【全網(wǎng)首發(fā)】存儲技術的前世今生（上篇）
引言：大家好，我是小棗君。今天這篇文章，我們來聊聊存儲。
說到存儲，大家都會想到硬盤。
硬盤
其實，存儲既是一個微觀的概念，也是一個宏觀的概念。
微觀上來說，它就是指的數(shù)據(jù)存儲、計算機存儲、硬盤存儲。而宏觀上呢，所有物品、信息的保管和保存，皆可稱為存儲。
人類文明的發(fā)展史，其實就是建立在存儲技術的演進之上的。
在遠古時期，早期人類通過結繩記事、龜甲獸骨，點燃了人類文明的火種。
后來，隨著工藝技術的進步，逐漸有了竹簡木牘、紙張縑帛，人們可以更好地記錄信息（歷史、文化和技能），從而將文明不斷地延續(xù)和傳承下去。
到了18世紀，工業(yè)革命開始萌芽，從而將人類信息存儲技術推向了一個全新階段——打孔卡時代。
1725年，法國人巴斯勒·布喬（Basile Bouchon）發(fā)明了打孔卡（穿孔卡），用于織布機。
打孔卡織布機（模型）
大家對這個東西可能有點陌生，它有點像我們現(xiàn)在考試使用的答題卡。
織布機在編織過程中，編織針會往復滑動。根據(jù)打孔卡上的小孔，編織針可以勾起經(jīng)線（沒有孔，就不勾），從而繪制圖案。換言之，打孔卡是存儲了“圖案程序”的存儲器，對織布機進行控制。
這一發(fā)明，標志著人類機械化信息存儲形式的開端。
1801年，法國織機工匠約瑟夫·馬里爾·雅卡爾（Joseph Marie Jdakacquard）對打孔卡進行了升級。
他將打孔卡按一定順序捆綁，變成了帶狀，創(chuàng)造了穿孔紙帶（Punched Tape）的雛形。這種紙帶，被應用于提花織機。
1846年，傳真機和電傳電報機的發(fā)明人亞歷山大·貝恩（Alexander Bain）將穿孔紙帶技術引入自己的電報機，大幅提升了工作效率。
這個東西，小棗君在多年前親眼見過（暴露年齡了）
到了1890年，一個牛人的出現(xiàn)，讓打卡孔技術進一步發(fā)揚光大。這個人，就是德裔美國人——赫爾曼·何樂禮（Herman Hollerith）。
赫爾曼·何樂禮（1860-1929）
這位老兄在打孔卡的基礎上，發(fā)明了打孔卡制表機，專門用于收集并統(tǒng)計人口普查數(shù)據(jù)。
打孔卡制表機
這種制表機的統(tǒng)計速度更快。根據(jù)史料記載，在1890年的美國人口普查中，通過打孔制片和打孔機，僅6周就完成了統(tǒng)計工作。而此前1880年的美國人口普查，數(shù)據(jù)全靠手工處理，歷時7年才得出最終結果。
如此巨大的效率提升，使得制表機在各個行業(yè)迅速普及。它標志著半自動化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)時代的開始。
打孔卡技術，直到1960年代都還在廣泛使用
后來，1896年，赫爾曼·何樂禮創(chuàng)辦了制表機器公司（Tabulating Machine Company）。這家公司，也就是大名鼎鼎的IBM公司的前身。
打孔卡和制表機屬于機械式存儲技術，雖然比傳統(tǒng)人力有了大幅的效率提升，但仍然存在故障率高、存儲量低的問題。
于是，在19世紀電信號技術的推動下，一種新型存儲技術逐漸開始崛起，那就是——磁介質存儲。
最早的磁介質的相關文章，發(fā)表在1888年9月8日的英國《電氣世界》雜志上。在"一些可能形式的留聲機"一文中，作者奧伯林·史密斯（Oberlin Smith）發(fā)表了最早的關于磁記錄的觀點，他建議：“采用磁性介質來對聲音進行錄制”。
奧伯林·史密斯（1840-1926）
1898年，丹麥工程師瓦蒂瑪·保爾森（Valdemar Poulsen）將奧伯林·史密斯的想法付諸實施。
他在自己的電報機中首次采用了磁線技術，使之成為人類第一個實用的磁聲記錄和再現(xiàn)設備。
瓦蒂瑪·保爾森的磁線電報機
這個磁記錄設備的工作原理并不復雜：設備有一個磁頭，聲音的電信號傳輸?shù)酱蓬^，產(chǎn)生與信號相似的磁化模式，進行記錄。讀取時，磁頭從磁線中獲取磁場的變化，并將它們轉換成電信號。
1928年，德國工程師弗里茨·普弗勒默（Fritz Pfleumer）發(fā)明了錄音磁帶，可以存儲模擬信號，標志著磁性存儲時代的正式開啟。
這個錄音磁帶的工作原理也很簡單：將粉碎的磁性顆粒用膠水粘在紙條上，制備成磁帶。磁帶在移動過程中，隨著音頻信號強弱，磁帶被磁化程度也會發(fā)生變化，從而記錄聲音。
有趣的是，后來德國人之所以大力推動磁帶技術的改進，是為了更好地傳播希特勒的講話。而美國人后來積極引進了這項技術，則是為了傳播流行音樂。
1932年，磁存儲技術再次有了重大突破。
這一年，奧地利工程師古斯塔夫·陶謝克（Gustav Tauschek）發(fā)明了磁鼓存儲器。
磁鼓存儲器
這個存儲器有點像電動機。它包含一個大型金屬圓柱體，外表面涂有鐵磁記錄材料。
在存儲器外殼的內側，有大量的靜態(tài)磁頭。這些磁頭不尋找數(shù)據(jù)，而是等待磁扇旋轉就位，進行讀取。大家可以看到，磁線變成了磁面，越來越像后來的磁盤了。
當時，古斯塔夫·陶謝克的這個原始磁鼓存儲器，容量約為500,000bit（62.5KB）。
進入20世紀40年代后，人類的電子數(shù)字計算機技術開始了大爆發(fā)。
1942年，美國愛荷華州立學院的約翰·文森特·阿塔納索夫（John Vincent Atanasoff）教授和他的學生克利福特·貝瑞（Clifford Berry）發(fā)明了世界上第一臺電子數(shù)字計算機（此前的都是機械式計算機）——ABC（Atanasoff–Berry Computer）。
ABC（復制品）
ABC使用二進制數(shù)字來表示所有數(shù)字和數(shù)據(jù)，使用電子元件進行計算（而非機械開關），計算和內存分離……所有這些，這都是現(xiàn)代計算機的要素。
很多讀者肯定會問：世界上第一臺數(shù)字電子計算機，不是ENIAC嗎？
其實不是的，ENIAC只能排第11。而且，ENIAC的設計者盜竊了Atanasoff的設計。1973年，美國法院裁定取消了ENIAC的專利。
ABC使用了IBM的80列穿孔卡，作為輸入和輸出，使用真空管處理二進制格式的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的存儲，則是使用的再生電容磁鼓存儲器（Regenerative Capacitor Memory）。
第一臺電子計算機之后，美國科技管理體系的奠基人、IEEE愛迪生獎得主萬尼瓦爾·布什（Vannevar Bush）放出預言：
“人類終將發(fā)明存儲書籍、記錄、溝通等所有人類知識的機器”。
除了磁存儲之外，在20世紀40年代，人類還拓展了其它幾條存儲科技線。
1946年，波蘭天才發(fā)明家揚·亞歷山大·拉奇曼（Jan A. Rajchman）發(fā)明了一種選擇性靜電記憶管——Selectron Tube。
它是人類第一個真正的數(shù)字、隨機存取高速存儲器（RAM），使用靜電荷存儲數(shù)據(jù)在真空管內，能夠短暫存儲大約4000字節(jié)的數(shù)據(jù)。
1947年，弗雷迪·威廉姆斯（Freddie Williams）和湯姆·基爾伯恩（Tom Kilburn）發(fā)明了類似原理的威廉姆斯-基爾伯恩管（Williams–Kilburn tube）并商用。
IBM的第一臺商用科學計算機701，就使用了72個該管，作為內存。
比上面兩種存儲器更知名的，是二戰(zhàn)期間約翰·皮斯普·?？颂?/strong>（J. Presper Eckert）發(fā)明的汞（水銀）延遲線存儲器（Delay Line Memory）。
這個延遲線存儲器的原理，是通過用壓力波的傳播延遲來存儲數(shù)據(jù)。
拿一個管子，裝滿汞（水銀）。管子一端放揚聲器，另一端放麥克風。
揚聲器發(fā)出脈沖時會產(chǎn)生壓力波，壓力波需要時間傳播到另一端的麥克風，麥克風將壓力波轉換回電信號。
有壓力波代表1，沒有代表0。通過內部電路，連接麥克風和揚聲器，再通過放大器來彌補信號衰弱，從而實現(xiàn)一個存儲數(shù)據(jù)的循環(huán)。
研究出這個技術之后，?？颂?/strong>和同事約翰·莫奇利（John Mauchly）一起設計了ENIAC。后來，他們又做了一個更大更好的計算機，叫EDVAC。
EDVAC（猜猜這個男人是誰？）
EDVAC總共用了128條延遲線，每條能存352bit，總共能存45,000bit，是最早的“存儲程序計算機”之一。
延遲線存儲器有一個很大的缺點：每一個時刻只能讀一位 (bit) 數(shù)據(jù)，并且只能順序讀?。ㄋ杂纸小绊樞虼鎯ζ鳌被颉把h(huán)存儲器”）。
因此，到1950年代中期，延遲線存儲器基本就過時了。
一種新型存儲技術的崛起，實現(xiàn)了對延遲線存儲器的替代，那就是——性能、可靠性更高，而成本更低的“磁芯存儲器”。
說白了，存儲技術還是繞回了磁存儲這條科技線。
1947年，美國工程師弗雷德里克·菲厄（Frederick Viehe）第一個申請了磁芯存儲器的專利。
1948年，華裔傳奇科學家王安發(fā)明了“脈沖傳輸控制裝置（Pulse transfer controlling device）”，實現(xiàn)了對磁芯存儲器的讀后寫（Write-after-Read）。1949年，王安申請了專利，并以50萬美元的價格賣給了IBM。
大家應該聽說過這個王安，他是后來傳奇IT公司王安電腦的創(chuàng)始人。
磁芯存儲器原理其實和磁鼓存儲器類似，都是利用通電時磁化的變化來代表0和1，以此記錄數(shù)據(jù)。
給磁芯繞上電線，并施加電流，可以將磁化在一個方向。如果關掉電流，磁芯保持磁化。如果沿相反方向施加電流，磁化的方向（極性）會翻轉，這樣就可以用來區(qū)別存儲1和0。
磁芯存儲器磁芯存儲器的第一次大規(guī)模運用，是1953年麻省理工學院的Whirlwind 1計算機。
后來，杰·福雷斯特（Jay Forrester）完善了磁芯存儲技術，推出第一個可靠的計算機高速隨機存取存儲器。
磁芯存儲器在20世紀70年代被廣泛用作計算機的主存儲器，直到Intel的半導體DRAM內存批量生產(chǎn)。
值得一提的是，1951年，磁帶首次被用于商用計算機上存儲數(shù)據(jù)，在UNIVAC計算機上作為主要的I/O設備。
UNIVAC采用了磁帶技術，引起了IBM公司的注意。
不久后，IBM發(fā)明了新的磁帶機制，使用真空柱隔離，保證磁帶在加速或者減速過程中不易被撕裂。
1952年，IBM發(fā)布了一臺全新的磁帶存儲設備（型號726），與IBM 701計算機一起銷售。
█ 姍姍來遲的硬盤時代
1956年9月14日，在IBM公司的一場新聞發(fā)布會上，展示了一個碩大無比的機柜。
這個機柜看上去像一個水族箱，高約2米，重量接近1噸。在機柜的里面，有一層一層的盤片（直徑61cm），有點像堆疊起來的唱片。
這個機柜是干啥用的呢？
答案揭曉：它就是后來被稱為人類歷史上第一塊硬盤的IBM 350 RAMAC。
（全名很長，叫做統(tǒng)計控制隨機存取法，Random Access Method for Accounting Control。）
IBM 350 RAMAC更準確來說，它是一臺使用了移動頭硬盤驅動器（HDD）的商用計算機。IBM 350 RAMAC的存儲空間極小，僅僅只有5MB。它的讀寫速率更是低得可怕，只有97.6Kb/s。
然而，就是這么一臺“弱雞”的設備，當時售價高達35400美元（相當于現(xiàn)在的30多萬美元），還不一定能買得到。
我們現(xiàn)在都知道，IBM 350 RAMAC的誕生，意義極為深遠——它標志著人類正式進入了硬盤時代。數(shù)字技術的高速發(fā)展，又完成了一塊重要的拼圖。
此后，作為存儲技術的開山鼻祖和龍頭老大，IBM繼續(xù)引領著硬盤這個產(chǎn)品的發(fā)展。
1962年，IBM發(fā)布了第一個可移動硬盤驅動器1311，它有六個14英寸的盤片，可存儲2.6MB數(shù)據(jù)。
IBM1311，看上去有點像一個灶臺
1973年，IBM又發(fā)明了Winchester（溫徹斯特）硬盤3340，使用了密封組件、潤滑主軸和小質量磁頭。
其特點是工作時磁頭懸浮在高速轉動的盤片上方，而不與盤片直接接觸，這便是現(xiàn)代硬盤的原型。
之所以這個硬盤會叫做“溫徹斯特”，主要是因為它的兩個30MB存儲單元，恰好是當時著名的“溫徹斯特來福槍”的口徑和填彈量。
溫徹斯特架構，已經(jīng)和現(xiàn)在的硬盤很像了“溫徹斯特”磁盤驅動器誕生后，現(xiàn)代硬盤的基本架構被確立。此后，硬盤的主要發(fā)展方向，就是容量的不斷增加，以及體積的不斷減小。
換句話說，你現(xiàn)在用的HDD硬盤，架構上和1973年沒有太大區(qū)別。
1980年，IBM推出了第一塊GB級別的存儲硬盤。同樣是這一年，一家名不見經(jīng)傳的小公司，發(fā)明了一款便宜的硬盤產(chǎn)品，開始挑戰(zhàn)IBM的地位。
這家公司，就是成立于1979年的希捷（Seagate）。
ST-412
1983年，蘇格蘭公司Rodime發(fā)布了世界上第一款3.5英寸硬盤，意義同樣深遠。
小尺寸硬盤的出現(xiàn)，為個人PC的誕生奠定了基礎，也為家庭和中小企業(yè)的數(shù)字化創(chuàng)造了條件。
大家都知道半導體領域有一個摩爾定律。其實，硬盤也有自己的定律，那就是——硬盤的容量密度，每年增加約1倍。
到90年代，諾貝爾物理學獎得主艾爾伯·費爾（Albert Fert）和彼得·格林貝格（Peter Grunberg）發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應。
基于該效應研究的GMR巨磁阻效應磁頭技術，以及SMR瓦楞式堆疊磁盤技術，成功將機械硬盤的磁道密度提升上百倍。
2007年，日立（2003年收購了IBM硬盤事業(yè)部）率先推出了TB級別的硬盤，是存儲技術的一個重要里程碑。
該硬盤采用了垂直存儲技術，將平行于盤片的磁場方向改變?yōu)榇怪?，更充分地利用了存儲空間。此外，垂直存儲技術能耗小，發(fā)熱量減小，改善了數(shù)據(jù)抵抗熱退減的能力，提高了硬盤的可靠性。
2010年，氦氣封裝技術量產(chǎn)，除了讓硬盤的容量變大外，溫度和耗電能夠再降低，耐用度和穩(wěn)定性獲得了大幅提升。
2022年年初，希捷確認將推出22TB容量的機械硬盤（采用疊瓦式），有望刷新機械硬盤最大單盤容量的記錄。
█ 軟盤和光盤
接下來，我們再來簡單說說軟盤和光盤。
世界上第一個軟盤，同樣來自IBM，誕生于1971年。當時，這個軟盤的直徑是8寸，容量80KB，只讀不可寫。四年后，可讀性的軟盤誕生，容量增加到256KB。
后來，隨著技術的發(fā)展，又誕生了5.25寸的軟盤，并廣泛使用在 Apple II、IBM PC 及其他兼容電腦上。
1980年，日本索尼開發(fā)了3.5寸軟盤，并成為市場標準。1984年，蘋果公司開始在Mac上開始采用3.5寸軟盤。當時，軟盤的容量還不到1MB。后來，1.44MB的軟盤，成為市場主流。
再后來，軟盤容量最高做到250MB。然而，隨著光盤和U盤的出現(xiàn)，軟盤迅速從市場消失。
再看看光盤。
相比軟盤，光盤的壽命要堅挺很多。
1965年美國物理學家羅素Russell發(fā)明了第一個Compact Disk/CD（數(shù)字-光學記錄和回放系統(tǒng)），1966年提交了專利申請，這是后來CD/DVD的前身。
1982年，索尼和飛利浦公司發(fā)布了世界上第一部商用CD音頻播放器CDP-101，光盤開始普及。普通標準120型的光盤，最大容量已經(jīng)可以達到700MB。
DVD原是Digital Video Disc（數(shù)字視頻光盤）的首字母縮略。1995年，IBM牽頭將高容量光盤標準統(tǒng)一合并成為DVD，重新定義為Digital Versatile Disc（數(shù)字多用途光盤）。當時，DVD的容量，可以達到4.7GB。
藍光DVD上市后，每片光盤的容量高達25G或27GB。采用多層的話，更是可以達到驚人的400GB（16層）。
光盤的工作原理其實不是利用磁性，而是刻坑——光盤表面有很多小坑，造成光的不同反射，光學傳感器會捕獲到，并解碼為1和0。
█ 結語
進入21世紀后，信息技術以爆炸式的速度發(fā)展。
互聯(lián)網(wǎng)的普及，手機的崛起，使得整個社會的數(shù)字化進展大幅加快。由此帶來的數(shù)據(jù)增長，也是驚人的。
傳統(tǒng)HDD硬盤盡管在不斷提升自己的容量和性能，但仍然無法滿足時代的需要。
于是，一種新型的存儲技術迅速崛起，開始了對HDD的取代。這個技術，就是半導體存儲。
究竟什么是半導體存儲？大家經(jīng)常聽說的DRAM、FLASH、NAND、SSD……到底是什么意思？
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