Nível Físico
No nível físico, as representações simbólicas utilizam propriedades de fenômenos físicos para representar informações em dispositivos como cartões perfurados, fitas magnéticas, discos óticos ou códigos de varredura. Cada um desses meios emprega uma forma específica de representação, como a presença ou ausência de furos em cartões perfurados, mudanças de polaridade magnética em fitas magnéticas, mudanças de cor em discos óticos ou padrões de códigos de varredura. Ao longo do tempo, diversas tecnologias têm sido empregadas para a essencial tarefa de armazenamento de informações no nível físico. Todas essas tecnologias têm a particularidade de armazenar informações de forma permanente, independente de energia elétrica externa. Nos parágrafos a seguir, é apresentado um breve histórico das principais dessas tecnologias, desde suas origens até as mais recentes inovações e tendências, traçando um panorama da evolução do nível físico na hierarquia de representações simbólicas.
Breve Histórico das Principais Tecnologias
Primórdios
Iniciemos o histórico com uma visão das tecnologias que constituem um quadro parcial dos primórdios do desenvolvimento de soluções de representações físicas. Essas tecnologias foram escolhidas com base em sua significativa presença de mercado ao longo do tempo. Em 1890, o estatístico americano Herman Hollerith inventou a máquina tabuladora de cartões perfurados, que podia gravar até 960 bits, representando um marco importante no desenvolvimento das representações simbólicas. Posteriormente, em 1928, Fritz Pfleumer, um engenheiro de Dresden, Alemanha, inventou a fita magnética, também conhecida como audiotape, que permitia o armazenamento de sinais analógicos. Mais tarde, em 1932, Gustav Tauschek, um engenheiro austríaco da IBM, desenvolveu a memória de tambor, alcançando uma capacidade de armazenamento de 10KB.
Já nos pós-guerra, em 1949, na Universidade de Harvard nos Estados Unidos desenvolveu-se uma tecnologia que permitia leitura e escrita em uma memória de núcleos magnéticos, fundamental para possibilitar não somente o armazenamento, mas também a recuperação das informações. Em 1956, uma equipe da IBM alcançou a invenção do primeiro disco rígido do mundo, presente no IBM 305 RAMAC. Esse artefato tinha o tamanho de dois refrigeradores e pesava uma tonelada, contendo 50 discos de 24 polegadas, com capacidade total de apenas 5MB e velocidade de transferência de dados de 10K/s. Apesar dessas características que parecem tornar o uso impraticável, as ideias dessa equipe deram origem a diversos aprimoramentos, a ponto de, atualmente, os discos rígidos de computadores pessoais geralmente terem 3,5 polegadas e existirem produtos com capacidade de até 18TB.
Paralelamente ao desenvolvimento de discos rígidos, surgiram também meios físicos destinados a permitir a simples transferência de informações entre computadores, mediada por pessoas. Em 1971, os disquetes (floppy disks) foram introduzidos pela IBM e amplamente usados do meio da década de 1970 até o final dos anos 1990. Inicialmente, eram discos de 8 polegadas, seguidos por discos de 5,25 e 3,5 polegadas. Motivadas pela indústria cinematográfica, a Sony e a Philips lançaram em 1982 o CDP-101, o primeiro tocador de áudio em CD comercial do mundo, e os CDs se tornaram populares. Os primeiros CDs foram usados apenas na indústria cinematográfica, com capacidade para armazenar, em um diâmetro de 30cm, a representação simbólica de 60 minutos de vídeo ou áudio de cada lado. Mantendo a linha de dispositivos de fácil transporte, sobretudo entre computadores pessoais, a densidade de armazenamento da tecnologia de CD foi continuamente aprimorada, e surgiram as tecnologias CD-ROM, DVD, D9, D18 e Blu-ray, todas amplamente difundidas como meios físicos de armazenamento de informações.
Atuais
O crepúsculo dos anos 80 marcou a aurora das tecnologias que ainda predominam atualmente. Em 1989, surgiu o primeiro disco rígido de estado sólido, também conhecido como unidade de estado sólido (SSD), composto por uma matriz de chips de memória eletrônica. Desde então, os SSDs têm gradualmente se desenvolvido e encontrado aplicações em diversos campos profissionais, como medicina, aviação e militar. Comparado aos discos rígidos tradicionais, os SSDs oferecem vantagens notáveis, como velocidade rápida de leitura e escrita, resistência a choques e quedas, baixo consumo de energia, ausência de ruído e leveza. No entanto, possuem uma vida útil limitada, esgotando-se após uma quantidade específica de apagamentos e regravações.
Em 1998, foi lançada a primeira unidade flash USB, mas somente em 2004, com a versão lançada pela empresa chinesa Netac Technology Co., Ltd., as características de pequeno tamanho e grande capacidade de armazenamento foram alcançadas. No intervalo, em 1999, as empresas japonesas Panasonic, Toshiba e SanDisk Corporation desenvolveram conjuntamente o cartão SD, outra opção na linha da tecnologia flash. Inicialmente, a capacidade era de apenas 2, 4 ou 8MB e, com as contínuas atualizações do padrão, agora atinge 128, 512GB ou até mesmo 1TB, tornando-se uma solução versátil e popular para armazenamento de dados.
Tendências Futuras
O progresso dos descobrimentos e invenções não aguardou o século XXI para trazer à tona algumas das tecnologias que moldarão as evoluções futuras, com especial enfoque em escalas nanoscópicas. Em 1998, as Universidades de Minnesota e Princeton, nos Estados Unidos, alcançaram sucesso ao desenvolver um protótipo de disco quântico, um sistema nanoarray composto por nanobastões magnéticos. O disco quântico, quando atingir a maturidade tecnológica, poderá ser equivalente, potencialmente, a algo entre 100.000 e 1 milhão de discos atuais, ao mesmo tempo em que reduzirá o consumo de energia em até 10.000 vezes.
Em outra abordagem, uma equipe de pesquisa científica da Universidade de Wisconsin, também nos Estados Unidos, alcançou em 2002 o desenvolvimento de um material de memória de silício em nível atômico, cuja densidade de informações armazenadas seria 1 milhão de vezes maior do que a dos discos óticos atuais. Em 2014, foi a vez da Universidade de Michigan descobrir, em um estudo, que a combinação de nanopartículas é como um cubo de Rubik, girando em torno de um ponto central, e que sua mudança de estado pode ser usada para codificar informações como uma sequência de 0s e 1s. Esses esforços de pesquisa têm como objetivo alcançar métodos de armazenamento em escala nanoscópica, aumentando fundamentalmente a capacidade de armazenamento através de dispositivos ultradensos. Essa é a direção de desenvolvimento que concentra os maiores esforços e mostra-se a mais promissora para os futuros dispositivos de armazenamento.
Elo com Nível Binário
A relação entre os níveis físico e binário se estabelece através do uso de dispositivos eletrônicos para converter os fenômenos físicos (representações físicas/eletrônicas/magnéticas/ópticas), que formam a base das tecnologias de nível físico mencionadas anteriormente, em símbolos manipulados pelo nível binário. Essas representações físicas distintas são transformadas pelos dispositivos mencionados em unidades fundamentais das informações digitais, chamadas bits, que podem ser 0 ou 1, representando valores simbólicos binários. Assim, cada fenômeno físico utilizado na representação simbólica é mapeado para um conjunto de símbolos.
Ao utilizar as propriedades dos fenômenos físicos como base para representar informações, o nível físico desempenha um papel essencial no armazenamento, processamento e transmissão de dados em sistemas computacionais e tecnologias de informação. O avanço contínuo e a miniaturização da tecnologia têm possibilitado o aumento da capacidade de armazenamento e a velocidade de processamento dos dispositivos físicos, impulsionando o desenvolvimento de soluções cada vez mais sofisticadas e eficientes para a manipulação de informações em formato digital.