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存储技术的前世今生(上篇)

最新更新时间:2022-09-21
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说到存储,大家都会想到硬盘。


硬盘


其实,存储既是一个微观的概念,也是一个宏观的概念。


微观上来说,它就是指的数据存储、计算机存储、硬盘存储。而宏观上呢,所有物品、信息的保管和保存,皆可称为存储。


人类文明的发展史,其实就是建立在存储技术的演进之上的。


在远古时期,早期人类通过结绳记事、龟甲兽骨,点燃了人类文明的火种。


后来,随着工艺技术的进步,逐渐有了竹简木牍、纸张缣帛,人们可以更好地记录信息(历史、文化和技能),从而将文明不断地延续和传承下去。


到了18世纪,工业革命开始萌芽,从而将人类信息存储技术推向了一个全新阶段——打孔卡时代


█ 打孔卡时代


1725年,法国人巴斯勒·布乔(Basile Bouchon)发明了打孔卡(穿孔卡),用于织布机。


打孔卡织布机(模型)


大家对这个东西可能有点陌生,它有点像我们现在考试使用的答题卡。



织布机在编织过程中,编织针会往复滑动。根据打孔卡上的小孔,编织针可以勾起经线(没有孔,就不勾),从而绘制图案。换言之,打孔卡是存储了“图案程序”的存储器,对织布机进行控制。


这一发明,标志着人类机械化信息存储形式的开端。


1801年,法国织机工匠约瑟夫·马里尔·雅卡尔(Joseph Marie Jdakacquard)对打孔卡进行了升级。


他将打孔卡按一定顺序捆绑,变成了带状,创造了穿孔纸带(Punched Tape)的雏形。这种纸带,被应用于提花织机。


1846年,传真机和电传电报机的发明人亚历山大·贝恩(Alexander Bain)将穿孔纸带技术引入自己的电报机,大幅提升了工作效率。


这个东西,小枣君在多年前亲眼见过(暴露年龄了)


到了1890年,一个牛人的出现,让打卡孔技术进一步发扬光大。这个人,就是德裔美国人——赫尔曼·何乐礼(Herman Hollerith)。


赫尔曼·何乐礼(1860-1929)


这位老兄在打孔卡的基础上,发明了打孔卡制表机,专门用于收集并统计人口普查数据。


打孔卡制表机


这种制表机的统计速度更快。根据史料记载,在1890年的美国人口普查中,通过打孔制片和打孔机,仅6周就完成了统计工作。而此前1880年的美国人口普查,数据全靠手工处理,历时7年才得出最终结果。


如此巨大的效率提升,使得制表机在各个行业迅速普及。它标志着半自动化数据处理系统时代的开始。


打孔卡技术,直到1960年代都还在广泛使用


后来,1896年,赫尔曼·何乐礼创办了制表机器公司(Tabulating Machine Company)。这家公司,也就是大名鼎鼎的IBM公司的前身。


█ 磁存储时代


打孔卡和制表机属于机械式存储技术,虽然比传统人力有了大幅的效率提升,但仍然存在故障率高、存储量低的问题。


于是,在19世纪电信号技术的推动下,一种新型存储技术逐渐开始崛起,那就是——磁介质存储


最早的磁介质的相关文章,发表在1888年9月8日的英国《电气世界》杂志上。在"一些可能形式的留声机"一文中,作者奥伯林·史密斯(Oberlin Smith)发表了最早的关于磁记录的观点,他建议:“采用磁性介质来对声音进行录制”。


奥伯林·史密斯(1840-1926)


1898年,丹麦工程师瓦蒂玛·保尔森(Valdemar Poulsen)将奥伯林·史密斯的想法付诸实施。


他在自己的电报机中首次采用了磁线技术,使之成为人类第一个实用的磁声记录和再现设备。


瓦蒂玛·保尔森的磁线电报机


这个磁记录设备的工作原理并不复杂:设备有一个磁头,声音的电信号传输到磁头,产生与信号相似的磁化模式,进行记录。读取时,磁头从磁线中获取磁场的变化,并将它们转换成电信号。


1928年,德国工程师弗里茨·普弗勒默(Fritz Pfleumer)发明了录音磁带,可以存储模拟信号,标志着磁性存储时代的正式开启。


这个录音磁带的工作原理也很简单:将粉碎的磁性颗粒用胶水粘在纸条上,制备成磁带。磁带在移动过程中,随着音频信号强弱,磁带被磁化程度也会发生变化,从而记录声音。


有趣的是,后来德国人之所以大力推动磁带技术的改进,是为了更好地传播希特勒的讲话。而美国人后来积极引进了这项技术,则是为了传播流行音乐。


1932年,磁存储技术再次有了重大突破。


这一年,奥地利工程师古斯塔夫·陶谢克(Gustav Tauschek)发明了磁鼓存储器


磁鼓存储器


这个存储器有点像电动机。它包含一个大型金属圆柱体,外表面涂有铁磁记录材料。


在存储器外壳的内侧,有大量的静态磁头。这些磁头不寻找数据,而是等待磁扇旋转就位,进行读取。大家可以看到,磁线变成了磁面,越来越像后来的磁盘了。


当时,古斯塔夫·陶谢克的这个原始磁鼓存储器,容量约为500,000bit(62.5KB)。


进入20世纪40年代后,人类的电子数字计算机技术开始了大爆发。


1942年,美国爱荷华州立学院的约翰·文森特·阿塔纳索夫(John Vincent Atanasoff)教授和他的学生克利福特·贝瑞(Clifford Berry)发明了世界上第一台电子数字计算机(此前的都是机械式计算机)——ABC(Atanasoff–Berry Computer)。


ABC(复制品)


ABC使用二进制数字来表示所有数字和数据,使用电子元件进行计算(而非机械开关),计算和内存分离……所有这些,这都是现代计算机的要素。


很多读者肯定会问:世界上第一台数字电子计算机,不是ENIAC吗?


其实不是的,ENIAC只能排第11。而且,ENIAC的设计者盗窃了Atanasoff的设计。1973年,美国法院裁定取消了ENIAC的专利。


ABC使用了IBM的80列穿孔卡,作为输入和输出,使用真空管处理二进制格式的数据。数据的存储,则是使用的再生电容磁鼓存储器(Regenerative Capacitor Memory)。


第一台电子计算机之后,美国科技管理体系的奠基人、IEEE爱迪生奖得主万尼瓦尔·布什(Vannevar Bush)放出预言:


“人类终将发明存储书籍、记录、沟通等所有人类知识的机器”。


█ 点歪的科技树

除了磁存储之外,在20世纪40年代,人类还拓展了其它几条存储科技线。

1946年,波兰天才发明家扬·亚历山大·拉奇曼(Jan A. Rajchman)发明了一种选择性静电记忆管——Selectron Tube。

扬·亚历山大·拉奇曼和他的Selectron Tube

它是人类第一个真正的数字、随机存取高速存储器(RAM),使用静电荷存储数据在真空管内,能够短暂存储大约4000字节的数据。

1947年,弗雷迪·威廉姆斯Freddie Williams)和汤姆·基尔伯恩(Tom Kilburn)发明了类似原理的威廉姆斯-基尔伯恩管(Williams–Kilburn tube)并商用。


IBM的第一台商用科学计算机701,就使用了72个该管,作为内存。

比上面两种存储器更知名的,是二战期间约翰·皮斯普·埃克特(J. Presper Eckert)发明的汞(水银)延迟线存储器(Delay Line Memory)

这个延迟线存储器的原理,是通过用压力波的传播延迟来存储数据。

拿一个管子,装满汞(水银)。管子一端放扬声器,另一端放麦克风。


扬声器发出脉冲时会产生压力波,压力波需要时间传播到另一端的麦克风,麦克风将压力波转换回电信号。

有压力波代表1,没有代表0。通过内部电路,连接麦克风和扬声器,再通过放大器来弥补信号衰弱,从而实现一个存储数据的循环。

研究出这个技术之后,埃克特和同事约翰·莫奇利(John Mauchly)一起设计了ENIAC。后来,他们又做了一个更大更好的计算机,叫EDVAC。

EDVAC(猜猜这个男人是谁?)



EDVAC总共用了128条延迟线,每条能存352bit,总共能存45,000bit,是最早的“存储程序计算机”之一。

延迟线存储器有一个很大的缺点:每一个时刻只能读一位 (bit) 数据,并且只能顺序读取(所以又叫“顺序存储器”或“循环存储器”)。

因此,到1950年代中期,延迟线存储器基本就过时了。

一种新型存储技术的崛起,实现了对延迟线存储器的替代,那就是——性能、可靠性更高,而成本更低的“磁芯存储器”

说白了,存储技术还是绕回了磁存储这条科技线。

1947年,美国工程师弗雷德里克·菲厄(Frederick Viehe)第一个申请了磁芯存储器的专利。

1948年,华裔传奇科学家王安发明了“脉冲传输控制装置(Pulse transfer controlling device)”,实现了对磁芯存储器的读后写(Write-after-Read)。1949年,王安申请了专利,并以50万美元的价格卖给了IBM。

大家应该听说过这个王安,他是后来传奇IT公司王安电脑的创始人。


磁芯存储器原理其实和磁鼓存储器类似,都是利用通电时磁化的变化来代表0和1,以此记录数据。


给磁芯绕上电线,并施加电流,可以将磁化在一个方向。如果关掉电流,磁芯保持磁化。如果沿相反方向施加电流,磁化的方向(极性)会翻转,这样就可以用来区别存储1和0。

磁芯存储器

磁芯存储器的第一次大规模运用,是1953年麻省理工学院的Whirlwind 1计算机。

后来,杰·福雷斯特(Jay Forrester)完善了磁芯存储技术,推出第一个可靠的计算机高速随机存取存储器。

磁芯存储器在20世纪70年代被广泛用作计算机的主存储器,直到Intel的半导体DRAM内存批量生产。

值得一提的是,1951年,磁带首次被用于商用计算机上存储数据,在UNIVAC计算机上作为主要的I/O设备。

UNIVAC

UNIVAC的磁带机

UNIVAC采用了磁带技术,引起了IBM公司的注意。

不久后,IBM发明了新的磁带机制,使用真空柱隔离,保证磁带在加速或者减速过程中不易被撕裂。

1952年,IBM发布了一台全新的磁带存储设备(型号726),与IBM 701计算机一起销售。

█ 姗姗来迟的硬盘时代


1956年9月14日,在IBM公司的一场新闻发布会上,展示了一个硕大无比的机柜。


这个机柜看上去像一个水族箱,高约2米,重量接近1吨。在机柜的里面,有一层一层的盘片(直径61cm),有点像堆叠起来的唱片。


这个机柜是干啥用的呢?

答案揭晓:它就是后来被称为人类历史上第一块硬盘的IBM 350 RAMAC。

(全名很长,叫做统计控制随机存取法,Random Access Method for Accounting Control。)

IBM 350 RAMAC
更准确来说,它是一台使用了移动头硬盘驱动器(HDD)的商用计算机。

IBM 350 RAMAC的存储空间极小,仅仅只有5MB。它的读写速率更是低得可怕,只有97.6Kb/s。

然而,就是这么一台“弱鸡”的设备,当时售价高达35400美元(相当于现在的30多万美元),还不一定能买得到。

我们现在都知道,IBM 350 RAMAC的诞生,意义极为深远——它标志着人类正式进入了硬盘时代。数字技术的高速发展,又完成了一块重要的拼图。

此后,作为存储技术的开山鼻祖和龙头老大,IBM继续引领着硬盘这个产品的发展。

1962年,IBM发布了第一个可移动硬盘驱动器1311,它有六个14英寸的盘片,可存储2.6MB数据。

IBM1311,看上去有点像一个灶台


1973年,IBM又发明了Winchester(温彻斯特)硬盘3340,使用了密封组件、润滑主轴和小质量磁头。

其特点是工作时磁头悬浮在高速转动的盘片上方,而不与盘片直接接触,这便是现代硬盘的原型。

之所以这个硬盘会叫做“温彻斯特”,主要是因为它的两个30MB存储单元,恰好是当时著名的“温彻斯特来福枪”的口径和填弹量。

温彻斯特架构,已经和现在的硬盘很像了

“温彻斯特”磁盘驱动器诞生后,现代硬盘的基本架构被确立。此后,硬盘的主要发展方向,就是容量的不断增加,以及体积的不断减小。

换句话说,你现在用的HDD硬盘,架构上和1973年没有太大区别。

1980年,IBM推出了第一块GB级别的存储硬盘。同样是这一年,一家名不见经传的小公司,发明了一款便宜的硬盘产品,开始挑战IBM的地位。

这家公司,就是成立于1979年的希捷(Seagate)。


希捷推出的硬盘型号,是ST-506。盘片尺寸为5.25英寸,比IBM的3340小得多。这个硬盘可以存储5MB的数据,价格大概1500美刀。不久后,希捷又推出了10MB容量的ST-412。

ST-412


1983年,苏格兰公司Rodime发布了世界上第一款3.5英寸硬盘,意义同样深远。

小尺寸硬盘的出现,为个人PC的诞生奠定了基础,也为家庭和中小企业的数字化创造了条件。

大家都知道半导体领域有一个摩尔定律。其实,硬盘也有自己的定律,那就是——硬盘的容量密度,每年增加约1倍。

到90年代,诺贝尔物理学奖得主艾尔伯·费尔(Albert Fert)和彼得·格林贝格(Peter Grunberg)发现了巨磁电阻效应。

基于该效应研究的GMR巨磁阻效应磁头技术,以及SMR瓦楞式堆叠磁盘技术成功将机械硬盘的磁道密度提升上百倍。

2007年,日立(2003年收购了IBM硬盘事业部)率先推出了TB级别的硬盘,是存储技术的一个重要里程碑。

该硬盘采用了垂直存储技术,将平行于盘片的磁场方向改变为垂直,更充分地利用了存储空间。此外,垂直存储技术能耗小,发热量减小,改善了数据抵抗热退减的能力,提高了硬盘的可靠性。

2010年,氦气封装技术量产,除了让硬盘的容量变大外,温度和耗电能够再降低,耐用度和稳定性获得了大幅提升。

2022年年初,希捷确认将推出22TB容量的机械硬盘(采用叠瓦式),有望刷新机械硬盘最大单盘容量的记录。

█  软盘和光盘


接下来,我们再来简单说说软盘和光盘。

世界上第一个软盘,同样来自IBM,诞生于1971年。当时,这个软盘的直径是8寸,容量80KB,只读不可写。四年后,可读性的软盘诞生,容量增加到256KB。

后来,随着技术的发展,又诞生了5.25寸的软盘,并广泛使用在 Apple II、IBM PC 及其他兼容电脑上。

1980年,日本索尼开发了3.5寸软盘,并成为市场标准。1984年,苹果公司开始在Mac上开始采用3.5寸软盘。当时,软盘的容量还不到1MB。后来,1.44MB的软盘,成为市场主流。

2005年,小枣君还在上大学的时候,就用着这种软盘,极易损坏。

再后来,软盘容量最高做到250MB。然而,随着光盘和U盘的出现,软盘迅速从市场消失。

再看看光盘。

相比软盘,光盘的寿命要坚挺很多。

1965年美国物理学家罗素Russell发明了第一个Compact Disk/CD(数字-光学记录和回放系统),1966年提交了专利申请,这是后来CD/DVD的前身。

1982年,索尼和飞利浦公司发布了世界上第一部商用CD音频播放器CDP-101,光盘开始普及。普通标准120型的光盘,最大容量已经可以达到700MB。

DVD原是Digital Video Disc(数字视频光盘)的首字母缩略。1995年,IBM牵头将高容量光盘标准统一合并成为DVD,重新定义为Digital Versatile Disc(数字多用途光盘)。当时,DVD的容量,可以达到4.7GB。



蓝光DVD上市后,每片光盘的容量高达25G或27GB。采用多层的话,更是可以达到惊人的400GB(16层)。

光盘的工作原理其实不是利用磁性,而是刻坑——光盘表面有很多小坑,造成光的不同反射,光学传感器会捕获到,并解码为1和0。

█  结语


进入21世纪后,信息技术以爆炸式的速度发展。

互联网的普及,手机的崛起,使得整个社会的数字化进展大幅加快。由此带来的数据增长,也是惊人的。

传统HDD硬盘尽管在不断提升自己的容量和性能,但仍然无法满足时代的需要。

于是,一种新型的存储技术迅速崛起,开始了对HDD的取代。这个技术,就是半导体存储

究竟什么是半导体存储?大家经常听说的DRAM、FLASH、NAND、SSD……到底是什么意思?敬请关注下集。



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