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Auseinanderbau einer Festplatte
Fliegende Köpfe, Schwingspulenmotoren, erstaunlich glatte Oberflächen & Signalverarbeitung
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Ein Computer ist ein mächtiges Werkzeug, aber er muss Daten verlässlich abspeichern können, um gut zu laufen, ansonsten wäre er doch irgendwie sinnlos, oder?
Werfen wir mal einen Blick hinein und schauen uns an, wie er Daten speichert.
Schau dir das an: Das ist großartig.
Es ist eine gewöhnliche Festplatte, aber ihre Eigenschaften sind, natürlich, ungewöhnlich.
Also ich bin sicher, du kennst das wesentliche einer Festplatte:
Wir speichern darauf Daten in binärem Format - Einsen und Nullen.
Aber jetzt: Dieser Arm stützt einen \"Kopf\"
der aus einem kleinen Elektromagneten besteht, der die Platte abfährt
und entweder Daten schreibt, indem er die Magnetisierung bestimmter Sektoren der Platte ändert,
oder er liest einfach Daten,
indem er die magnetische Polaristation misst.
Im Prinzip ist das ja nun ganz simpel,
aber in der Praxis jede Menge beinharte Ingenieurskunst.
Das Hauptaugenmerk liegt darauf, sicher zu sein, dass der Kopf präzise,
fehlerfrei,
von der Platte lesen und darauf schreiben kann.
Der erste Tagesordnungspunkt ist ihn mit großer Kontrolle zu bewegen.
Um den Arm zu positionieren verwenden Ingenieure einen \"Schwingspulenaktor\".
Der Ansatz des Arms befindet sich zwischen zwei starken Magneten.
Die sind so stark, dass sie wirklich schwer auseinander zu ziehen sind.
Da.
Der Arm beweget sich aufgrund der Lorentzkraft.
Lasse einen Strom durch einen Dragt in einem Magnetfeld fließen
und der Draht erfährt eine Kraft;
kehre den Strom um und die Kraft kehrt sich auch um.
Wenn Strom in eine Richtung durch die Spule fließt,
zwingt die Kraft, die der Dauermagnet erzeugt, den Arm in diese Richtung,
kehrt man den Strom um, bewegt er sich zurück.
Die Kraft auf den Arm ist direkt proportional zum Strom
durch die Spule, was eine feine
Positionierung des Arms erlaubt.
Im Gegensatz zu einer mechanischen Kopplung
gibt es minimalen Verschleiß und keine Temperaturempfindlichkeit.
Am Ende des Arms befindet sich die kritischste Komponente: der Kopf.
Ganz einfach gesagt ist er ein Stück mit Draht umwickeltes ferromagnetisches Material.
Wenn er über die magnetisierten Sektoren auf der Platte fährt,
misst er Richtungsänderungen der magnetischen Pole.
Erinnnern wir uns an das Faraday\'sche Gestz: Eine Änderung der Magnetisierung
erzeugt eine Spannung in einer nahen Spule.
Also, wenn der Kopf einen Sektor überstreicht, in dem die Polarität
sich verändert hat, zeichnet er eine Spannungsspitze auf.
Die Spitze - sowohl negativ, als auch positiv - repräsentieren eine \"Eins\"
und wo keine Spannungsspitzen sind, gilt als \"Null\".
Der Kopf kommt der Plattenoberfläche verblüffend nahe,
100 nanometer in älteren Laufwerken, aber heut unter
10 nanometer in den neuesten.
Wenn der Kopf sich der Platte und ihrem Magnetfeld nähert,
bedeckt er weniger Fläche, was mehr Sektoren erlaubt,
in denen Informationen auf die Oberfläche gepackt werden können.
Um diese kritische Höhe zu halten verwenden Ingenieure eine geniale Methode:
Sie lassen den Kopf über die Platte \"gleiten\".
Es ist so: Wenn die Platte sich dreht, entsteht eine Grenzschicht aus Luft, die
an dem stationären Kopf mit über 120 km/h am äußeren Rand vorbei gezogen wird.
Der Kopf reitet auf einem \"Gleitstück\", das aerdynamisch so aufgebaut ist, dass es über der Platte schwebt.
Das Geniale an dieser Luft-getragenen Technologie ist ihre Selbstjustierung:
Wenn irgendeine Störung das Gleitstück zu hoch steigen lässt, \"schwebt\" es wieder zurück, wo es hingehört.
Und nun: Weil der Kopf so nahe an der Plattenoberfläche ist,
könnten umherirrende Teilchen die Platte beschädigen und zu Datenverlust führen.
Also platzieren die Ingenieure diesen Umluftfilter in den Luftstrom;
er entfernt kleine Teilchen, die sich von der Plattenoberfläche gelöst haben.
Um den Kopf auf der richtigen Höhe fliegen zu lassen, ist die Platte unglaublich glatt gefertigt:
Typischerweise ist die Platte so glatt, dass sie eine Oberflächenrauigkeit von ungefähr einem nanometer hat.
Um uns eine Vorstellung davon zu machen, wie glatt das ist, stellen wir uns diesen Sektor vergrößert vor,
bis er so groß ist wie ein Footballfeld -American oder International -
der durchschnittliche \"Huckel\" auf der Oberfläche wäre dann ungefähr 0,8 mm.
Das Schlüsselelement der Platte ist die magnetische Schicht,
die aus Kobalt besteht - vielleicht mit Platin und Nickel versetzt.
Diese Mischung von Metallen hat eine hohe Koerzitivität,
das heißt, dass sie die diese Magnetisierung - und damit die Daten - beibehält, bis sie einem anderen starken Magnetfeld ausgesetzt ist.
Eine letzte Sache, die ich enorm clever finde:
Ein bisschen Mathe benutzen, vierzig Prozent mehr Informationen auf die Platte zu quetschen.
Betrachten wir diese Folge von magnetischen Polen auf der Plattenoberfläche - 0-1-0-1-1-1.
Ein Scan durch den Kopf würde diese eindeutigen Spannungsspitzen liefern -
sowohl positiv als auch negativ für die \"Einsen\".
Wir könnten sie einfach von, sagen wir, dieser ähnlichen Folge unterscheiden.
Wenn wir sie vergleichen, unterscheiden sie sich deutlich.
Ingenieure jedoch arbeiten immer daran, noch mehr Daten auf eine Festplatte zu kriegen.
Ein Weg das zu tun, ist die magnetischen Bereiche zu verkleinern,
aber sehen wir uns an, was dann mit den Spannungsspitzen passiert.
Für jede Folge überlappen die Spitzen der Einsen nun und
überlagern sich zu einem \"verschwommenen\" Signal.
Um genau zu sein sehen sich die beiden Folgen jetzt sehr ähnlich.
Mittels eines Verfahrens names \"Partial Response Maximum Likelihood\" haben Ingenieure
ausgeklügelte Codes entwickelt, die ein trübes Signal wie dieses nehmen,
die möglichen Folgen, die es erzeugt haben könnten, generieren und dann die wahrscheinlichste auswählen können.
Wie bei allen erfolgreichen Technologieren, bleiben diese Festplatten unbemerkt in unserem Alltag,
bis etwas schief geht.
Ich bin Bill Hammack, der engineer guy.