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¿Cómo se guarda la información en un ordenador?

Una tarea asombrosa en la era digital.

Author: MundoMayor/martes, 16 de mayo de 2017/Categories: Tecnología

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Si usted utiliza un ordenador, realiza de forma rutinaria una operación consistente en hacer clic en un símbolo que recuerda a los populares disquetes de los años 80 del siglo pasado:

Barra de herramientas del editor de textos Word 2013, con el icono de almacenamiento señalado con la flecha roja

Ahora bien, ¿alguna vez se ha preguntado qué sucede cuando realiza esa operación? A esa y otras preguntas relacionadas es a lo que van dedicados un conjunto de varios artículos que inicio con este, en los que describiré los tres medios principales de almacenar la información de que disponemos en la actualidad: magnéticos, ópticos y electrónicos, según estemos guardando los datos en un disco duro, en un CD (Compact Disc) o DVD (Digital Versatil Disc)  o en un “pen-drive”, respectivamente.

En este primer artículo describiré el que históricamente apareció en primer lugar, que es el más ampliamente utilizado en los ordenadores actuales: el procedimiento magnético.

1. Los medios de almacenamiento de información: unas definiciones

La capacidad de almacenar y guardar datos en la era de las tecnologías de la información y las comunicaciones está estrechamente vinculada con la codificación digital, en la que los documentos (sean imágenes, textos, vídeos, etc.) sufren un proceso de conversión a lenguaje binario, por medio del cual toda la información, absolutamente toda, se “reduce” a un conjunto de “unos” y “ceros”, de manera que guardar datos de la naturaleza que sea, pasa en primer lugar por codificarlos. Por ejemplo, en ese código, el número 12 se escribe así: 

12 = 1100

Una vez efectuada la conversión, tiene lugar el proceso de almacenamiento, para lo que indicaré a continuación a grandes líneas la esencia de los tres procedimientos utilizados en los ordenadores modernos.

Los sistemas de almacenamiento magnético engloban aquellos dispositivos que utilizan como soporte físico un medio material que tiene determinadas propiedades magnéticas, que detallaré a lo largo de este y el siguiente artículo. Es el caso de los populares discos flexibles o “floppy disc” (cuyos diámetros variaban entre 5 ¼” y posteriormente 3 ½”), muy extendidos en los años 80 y 90 del siglo pasado y de los actuales y ampliamente utilizados discos duros.

Por almacenamiento óptico se identifica a aquellos sistemas que utilizan señales ópticas para leer la información almacenada en unos soportes físicos (CD, DVD y Blu-ray), en los que los “unos” y “ceros” están representados por protuberancias microscópicas que se graban en las superficies de los dispositivos, siguiendo un proceso mecánico denominado Moldeado de Precisión; dedicaré un par de artículos a describir en detalle estos medios.

Finalmente, el almacenamiento electrónico. Se engloban en esta categoría los sistemas que utilizan dispositivos en los que los procedimientos de grabado y lectura son de naturaleza exclusivamente electrónica, para lo que hacen uso de las propiedades de ciertos dispositivos fabricados con semiconductores. Son las memorias USB (Universal Serial Bus), pen-drive, discos duros de estado sólido, etc. También dedicaré varios textos a describir su modo de funcionamiento. En este primer artículo, me centraré en el almacenamiento magnético.

2. El almacenamiento magnético por excelencia: el disco duro

Todos los procedimientos que se engloban en esta categoría utilizan como soporte físico materiales magnéticos, que a grandes rasgos podemos definir como materiales constituidos por un gran número de “imanes” microscópicos, que pueden orientarse en una determinada dirección mediante la aplicación de un campo magnético externo.

La historia detallada de los procedimientos de almacenamiento magnético, desarrollados desde finales del siglo XIX, es muy interesante y está llena de inventos ingeniosos; recomiendo al lector interesado en esa historia la lectura de este artículo.

En la actualidad, el medio de almacenamiento magnético más extendido es el disco duro (“Hard Disc”, en lo que sigue, HD). Como muchas otras innovaciones relacionadas con los ordenadores, el HD se desarrolló en la compañía IBM a lo largo de los años 50 y 60, aunque la patente del HD (US 3503060) tal y como lo concebimos en la actualidad es de 1970; la figura muestra la imagen clave de dicha patente:

Figura principal de la primera patente de un HD, que describe un funcionamiento prácticamente idéntico al de los dispositivos actuales: la información guardada en una determinada zona del disco (los diversos sectores circulares) se lee o graba con dispositivos (puntos rojos) situadas en brazos móviles (en naranja). El disco se mueve con un motor (cinta verde) para acelerar el proceso de búsqueda.

El origen de la idea del HD fue obtener un procedimiento para acceder a la información de una manera más rápida que los métodos vigentes en aquellos años (principalmente, las cintas o tarjetas perforadas y las cintas magnéticas), en las que para llegar hasta una determinada información había que leer todos los datos previos (un procedimiento de acceso denominado en serie), de forma que si se buscaban datos guardados al final de un determinado archivo, el ordenador debía leer todos los datos anteriores, haciendo extraordinariamente lento el proceso de búsqueda. En un HD ese proceso es mucho más veloz, ya que el dispositivo puede acceder con igual rapidez y facilidad a cualquier zona del disco de almacenamiento, sin necesidad de leer zonas no deseadas, siguiendo un procedimiento de búsqueda en paralelo, tal y como muestra la figura de la patente.

IBM también desarrolló los discos magnéticos flexibles (floppy disc), dispositivos consistentes en un pequeño disco protegido por una carcasa de plástico rígido. El desarrollo original es de 1971 y fueron enormemente populares en las décadas de los 70 y 80; de hecho, en cierto sentido siguen presentes en la actualidad, ya que el icono de almacenamiento de los programas de edición de textos, hojas de cálculo, etc., es precisamente una imagen de esos discos, como muestra la primera figura de este artículo. Dada su limitada capacidad de almacenamiento (1,44 MB), hoy en día están obsoletos y han sido substituidos por las memorias de semiconductores, los populares USB.

3. Dentro de un disco duro

El principio de operación de los HD y de los discos flexibles es muy similar, por lo que me centraré en describir el HD; el interior de uno de ellos se muestra a continuación:

Interior de un HD del autor de este artículo, desprovisto de la carcasa de protección. Recuerda mucho a los populares “tocadiscos”, pero su funcionamiento no tiene nada que ver con estos últimos. Se muestra junto a una moneda de un euro para hacerse una idea del tamaño.


3.1 El soporte físico: los platos

Un HD tiene uno o más discos (se denominan también platos) extraordinariamente planos donde se almacena la información. Cada disco contiene dos elementos esenciales: el sustrato, que es un material que hace de soporte mecánico y le confiere consistencia, y una capa superficial o recubrimiento de un material magnético, que es donde realmente se graban los datos. El nombre de HD proviene de la rigidez de los platos utilizados; la calidad de ambos constituyentes, sustrato y recubrimiento magnético es crítica.

El material del sustrato, además de rígido, debe ser fácil de moldear, ligero, estable, magnéticamente inerte, económico y abundante. El más utilizado hasta la fecha es el aluminio y alguna de sus aleaciones, ya que reúne todos esos requisitos.

Por lo que respecta al recubrimiento magnético, este es una fina capa, que habitualmente es una aleación de Co-Cr-Pt-Ta,  Co-Pt-Ni, etc.; dicha capa contiene imanes microscópicos, que pueden ser orientados en determinadas direcciones en presencia de un campo magnético externo, que es creado por la cabeza grabadora que describiré en el siguiente párrafo. Esa es la región del disco donde se almacena la información y es extremadamente delgada, del orden de 10 a 20 nm de grosor (por comparación, una hoja de papel tiene 100.000-200.000 nm de grosor) [1].

Los imanes microscópicos del recubrimiento del plato se pueden orientar únicamente en dos direcciones (izquierda-derecha o arriba-abajo, según el tipo y procedimiento de grabación). Esas direcciones y su secuencia en el disco representan los “unos” y los “ceros”, es decir, los bits en los que está codificada la información.

Las condiciones de limpieza en las que se deben fabricar estos dispositivos para evitar cualquier contaminación son muy restrictivas, por lo que se realizan en salas limpias, al igual que los circuitos integrados, proceso que describí en este artículo.

3.2. Los elementos de grabación y lectura

La grabación y la lectura de la información la realizan unas cabezas lectoras/grabadoras, que están separadas del plato una distancia extraordinariamente pequeña, lo que condiciona enormemente la extrema planitud que deben tener los discos para evitar daños irreversibles. Ambas contienen pequeñísimos electroimanes en su punta para crear un campo magnético que, en el caso de la cabezas grabadoras, dirigen la orientación de los imanes que se requiere en la capa magnética de la superficie del HD; mientras que en el caso de las cabezas lectoras, los electroimanes detectan la orientación de los imanes microscópicos del disco, sin modificar su orientación.

Es verdaderamente asombroso lo cerca que circulan los cabezales de escritura o lectura sobre la superficie de los discos sin tocarlos. En los HD primitivos, esa distancia era del orden de 100 nm, pero en los actuales, es una cifra tan reducida como 3-5 nm. Esto es debido a que el disco gira a una velocidad muy elevada, entre 7.000 y 10.000 r.p.m., lo que provoca que el aire que fluye entre el cabezal y la superficie del disco genere un efecto de sustentación sobre el brazo que sujeta el cabezal, que le posibilita mantenerse sobre la superficie sin llegar a tocarla, siguiendo un principio idéntico al que permite a los aviones mantenerse en el aire. Se entiende entonces la extraordinaria importancia que tiene el hecho de que se mantenga limpia y plana la superficie del disco. La siguiente figura ilustra esta situación con algunos ejemplos muy reveladores:

Izquierda: imagen ampliada de un cabezal de grabación de un HD. Se observan dos bobinados, superior e inferior (los cables de color ocre) responsables de crear el campo magnético de grabación del HD; también se observa un envoltorio plástico de aislamiento, de color verde, para el cable de los electroimanes. Derecha: detalle de la separación entre la cabeza lectora o grabadora y la superficie del disco (3 nm en el ejemplo). A efectos  comparativos, se muestran en la figura y a escala la sección de un cabello, una mota de polvo, una partícula del humo de un cigarrillo y una huella dactilar

Las razones del porqué la separación entre los cabezales y la superficie del disco debe ser tan reducida están relacionadas con el incremento en la cantidad de información guardada y en la reducción consiguiente del tamaño que debe ocupar cada “uno” y “cero”, es decir, cada bit. En un próximo artículo describiré el procedimiento mediante el cual se graba y lee la información en un HD.

4. Un comentario final

Es interesante resaltar lo sorprendente que resulta el poco cuidado que se tiene con los HD, en especial en los ordenadores portátiles, habitualmente sometidos a un trato muy poco delicado. Todavía más sorprendente es que se de por habitual y cotidiana una tecnología tan sofisticada como la de los HD, lo que resultará aún más sorprendente tras la lectura del siguiente artículo.
__________
[1] 1 nm = 0,000000001 m

Fuente: http://blogs.publico.es - Ignacio Mártil - Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física.

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