如今，我們電腦上常用的存儲設備容量基本都是幾百G。即便是小巧的MP3播放器和其他手持設備，通常都是好幾G。但在幾十年前，這么大的存儲量只能在科幻小說中出現(xiàn)。有時候，我們會理所當然地認為當今的硬盤存儲量就應該這么大，其實不然。下面我們將向大家介紹早期、現(xiàn)在和未來可能普及的存儲設備。
汞延遲線
1950年，世界上第一臺具有存儲程序功能的計算機EDVAC由馮.諾依曼博士領導設計。它的主要特點是采用二進制，使用汞延遲線作存儲器，指令和程序可存入計算機中。
1951年3月，由ENIAC的主要設計者莫克利和?？颂卦O計的第一臺通用自動計算機UNIVAC-I交付使用。它不僅能作科學計算，而且能作數(shù)據(jù)處理。
選數(shù)管
選數(shù)管是20世紀中期出現(xiàn)的電子存儲裝置，是一種有直觀存儲轉(zhuǎn)為機器存儲的裝置。其實在19世紀出現(xiàn)的穿孔紙帶存儲就是一種由直觀存儲轉(zhuǎn)向機器存儲的產(chǎn)物，他對19世紀西方某國的人口普查起到了關機的加速作用。
選數(shù)管的容量從256~4096bit不等，其中4096bit的選數(shù)管有10inch長，3inch寬，最初是1946年開發(fā)的，因為成本太高，并沒有獲得廣泛使用。
穿孔卡片/穿孔紙帶
打孔卡是早期計算機的信息輸入設備，通常可以儲存80列數(shù)據(jù)。打孔卡盛行于20世紀70年代中期。我們應當注意的是：打孔卡比計算機更在出現(xiàn)。其歷史可以追溯到1725年的紡織品行業(yè)，用于機械化的織布機。
說到打孔卡，不得不說到IBM的創(chuàng)始人赫爾曼·霍爾瑞斯教授，他于1888年發(fā)明自動制表機——首個使用打孔卡技術(shù)的數(shù)據(jù)處理機器。自動制表機用于1890年以及后續(xù)的美國人口普查，并獲得巨大成功
圖2-7a是一個穿孔卡片的示意圖，卡片中某些位置有穿透的孔，通過光電轉(zhuǎn)換設備可讀出穿孔卡片中所存的數(shù)據(jù)。穿孔紙帶類似于穿孔卡片，但更易于保存。穿孔紙帶的存儲方式跟穿孔卡片類似，每一排可以存儲一個字符。圖2-7b中是一個每一行8個孔的紙帶。
磁鼓存儲器
20世紀50年代，磁鼓作為內(nèi)存儲器應用于IBM 650。在后續(xù)的IBM 360/91和DEC PDP-11中，磁鼓也用作交換區(qū)存儲和頁面存儲。磁鼓的代表性產(chǎn)品是IBM 2301固定頭磁鼓存儲器。
磁鼓是利用鋁鼓筒表面涂覆的磁性材料來存儲數(shù)據(jù)的。鼓筒旋轉(zhuǎn)速度很高，因此存取速度快。它采用飽和磁記錄，從固定式磁頭發(fā)展到浮動式磁頭，從采用磁膠發(fā)展到采用電鍍的連續(xù)磁介質(zhì)。這些都為后來的磁盤存儲器打下了基礎。
磁鼓最大的缺點是存儲容量太小。一個大圓柱體只有表面一層用于存儲，而磁盤的兩面都可用來存儲，顯然利用率要高得多。因此，當磁盤出現(xiàn)后，磁鼓就被淘汰了。
下圖是一個磁鼓的圖片。IBM 650計算機上使用的磁鼓長度為16英寸，有40個磁道，每分鐘可旋轉(zhuǎn)12500轉(zhuǎn)，可存儲10KB數(shù)據(jù)。
磁帶存儲器
UNIVAC-I第一次采用磁帶機作外存儲器，首先用奇偶校驗方法和雙重運算線路來提高系統(tǒng)的可靠性，并最先進行了自動編程的試驗。
磁帶是所有存儲器設備發(fā)展中單位存儲信息成本最低、容量最大、標準化程度最高的常用存儲介質(zhì)之一。
它互換性好、易于保存，近年來，由于采用了具有高糾錯能力的編碼技術(shù)和即寫即讀的通道技術(shù)，大大提高了磁帶存儲的可靠性和讀寫速度。
根據(jù)讀寫磁帶的工作原理可分為螺旋掃描技術(shù)、線性記錄(數(shù)據(jù)流)技術(shù)、DLT技術(shù)以及比較先進的LTO技術(shù)。
磁帶庫是基于磁帶的備份系統(tǒng)，它能夠提供同樣的基本自動備份和數(shù)據(jù)恢復功能，但同時具有更先進的技術(shù)特點。
它的存儲容量可達到數(shù)百PB，可以實現(xiàn)連續(xù)備份、自動搜索磁帶，也可以在驅(qū)動管理軟件控制下實現(xiàn)智能恢復、實時監(jiān)控和統(tǒng)計，整個數(shù)據(jù)存儲備份過程完全擺脫了人工干涉。
磁帶庫不僅數(shù)據(jù)存儲量大得多，而且在備份效率和人工占用方面擁有無可比擬的優(yōu)勢。在網(wǎng)絡系統(tǒng)中，磁帶庫通過SAN(Storage Area Network，存儲區(qū)域網(wǎng)絡)系統(tǒng)可形成網(wǎng)絡存儲系統(tǒng)，為企業(yè)存儲提供有力保障，很容易完成遠程數(shù)
據(jù)訪問、數(shù)據(jù)存儲備份或通過磁帶鏡像技術(shù)實現(xiàn)多磁帶庫備份，無疑是數(shù)據(jù)倉庫、ERP等大型網(wǎng)絡應用的良好存儲設備。
動態(tài)隨機存取內(nèi)存DRAM
動態(tài)隨機存取內(nèi)存(DRAM)是在1966年發(fā)明，是以電容來儲存信息;帶電的電容代表1、未帶電的則代表0，而所謂的“動態(tài)“并非意味著內(nèi)部的什么功能，而是指電容終究會喪失電荷，并必須定期刷新(refreshed)。
同步動態(tài)隨機存取內(nèi)存SDRAM
同步動態(tài)隨機存取內(nèi)存(SDRAM)在1970年代的應用很有限，但在1993年時開始被廣泛采用──在那之前，RAM雖然能盡可能快速變更已輸入資料，SDRAM則是采用計算機的時脈，在資料被儲存時進行調(diào)節(jié)，這讓資料能被分配至不同的區(qū)域(bank)，好一次同步執(zhí)行數(shù)個內(nèi)存任務。[!--empirenews.page--]
可抹除式可編程只讀存儲器EPROM
可抹除式可編程只讀存儲器(EPROM)是在1971年由英特爾(Intel)的Dov Frohman 所開發(fā)，該種內(nèi)存是非揮發(fā)性的，也就是說盡管關閉電源，內(nèi)存的狀態(tài)不會改變。這種內(nèi)存芯片是電氣可編程，信息在暴露在紫外線下時可抹除。
英特爾在1971年開發(fā)的第一款EPROM Source：Wikipedia
軟盤存儲器
軟盤也是由IBM發(fā)明于1969年，流行于20世紀70年代中期到21世紀初。首款軟盤是8英寸的，后續(xù)又有5.25英寸和3.5英寸的。第一塊軟盤于1971年面世，容量為79.7KB，是只讀型的。讀寫型軟盤于次年才問世。
軟盤的發(fā)展趨勢是盤片直徑越來越小，而容量卻越來越大，可靠性也越來越高。下圖是三種典型的軟盤，其中a為不同外觀尺寸的軟盤，b中3.5英寸軟盤的容量為1.44MB，曾經(jīng)作為主要的移動存儲介質(zhì)被廣泛使用。
到了20世紀90年代后期，出現(xiàn)了容量為250MB的3.5英寸軟盤產(chǎn)品，但由于兼容性、可靠性、成本等原因，并未被廣泛使用，如今已難尋蹤跡。
硬盤存儲器
世界第一臺硬盤存儲器是由IBM公司在1956年發(fā)明的，其型號為IBM 350 RAMAC(Random Access Method of Accounting and Control)。這套系統(tǒng)的總?cè)萘恐挥?MB，共使用了50個直徑為24英寸的磁盤。
1968年，IBM公司提出“溫徹斯特/Winchester”技術(shù)，其要點是將高速旋轉(zhuǎn)的磁盤、磁頭及其尋道機構(gòu)等全部密封在一個無塵的封閉體中，形成一個頭盤組合件(HDA)，與外界環(huán)境隔絕，避免了灰塵的污染，并采用小型化輕浮力的磁頭浮動塊，盤片表面涂潤滑劑，實行接觸起停，這是現(xiàn)代絕大多數(shù)硬盤的原型。
1979年，IBM發(fā)明了薄膜磁頭，進一步減輕了磁頭重量，使更快的存取速度、更高的存儲密度成為可能。20世紀80年代末期，IBM公司又對存儲器設備發(fā)展作出一項重大貢獻，
發(fā)明了MR(Magneto Resistive)磁阻磁頭，這種磁頭在讀取數(shù)據(jù)時對信號變化相當敏感，使得盤片的存儲密度比以往提高了數(shù)十倍。1991年，IBM生產(chǎn)的3.5英寸硬盤使用了MR磁頭，使硬盤的容量首次達到了1GB，從此，硬盤容量開始進入了GB數(shù)量級。
IBM還發(fā)明了PRML(Partial Response Maximum Likelihood)的信號讀取技術(shù)，使信號檢測的靈敏度大幅度提高，從而可以大幅度提高記錄密度。
目前，硬盤的面密度已經(jīng)達到每平方英寸100Gb以上，是容量、性價比最大的一種存儲設備。因而，在計算機的外存儲設備中，還沒有一種其他的存儲設備能夠在最近幾年中對其統(tǒng)治地位產(chǎn)生挑戰(zhàn)。
硬盤不僅用于各種計算機和服務器中，在磁盤陣列和各種網(wǎng)絡存儲系統(tǒng)中，它也是基本的存儲單元。值得注意的是，近年來微硬盤的出現(xiàn)和快速發(fā)展為移動存儲提供了一種較為理想的存儲介質(zhì)。
在閃存芯片難以承擔的大容量移動存儲領域，微硬盤可大顯身手。目前尺寸為1英寸的硬盤，存儲容量已達4GB，10GB容量的1英寸硬盤不久也會面世。微硬盤廣泛應用于數(shù)碼相機、MP3設備和各種手持電子類設備。
希捷在1980年生產(chǎn)第一款5.25寸硬盤機(HDD)，這種儲存裝置的長相其實與我們現(xiàn)在所看到的相去不遠;
不過同樣在1980年由IBM所推出的第一款1GB硬盤機則是個龐然大物，重達550磅。
電氣可抹除式可編程只讀存儲器EEPROM
電氣可抹除式可編程只讀存儲器(EEPROM)是在1978年誕生，它勝過電氣可編程只讀存儲器(EPROM)的優(yōu)勢，就是除了在使用中可編程、也能抹除;EEPROM的唯一缺點就是可重復編程的次數(shù)有限，但其讀寫性能在今日已經(jīng)越來越有進步。
光盤存儲器
光盤主要分為只讀型光盤和讀寫型光盤。只讀型指光盤上的內(nèi)容是固定的，不能寫入、修改，只能讀取其中的內(nèi)容。讀寫型則允許人們對光盤內(nèi)容進行修改，可以抹去原來的內(nèi)容，寫入新的內(nèi)容。用于微型計算機的光盤主要有CD-ROM、CD-R/W和DVD-ROM等幾種。
上世紀60年代，荷蘭飛利浦公司的研究人員開始使用激光光束進行記錄和重放信息的研究。1972年，他們的研究獲得了成功，1978年投放市場。最初的產(chǎn)品就是大家所熟知的激光視盤(LD，Laser Vision Disc)系統(tǒng)。
從LD的誕生至計算機用的CD-ROM，經(jīng)歷了三個階段，即LD-激光視盤、CD-DA激光唱盤、CD-ROM。下面簡單介紹這三個存儲器設備發(fā)展階段性的產(chǎn)品特點。 LD-激光視盤，就是通常所說的LCD，直徑較大，為12英寸，兩面都可以記錄信息，但是它記錄的信號是模擬信號。
模擬信號的處理機制是指，模擬的電視圖像信號和模擬的聲音信號都要經(jīng)過FM(Frequency Modulation)頻率調(diào)制、線性疊加，然后進行限幅放大。限幅后的信號以0.5微米寬的凹坑長短來表示。
CD-DA激光唱盤 LD雖然取得了成功，但由于事先沒有制定統(tǒng)一的標準，使它的開發(fā)和制作一開始就陷入昂貴的資金投入中。1982年，由飛利浦公司和索尼公司制定了CD-DA激光唱盤的紅皮書(Red Book)標準。
[!--empirenews.page--]由此，一種新型的激光唱盤誕生了。CD-DA激光唱盤記錄音響的方法與LD系統(tǒng)不同，CD-DA激光唱盤系統(tǒng)首先把模擬的音響信號進行PCM(脈沖編碼調(diào)制)數(shù)字化處理，再經(jīng)過EMF(8～14位調(diào)制)編碼之后記錄到盤上。數(shù)字記錄代替模擬記錄的好處是，對干擾和噪聲不敏感，由于盤本身的缺陷、劃傷或沾污而引起的錯誤可以校正。
CD-DA系統(tǒng)取得成功以后，使飛利浦公司和索尼公司很自然地想到利用CD-DA作為計算機的大容量只讀存儲器。但要把CD-DA作為計算機的存儲器，還必須解決兩個重要問題，即建立適合于計算機讀寫的盤的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及CD-DA誤碼率必須從現(xiàn)有的10-9降低到10-12以下，由此就產(chǎn)生了CD-ROM的黃皮書(Yellow Book)標準。
這個標準的核心思想是，盤上的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)塊的形式來組織，每塊都要有地址，這樣一來，盤上的數(shù)據(jù)就能從幾百兆字節(jié)的存儲空間上被迅速找到。為了降低誤碼率，采用增加一種錯誤檢測和錯誤校正的方案。
錯誤檢測采用了循環(huán)冗余檢測碼，即所謂CRC，錯誤校正采用里德-索洛蒙(Reed Solomon)碼。黃皮書確立了CD-ROM的物理結(jié)構(gòu)，而為了使其能在計算機上完全兼容，后來又制定了CD-ROM的文件系統(tǒng)標準，即ISO 9660。
在上世紀80年代中期，光盤存儲器設備發(fā)展速度非常快，先后推出了WORM光盤、磁光盤(MO)、相變光盤(Phase Change Disk，PCD)等新品種。20世紀90年代，DVD-ROM、CD-R、CD-R/W等開始出現(xiàn)和普及，成為計算機的標準存儲設備。
光盤技術(shù)進一步向高密度發(fā)展，藍光光盤、多層多階光盤和全息存儲光盤正陸續(xù)在短期內(nèi)推向市場。
閃存
閃存是在1980年左右被開發(fā)出來，但直到1988年才正式問世;這種內(nèi)存在技術(shù)上算是一種EEPROM，不過在速度上則是大幅超越。目前市面上有兩種閃存，其一是NAND、其二是NOR，主要差異在于邏輯閘的不同;這種內(nèi)存催生了小巧的隨身碟、記憶卡。
圖左邊的芯片是閃存，右邊的是內(nèi)存控制芯片
JDEC在2012年發(fā)表了通用閃存儲存(universal flash storage，UFS)規(guī)格。新規(guī)格除了具備省電功能，資料吞吐量也能達到上行/下行同步300 Mbit/s。
采用UFS規(guī)格的東芝(Toshiba)閃存芯片
DDR SDRAM
產(chǎn)業(yè)標準組織JEDEC在2000年定義出了雙倍資料速率同步動態(tài)隨機存取內(nèi)存(DDR SDRAM)規(guī)格，如其名稱所點出的特性，在特定情況下，這種RAM能達到比一般SDRAM兩倍的資料速率。DDR SDRAM規(guī)格后來演進到第二代、即2003年的DDR2，速度再加倍;2007年則又把速度加快一倍，即 DDR3。
如果速度提高了八倍你還嫌不夠，最新的DDR4資料存取速度再加倍，而且創(chuàng)新的架構(gòu)設計也預期將可降低功耗。
整合散熱片的Corsair DDR-400內(nèi)存模塊
納米存儲器
1998年，美國明尼蘇達大學和普林斯頓大學制備成功量子磁盤，這種磁盤是由磁性納米棒組成的納米陣列體系。一個量子磁盤相當于我們現(xiàn)在的10萬～100萬個磁盤，而能源消耗卻降低了1萬倍。
1988年，法國人首先發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應，到1997年，采用巨磁電阻原理的納米結(jié)構(gòu)器件已在美國問世，它在磁存儲、磁記憶和計算機讀寫磁頭等方面均有廣闊的應用前景。
2002年9月，美國威斯康星州大學的科研小組宣布，他們在室溫條件下通過操縱單個原子，研制出原子級的硅記憶材料，其存儲信息的密度是目前光盤的100萬倍。這是納米存儲材料技術(shù)研究的一大進展。
該小組發(fā)表的研究報告稱，新的記憶材料構(gòu)建在硅材料表面上。研究人員首先使金元素在硅材料表面升華，形成精確的原子軌道;然后再使硅元素升華，使其按上述原子軌道進行排列;
最后，借助于掃瞄隧道顯微鏡的探針，從這些排列整齊的硅原子中間隔抽出硅原子，被抽空的部分代表“0”，余下的硅原子則代表“1”，這就形成了相當于計算機晶體管功能的原子級記憶材料。
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