読む側・ヘッドの高さの3つが同時に進んで、初めて高密度化が成り立つ。垂直記録が書く側の壁を、GMRが読む側の壁を破ったのは、その一例である。

今日できること

おうちに ある ちいさな じしゃくを 2つ、つくえの うえで ちかづけて みましょう。むきを かえると、ひきあう ときと、しりぞけあう ときが あります。

じしゃくは、パソコンや スマートフォンには ちかづけません。ちいさい じしゃくを ぜったいに くちに いれない ように しましょう。

出かけてできること

かがくかんや はくぶつかんに、むかしの コンピュータの ぶひんが ある ことが あります。ハードディスクの ばんを 見つけたら、どれくらい おおきいか くらべて みましょう。

こうしきの 情報じょうほう

コンピュータの れきしを あつかう はくぶつかんの サイトや、IEEEの マイルストーンの ページに、くわしい せつめいが あります。

今日できること

家にある小さな磁石を2つ用意して、机の上で近づけてみてください。向きをひっくり返すと、引き合うときと反発するときがあります。パソコンやスマートフォンには磁石を近づけないでください。小さな磁石は口に入れないよう、注意します。

出かけてできること

科学館や博物館で、古い記憶装置の展示を探してみましょう。円盤の大きさや枚数を、今のハードディスクと見比べると、28年の壁の意味が実感できます。

公式情報

コンピュータ歴史博物館のHDDの解説や、IEEEマイルストーンの認定文、東北大学電気通信研究所の研究紹介を読んでみてください。

今日できること

磁石2つの近づけ方を変えて、引力と斥力がどう働くか観察する。記録方式との関係は、資料で調べる。磁石はパソコンやスマートフォンに近づけない。小さな磁石の誤飲にも注意する。

出かけてできること

博物館の記憶装置の展示で、RAMACと現在のHDDの円盤の大きさ・枚数を比べる。

公式情報

出典に挙げたIEEEマイルストーンの文書と、東北大学電気通信研究所の資料を読み、微小磁石の吸引・反発の説明について、原典を探してみるとよい。