Eerst autoband, nu damsteen; MAGNETISCHE RECORDING IS NOG LANG NIET AAN ZIJN EIND

De eerste pc's hadden geen harde schijf. Tegenwoordig zijn bureaucomputers met minder dan 1 gigabyte aan vaste opslag niet meer te krijgen. En over twee jaar kan op een 3,5 inch schijf al 130 gigabyte.

DERTIG JAAR GELEDEN werd Dennis Speliotis door IBM de deur gewezen. “Ik moest mijn koffers pakken want mijn baas zag niets meer in de technieken om informatie magnetisch op te slaan. Die zouden op sterven na dood zijn. In strategie-nota's werd een streep door de harde schijven gehaald”, vertelde Speliotis met een brede grijns op de onlangs gehouden conferentie Magnetic Recording Media in Maastricht. De samengekomen experts vierden daar de gebeurtenis die 100 jaar geleden aan de basis stond van hun vakgebied: een geslaagde poging van de Deen Valdemar Poulsen om met een telefoonhoorn en een elektromagneet zijn stem op een pianosnaar te zetten en weer hoorbaar te maken.

Speliotis werkt nu voor Digital Measurement Systems (Newton, Massachusetts), een bedrijf dat testapparatuur maakt om magnetische oppervlakken en coatings te analyseren. Tijdens zijn lezing maakte hij duidelijk dat magnetische recording nog lang niet ten grave hoeft te worden gedragen. In tegendeel, er is volop ontwikkeling in harde schijven en computer-, video- en audiotape. Van deze technieken spreken de harde schijven wellicht het meest tot de verbeelding. Deze draaiende media zijn superieur in het vliegensvlug opslaan en opzoeken van grote hoeveelheden gegevens. Op een eenvoudige harde schijf zo groot als een walkman gaan tegenwoordig al snel 4 gigabytes - voldoende voor enkele jaargangen van de bijlage Wetenschap en Onderwijs (zowel tekst als foto's).

De eerste pc's hadden twintig jaar geleden niet eens een harde schijf. Eind jaren tachtig was 20 miljoen bytes (20 megabyte) aan vaste opslag op het bureau heel wat, maar in de huidige pc's kost die hoeveelheid opbergruimte nog maar een piek. Bureaucomputers met een harde schijf van minder dan 1 gigabyte zijn niet meer te krijgen. De analist Jim Porter van Disk/Trend uit Mountain View (Californië) schat dat 3,5 inch harde schijven (momenteel het meest voorkomende formaat) in het jaar 2.000 ongeveer 130 gigabytes kunnen opslaan. Dat is zo'n 4.000 keer de grote Van Dale of 60 uur digitale video van hoge kwaliteit. Het kost tegen die tijd nog maar een stuiver om een megabyte weg te schrijven.

VRIESKIST

Bits op draaiende schijven zetten begon in 1955 met de RAMAC (random-access method of accounting and control) van IBM. RAMAC had de afmetingen van een stevige vrieskist en schreef zijn informatie op 50 aluminium discs die de diamater hadden van een autoband. Op elke schijf konden 5 miljoen letters of cijfers in combinaties van 7 bits (niet in 8 bits, zoals de huidige opslagmedia). Daarvoor waren de discs aan beide zijden voorzien van een coating van magnetisch ijzeroxyde.

De ontwikkeling van harde schijven ging jarenlang met een slakkengangetje. Toen Quantum uit Mountain View, Californië, in 1980 een 40 Mbyte harddisc introduceerde met een gewicht van 20 kilo gold dat als een prestatie. Zo rond 1984 was de fut er een beetje uit. Iedereen dacht toen dat harde schijven ten dode waren opgeschreven. Het leek zonneklaar dat geheugenchips de concurrentiestrijd met draaiende plaatjes op den duur zouden winnen. Het rekensommetje was eenvoudig: de vooruitgang in opslagcapaciteit van harde schijven bedroeg jarenlang slechts 30 procent per jaar. De opslagruimte op chips nam daarentegen per jaar met 40 procent toe. Maar niemand kon toen de revolutie zien die nog zou komen.

Langzaamaan werden harde schijven klein, betrouwbaar en snel. Aan de mechaniek, dat een beetje aan een platenspeler doet denken, veranderde in veertig jaar tijd echter weinig. Een ronde schijf met een magnetische coating draait op hoge snelheid rond en daarboven zweeft een miniatuur spoeltje op een stuurbare arm. Een stroomstootje door de elektromagneet resulteert in een gemagnetiseerd gebiedje op de schijf. In feite was ook het lezen van bits tot begin jaren negentig niet meer dan een sterk geminiaturiseerde versie van het principe waarmee Valdemar Poulsen zijn eigen stemgeluid weer te voorschijn kon roepen. Door het spoeltje langs de gemagnetiseerde gebiedjes te bewegen wordt door het veranderende magneetveld een stroom opgewekt die is om te zetten in geluid of bits.

Het schrijven op tapes en schijven gaat nog steeds met zeer kleine elektromagneetjes. Voor het lezen van de bits moest de spoel echter plaats maken voor zeer gevoelige magneetsensoren met zogenaamde magnetoweerstand-materialen. Begin jaren negentig ging het om permalloy, een ijzerlegering waarvan de weerstand enkele procenten daalt in een magneetveld. Het detectieprincipe is eenvoudig: in een magnetisch veld daalt de weerstand van een stukje permalloy en dat is eenvoudig te meten door er een spanning over te zetten. Met deze nieuwe sensoren kon men veel zwakkere velden meten, waardoor de omvang van de bits op schijven en tape drastisch kon dalen. Magnetoweerstand-sensoren hebben ervoor gezorgd dat de opslagcapaciteit van harde schijven al bijna acht jaar lang met 60 procent per jaar toeneemt. Dat deze gigantische toename in opslagdichtheid voorlopig niet ophoudt is te danken aan een vondst uit 1988. Toen ontdekten onderzoekers van het Forschungsinstitut Jülich en de Université Paris-Sud vrijwel tegelijkertijd een veel sterker magneto-weerstandeffect in een structuur van dunne lagen metaal. Ze noemden het effect 'giant magnetoresistance' (GMR). In tegenstelling tot het magnetoweerstandeffect van enkele procenten in permalloy lieten de GMR-multilagen een weerstanddaling zien van wel 50 procent. Dit stelde veel gevoeliger 'spin valve'-sensoren in het vooruitzicht.

Eind vorig jaar bracht IBM als eerste een harde schijf met GMR-koppen op de markt. In de 'Deskstar' draaien vijf schijfjes van 3,5 inch boven elkaar. Tien GMR-koppen zweven over in totaal 16,8 gigabyte. De opslagdichtheid in de Deskstar is 2,7 miljard bits per vierkante inch (het is verwarrend, maar de capaciteit van harde schijven drukt men uit in bytes, de opslagdichtheid in bits, 1 byte = 8 bits).

MINI-HARDE SCHIJF

Deze week introduceerde Big Blue als aanloop op Photokina in Keulen een mini-harde schijf. Het ding weegt 20 gram, heeft het formaat van een luciferdoosje en is zo plat als een damsteen. Op het schijfje ter grootte van een rijksdaalder passen 340 megabyte, goed voor het non-stop schieten van honderd foto's met hoge resolutie.

Door de ontwikkelingen in spin valve sensoren denkt Speliotis dat we over enkele jaren al schijven zien met 10 gigabits/inch (1,55 gigabit/cm). We houden nog even de vierkante inch - ongeveer een postzegel - aan om de Amerikaanse mijlpalen te volgen. IBM zegt hierop in 2001 zo'n 10 gigabits te kunnen schrijven in commerciële drives. “Demonstraties in het lab laten nu al dichtheden van 11,6 gigabits per vierkante inch zien”, zegt Speliotis. Volgens hem is 40 gigabit/inch haalbaar met de huidige technieken en met wat kunstgrepen is ook de grens van 100 gigabit/inch te bereiken. “In het verleden zijn voorspellingen van deskundigen over de ontwikkeling van harde schijven steeds te pessimistisch gebleken”, zegt hij. “Maar ergens in de volgende eeuw zullen we zeker barrières tegenkomen, atomair dan wel financieel van aard.”

Toch denkt Speliotis dat magnetische deeltjes nog stabiel kunnen zijn tot 10 nanometer, zo'n 30 atoomdiameters. Een soort krachtmicroscopen zou dit soort media kunnen beschrijven en lezen. Geen mens weet of iemand ooit behoefte zal hebben aan dit soort informatiebanken, maar er is 1 terabit per vierkante inch mee op te slaan, een miljard maal een miljard bits.