Chiếc ổ cứng trong ngăn kéo không quay, không điện, không ai đụng tới. Nhưng lớp từ trên mặt đĩa thì không nằm yên: mỗi hạt tinh thể ghi bit đang bị nhiệt độ phòng lắc chừng một tỉ lần mỗi giây, và mỗi cú lắc là một lần thử lật. Ba mươi năm tăng dung lượng ổ cứng là cuộc đua với đúng cú lắc ấy:
Một bit là một đám đông, không phải một nam châm
Ở mật độ khoảng 1 Tb/in² của ổ 3,5 inch hôm nay, mỗi ô bit rộng vỏn vẹn 645 nm². Bên dưới là thảm hạt CoCrPt đường kính ~9 nm, mỗi hạt một tinh thể đơn đômen — cái kim la bàn cứng chỉ có hai tư thế hợp lệ, lên hoặc xuống, ngăn cách nhau bởi vành oxit mỏng. Xếp lục giác với bước 9 nm thì mỗi hạt chiếm 70 nm²: một bit ngồi trên khoảng chín hạt.
Vì sao không một hạt một bit? Vì mép của một chuyển tiếp từ không bao giờ là đường thẳng — nó răng cưa theo đúng biên hạt, và tín hiệu đầu đọc chỉ nổi lên khỏi cái mép lởm chởm ấy khi được lấy trung bình trên nhiều hạt. Muốn ổ dày dữ liệu hơn thì không có đường nào khác ngoài làm hạt nhỏ đi. Đó là lúc nhiệt độ phòng vào cuộc.
Nhiệt độ phòng gõ cửa mỗi hạt một tỉ lần mỗi giây
Lật một hạt sang chiều ngược đòi trèo qua một rào năng lượng cao đúng bằng
Ku·V — hằng số dị hướng của vật liệu nhân thể tích hạt. Với CoCrPt
(Ku = 5·10⁵ J/m³) và hạt 9 nm, rào cao 191 zJ, trong khi năng lượng nhiệt
ở 300 K chỉ là kT = 4,14 zJ, nhỏ hơn 46 lần. Nghe như bất khả xâm phạm.
Nhưng nhiệt không rót đều, nó gieo xúc xắc, và hạt được gieo khoảng 10⁹ lần
mỗi giây — nghịch đảo của tần số tiến động tự nhiên của mômen từ:
τ = τ₀ · exp( Ku·V / (k_B·T) ) với V = π·D³/6 và τ₀ ≈ 10⁻⁹ sXác suất thắng mỗi cú gieo là e^(−46,1) = 9,7·10⁻²¹. Nhân với một tỉ cú mỗi giây, hạt 9 nm giữ được chiều của nó trung bình 3 253 năm. Chữ “trung bình” phải hiểu cho đúng: giống hệt hạt phóng xạ không biết tuổi của mình, hạt từ không đếm ngược tới hạn — xác suất nó lật trong giây tới là như nhau ở ngày đầu tiên và ở năm thứ ba nghìn.
Vách đá nằm giữa 9,8 và 6,9 nanomet
Kéo thanh đường kính và để ý: trục tung của demo là thang logarit trải ba mươi bậc, vậy mà đường cong vẫn gần như dựng đứng. Lý do nằm ở chỗ D chui vào công thức qua D³ rồi mới chui tiếp vào số mũ.
Hạt 9,8 nm sống 2,2 tỉ năm. Gọt bớt 0,8 nm còn 9,0: 3 253 năm — đã mất một triệu lần. Gọt tiếp 0,4 nm còn 8,6: 9 năm, đã trượt dưới chuẩn lưu trữ mười năm. Và ở 7,0 nm: 2,6 giây. Toàn bộ dải sinh tử ấy — từ 9,8 xuống 6,9 nm — dày 2,9 nanomet, chừng mười hai lớp nguyên tử coban, và trong đó tuổi thọ dữ liệu rơi 6,6·10¹⁶ lần, từ nửa tuổi Trái Đất xuống đúng một giây. Riêng chặng 9 → 7 nm, đường kính bớt 22%, đã chia tuổi thọ cho 4·10¹⁰.
Đó là giới hạn siêu thuận từ: dưới một cỡ nào đó, hạt không còn là nam châm nữa mà là một cái kim la bàn bị gõ liên tục. Nó không phải nỗi lo lý thuyết — nó là thứ đã chặn đứng đà tăng mật độ ổ cứng vào giữa thập niên 2000.
Nhiệt độ ở mẫu số, và mùa hè biết điều đó
T nằm dưới mẫu của số mũ nên nó cũng cắn theo kiểu hàm mũ. Vẫn hạt 9 nm ấy: ở 27 °C được 3 253 năm; đẩy lên 60 °C — đúng trần nhiệt độ hoạt động mà nhà sản xuất ghi trên nhãn — chỉ còn 34 năm. Nóng thêm 33 độ, tuổi thọ chia cho 96.
Ba mươi tư năm vẫn thừa cho đời một cái ổ, nên đây không phải lời doạ về chiếc laptop nóng của bạn. Nó là lời giải thích vì sao cái trần ghi trên nhãn là 60 chứ không phải 90, và vì sao thẻ nhớ cũng chỉ dám hứa mười năm dù cơ chế rò của nó — electron xuyên hầm qua lớp oxit — chẳng dính gì tới nhiệt. Hai loại bộ nhớ, hai hàm mũ khác nhau, và cả hai đều chỉ bán cho bạn phần đuôi an toàn.
Trường hợp biên: nung điểm ghi lên 450 °C rồi làm nguội trong một nano giây
Lối thoát hiển nhiên là đổi vật liệu. FePt pha L1₀ có Ku = 7·10⁶ J/m³, gấp mười bốn lần CoCrPt: đặt con số ấy vào demo rồi hạ D xuống 3,6 nm vẫn còn 27 năm, tức ô bit co lại gần sáu lần diện tích.
Nhưng chính cái rào cao ấy chặn luôn đầu ghi. Trường dị hướng của FePt là 2Ku/Ms ≈ 12 T, trong khi cực từ tốt nhất người ta biết làm — hợp kim FeCo — bão hoà ở khoảng 2,4 T. Hạt bền tới mức không ai ghi vào nổi: cái bẫy ba mặt mà ngành lưu trữ gọi thẳng là trilemma.
Công nghệ HAMR lách qua chữ T. Một laser bán dẫn ngay cạnh đầu ghi nung điểm sắp ghi lên ~450 °C trong chưa tới một nano giây; sát điểm Curie (750 K với FePt) thì chính Ku sụp về gần không — hạt tạm quên rằng nó cứng, đúng kiểu viên ferrite trong nồi cơm điện quên mình là nam châm. Đầu từ ghi vào đúng khoảnh khắc ấy, điểm nóng nguội đi trong vài nano giây, rào 12 T dựng lại và khoá bit hàng thế kỷ. Thang nhiệt độ trong demo dừng ở 450 K cũng vì thế: công thức trên giữ Ku cố định, nên nó thấy mẫu số nhích mà không thấy tử số sụp.
Ở đầu kia của thang là miếng nam châm dán tủ lạnh. Một hạt ferrite trong đó
đường kính cỡ 1 µm, thể tích gấp hạt ổ cứng 1,4 triệu lần, cho
Ku·V/(k_B·T) ≈ 4·10⁷. Dịch số mũ ấy ra thời gian thì τ là số 1 với mười
tám triệu chữ số không đứng sau. Nam châm tủ lạnh không bao giờ tự quên —
muốn nó quên, bạn phải nung nó, hoặc đợi lâu hơn tuổi vũ trụ chừng mười tám
triệu bậc.