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¿Por qué los discos duros tardaron 28 años en pasar de imanes acostados a imanes de pie para guardar más datos?

Categoría: Tecnología

En el interior de un disco duro, pequeñas flechas invisibles representan los ceros y unos de la información. Durante décadas, estas flechas se acostaron planas sobre el disco, pero ese método chocó con un límite físico. En 1977, se propuso una solución radical: poner los imanes de pie. Sin embargo, pasaron 28 años hasta que esta idea se convirtió en un producto real [3].

¿Por qué tardó tanto? La respuesta está en la lucha contra el calor y el tamaño. Al hacer los imanes más pequeños para guardar más datos, el calor del entorno intentaba borrar la información. Para entender cómo se superó este obstáculo, debemos mirar qué ocurre cuando los imanes se encogen y qué inventos fueron necesarios para leerlos correctamente.

1. Cómo guarda un disco duro los ceros y unos con pequeños imanes

Un disco duro contiene discos giratorios. La información se guarda magnetizando pequeñas áreas de la superficie en diferentes direcciones. Por ejemplo, si una zona apunta a la derecha, representa un 0; si apunta a la izquierda, un 1 [2]. Así, la dirección del magnetismo es el dato.

El primer disco duro comercial, la IBM 350, salió en 1956. Usaba 50 discos de 61 centímetros de diámetro girando a 1200 revoluciones por minuto. Su capacidad era de apenas 3.75 megabytes, menos de lo que ocupa una sola foto en un teléfono actual [1]. Para aumentar esa cantidad de datos de forma masiva, la clave fue hacer los imanes cada vez más pequeños. Pero reducir el tamaño trajo consigo un problema inesperado.

2. Por qué el calor desordena los imanes cuando se hacen más pequeños

Para guardar más datos, se necesitan más imanes en el mismo espacio, lo que obliga a hacerlos más pequeños. El problema es que un imán pequeño tiene menos energía magnética. Si es demasiado pequeño, la energía del calor ambiental puede hacer que su dirección cambie al azar. Este fenómeno se llama fluctuación térmica [4].

En los discos modernos, se explica que un solo bit de información está sostenido por decenas de partículas magnéticas diminutas. Cuando estas partículas se reducen al límite, existe el riesgo de que el calor invierta el registro aleatoriamente. Si esto ocurre, el 0 y el 1 dejan de tener sentido [4]. En 2005, se consideraba que el método tradicional, donde los imanes yacen planos (registro longitudinal), tenía un límite práctico: era difícil leer la información si se superaban los 120 gigabits por pulgada cuadrada [5]. ¿Cómo se rompió esa barrera?

3. 1977: la propuesta de poner los imanes de pie con el registro magnético perpendicular

En 1977, el equipo del profesor Shun-ichi Iwasaki de la Universidad de Tohoku propuso un nuevo principio: el registro magnético perpendicular. En lugar de acostar los imanes, se les pone de pie, perpendiculares a la superficie del disco [3]. Aunque la idea nació en 1977, la implementación real no llegó hasta 2005 [3].

Este sistema combina tres componentes: una capa de grabación de película delgada de aleación de cobalto, una capa de respaldo de material magnético blando debajo, y un cabezal de un solo polo que concentra el campo magnético en un punto [3]. Esta configuración permite alcanzar densidades que el método plano no podía alcanzar. Además, cambia la forma de escribir: mientras el método anterior usaba cabezales en forma de anillo para aplicar un campo paralelo a la superficie, el registro perpendicular usa un cabezal de un solo polo para aplicar un campo vertical [5].

¿Por qué ayuda ponerlos de pie? Según los resúmenes de los documentos de la Universidad de Tohoku, cuando los imanes microscópicos se orientan verticalmente, se atraen mutuamente y se estabilizan al estar muy juntos. En cambio, en la orientación plana, los imanes enfrentados tienden a repelerse, lo que genera inestabilidad [6].

4. Por qué pasaron 28 años entre la propuesta de 1977 y el producto de 2005

Pasaron 28 años entre la propuesta de 1977 y su puesta en práctica en 2005. Los registros del Instituto de Investigación de Ingeniería Eléctrica y de Comunicaciones de la Universidad de Tohoku confirman que el método fue inventado allí en 1977, con el profesor Iwasaki a la cabeza, y puesto en práctica en 2005 [4].

En abril de 2005, Hitachi Global Storage Technologies anunció planes para lanzar discos duros de 2.5 pulgadas con registro perpendicular de unos 120 gigabytes a finales de ese año. En prototipos, habían logrado 230 gigabits por pulgada cuadrada, y se estimaba que el futuro podría alcanzar 1 terabit, aunque esto era una meta y no un resultado probado en ese momento [5]. Comparado con el límite práctico de 120 gigabits del método plano, los 230 gigabits de los prototipos representaban casi el doble de densidad, mostrando una cifra superior al límite práctico citado [5].

Esta hazaña fue reconocida posteriormente como un Hito del IEEE en octubre de 2023 [3]. La investigación continúa: se estudia el "registro de patrón de bits", donde cada bit sería sostenido por una sola partícula (un punto) en lugar de decenas, como siguiente generación [4].

5. Cómo el efecto GMR permite leer las señales débiles de bits más pequeños

Al hacer los bits más pequeños, las señales magnéticas que salen del disco se vuelven muy débiles. Por lo tanto, no solo era necesario escribir mejor, sino también leer mejor. En 1988, Albert Fert en Francia y Peter Grünberg en Alemania descubrieron por separado el efecto de magnetorresistencia gigante (GMR). Este fenómeno hace que cambios muy pequeños en el magnetismo provoquen grandes diferencias en la resistencia eléctrica [2]. Esto permite extraer la información magnética del disco como cambios en la corriente eléctrica.

El primer cabezal de lectura que usó GMR apareció en 1997 y pronto se convirtió en el estándar. Por este descubrimiento, Fert y Grünberg recibieron el Premio Nobel de Física en 2007 [2]. Pasaron 9 años desde el descubrimiento hasta el producto, lo que significa que, a finales de los años 90, GMR ya se había convertido en una tecnología estándar.

6. Cómo el cabezal flota sobre el disco giratorio sin tocarlo

Los discos giran a alta velocidad. Si el cabezal tocara la superficie, dañaría la superficie del disco. Por eso, el cabezal flota justo encima del disco. Ya en la IBM 350 de 1956, el cabezal flotaba sobre un cojín de aire, apenas encima de la superficie [1].

A medida que los bits se hacían más pequeños, la distancia entre el cabezal y el disco se reducía. Una distancia menor permite escribir y leer la dirección de los imanes pequeños con mayor precisión. En los tiempos del RAMAC (el sistema de 1956), esa distancia era de unos 20 micrómetros, pero desde entonces se ha reducido significativamente [1].

7. Cómo investigar por tu cuenta el comportamiento de los imanes con dos imanes pequeños

Para experimentar en casa, puedes tomar dos imanes pequeños y acercarlos sobre una mesa. Al invertir la dirección de uno, notarás que a veces se atraen y a veces se repelen, ilustrando la interacción magnética. Ten precaución: no acerques imanes a aparatos electrónicos, como teléfonos o discos duros. No te lleves los imanes pequeños a la boca.

Si deseas ver ejemplos reales, busca exposiciones de dispositivos de almacenamiento antiguos en museos de ciencia. Comparar el tamaño y número de discos de los sistemas viejos con los discos duros actuales ayuda a entender el significado de los 28 años de desarrollo y la evolución de la tecnología.

Fuentes

  1. Computer History Museum, "1956: First commercial hard disk drive shipped" https://www.computerhistory.org/storageengine/first-commercial-hard-disk-drive-shipped/ (Especificaciones de la IBM 350 y la flotación del cabezal.)
  2. Royal Swedish Academy of Sciences, "Nobel Prize in Physics 2007" https://www.kva.se/en/news/nobelpriset-i-fysik-2007-2/ (Memoria por dirección de magnetización, efecto GMR y cabezales de lectura.)
  3. IEEE Milestone 41 Perpendicular Magnetic Recording (IEEE Japan Council), "Perpendicular Magnetic Recording" https://www.ieee-jp.org/japancouncil/jchc/adm/milestone/41Perpendicular_Magnetic_recording.pdf (Desarrollo y certificación del registro magnético perpendicular.)
  4. Instituto de Investigación de Ingeniería Eléctrica y de Comunicaciones de la Universidad de Tohoku, Laboratorio Murao-Greaves, "Introducción a la investigación" https://www.riec.tohoku.ac.jp/wp-content/uploads/2019/08/0132009.pdf (Cronología de 28 años, fluctuación térmica y registro de patrón de bits.)
  5. ITmedia, "Hitachi GST, HDDs with Perpendicular Magnetic Recording" (5 de abril de 2005) https://www.itmedia.co.jp/news/article/0504/05/1050405072/ (Diferencias entre registro longitudinal y perpendicular; cifras de densidad.)
  6. Instituto de Investigación de Ingeniería Eléctrica y de Comunicaciones de la Universidad de Tohoku, "Introducción al registro magnético" https://www.riec.tohoku.ac.jp/wp-content/uploads/2020/04/magunetic.pdf (Explicación sobre la estabilidad de los imanes en configuración vertical (basada en resumen).)