比特與字節(jié)的那些事兒：存儲器的今天和明天

　　還是小孩子的時候，小編就已經(jīng)擁有了拆電腦的半好人屬性，雖然當(dāng)時拆下來的東西總有一些裝不回去，但是啟蒙教育來說可是一筆珍貴的財富。如果你現(xiàn)在手頭有一個DVD或者藍(lán)光光驅(qū)的話，不妨跟小編一起把它的螺絲一個一個卸下來，平放開來，你會驚訝于這些精密的構(gòu)造，同時一窺存儲器的未來趨勢。一條波長被固定的激光光束通過鏡面的三次折射，定位到盤面上，再折射到接收器，接收器讀取被盤面改變波長的激光，從而提取出蝕刻在盤面的上GB的數(shù)據(jù)。GE全球研究實驗室，是一個內(nèi)部超級復(fù)雜的地方，占地550畝，今天，我們會從這里了解到最新的存儲器發(fā)展趨勢，以及其他一些好玩的東西。

　　硬盤，DVD光驅(qū)，USB存儲器，這些已經(jīng)與我們的數(shù)字化生活共存了很長時間了，但當(dāng)我們的數(shù)據(jù)趨于無限的時候，存儲器還受制于容量的限制，那么存儲器的下一步會是什么樣子的?

　　數(shù)據(jù)存儲是很多人不會去考慮的問題，而且即使我們?nèi)ハ?，也只有一個抽象的概念。筆記本電腦有一個固定大小的存儲空間，我們要花費比通常硬盤貴得多的價格買一個筆記本硬盤，但得到的空間卻很小。DVD可以存儲一段固定長度的視頻，或是沒有經(jīng)過壓縮的高品質(zhì)音軌，但只能是一次性的。閃存對于要移動的存儲區(qū)來說是非常方便，我們都知道它和硬盤有本質(zhì)上的區(qū)別，但也許說不明白。

　　我們所知道的就是我們需要一個存儲數(shù)據(jù)的東西，而我們的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備還沒有強(qiáng)大到允許廣泛的云計算，或者是快速下載任何你想要看的高清電影，在很長很長一段時間內(nèi)，存儲器都是我們需要而且會遵循摩爾定律不斷更新的東西。

　　硬盤不會亡，硬盤一定強(qiáng)

　　硬盤是人手必備的東西，無論是臺式機(jī)、筆記本或者是MP4，最基本的數(shù)據(jù)載體和讀寫工具就是硬盤，硬盤的基本原理是在高速旋轉(zhuǎn)的金屬盤上通過通電磁頭改變盤面磁粒布局以寫入數(shù)據(jù)，而磁頭讀取盤面的磁化翻轉(zhuǎn)就是在讀取數(shù)據(jù)。磁頭就像一個針頭，懸浮在盤面上，讀取近距離微小的磁場變化。

　　而這種讀取方式的發(fā)展歷史也悠久的讓人乍舌：第一臺實現(xiàn)這種讀取概念的機(jī)器誕生于1956年，那時的容量只有幾百字節(jié)，雖然少的可憐，但是這種革新的讀取方式已經(jīng)開始引起人們注意了?？墒怯捎诩夹g(shù)的門檻，直到1980年，第一塊看起來像現(xiàn)在的硬盤，容量只有5MB的硬盤才面世，而生產(chǎn)商就是希捷。

　　從那時起，硬盤開始飛速發(fā)展，24年的時間讓硬盤從概念走到了應(yīng)用，而存儲密度增加、尺寸減小、價格降低這些事情則是幾乎在瞬間就完成了。1980年同年，容量200倍于前者的1GB硬盤面世，價值500英鎊，而30年后的今天，容量有兩千倍于前者的2TB硬盤——并且小到足以塞進(jìn)夾克兜里——只需要140美元就能得到。

　　不過，硬盤的科技快要走到臨界點了。真的么?雖然不是立刻就會發(fā)生的事情，但是存儲器的命運已經(jīng)被決定了。隨著硬盤存儲密度不斷逼近理論最高點，在2005年硬盤制造商們開始提出了垂直存儲的概念，希望成為讓硬盤重新煥發(fā)活力的契機(jī)。

　　“垂直存儲技術(shù)能夠讓數(shù)據(jù)位站立在磁盤上，而不是向現(xiàn)有的水平記錄技術(shù)那樣，平鋪在磁盤上，它能提供新的硬盤數(shù)據(jù)密度和容量。新的數(shù)據(jù)排列方法，通過使磁頭在相同的時間內(nèi)掃描更多的數(shù)據(jù)位，從而提高硬盤性能。垂直存儲技術(shù)由于能耗小，發(fā)熱量也隨之減少，從而改善了數(shù)據(jù)抵抗熱退減的能力，提高了硬盤的可靠性。”

　　希捷首先看到了縱向存儲的瓶頸限制了硬盤發(fā)展，其無法超越每平方英寸12.5千兆字節(jié)的物理限制，為了突破這堵無形的墻，他們開始嘗試垂直存儲。

　　使用垂直存儲后，研究人員認(rèn)為其存儲密度的極限已經(jīng)提升到了每平方英寸128千兆字節(jié)左右，而目前的硬盤存儲密度只有大約每平方英寸50千兆字節(jié)，也就意味著，近幾年，硬盤還會繼續(xù)的擴(kuò)容，加速和降價，直到垂直存儲走到極限。

　而硬盤的理論研究也并未就此停止：輔助磁記錄用于局部加熱盤片實現(xiàn)超高密度的數(shù)據(jù)錄入;模式媒體可以減少對硬盤表面的磁粒需求，通過對盤片基板進(jìn)行分子模式編碼可將需求由50減至1;

　　希捷預(yù)測硬盤的下一個極限存儲密度將是每平方英寸50兆兆位以上，也就是6.25TB。因此，可以說硬盤的潛力依然是無窮的——至少在近幾年，仍將作為存儲器的主導(dǎo)。

　　SSD之崛起

　　SSD，即固態(tài)硬盤，被認(rèn)為是存儲界的平地驚雷，而且非常有希望取代普通硬盤。但實際上這不太正確，固態(tài)硬盤沒有運動的機(jī)械部件，存儲數(shù)據(jù)使用電荷而非磁粒，可以說和普通硬盤根本是不同的東西。

　　“固態(tài)硬盤內(nèi)部是成片的閃存芯片和一塊控制器，因為沒有運動的機(jī)械部件所以不需要啟動過程，也不需要在旋轉(zhuǎn)的盤片上捕獲零散數(shù)據(jù)，更不用聽到機(jī)械硬盤的噪音。而固態(tài)硬盤和機(jī)械硬盤比起來快的讓人難以置信，所以裝有固態(tài)硬盤的電腦的啟動速度快的出奇，應(yīng)用程序的啟動、隨機(jī)寫入和其他方面的表現(xiàn)也十分優(yōu)秀，但是在寫入大型文件方面除外。”

　　是的，SSD就是這么快，不會產(chǎn)生災(zāi)難性的錯誤，簡直是筆記本電腦的完美搭配。

　　但是未來SSD的發(fā)展道路可以說是相當(dāng)狹窄的，至少現(xiàn)在來說是如此?？赡艿南M范圍包括筆記本、臺式機(jī)到NAS存儲器，都存在一個客戶解決方案的問題。當(dāng)我們?yōu)榱耸褂?font color="#000000" size="2">SSD而不得不等待幾年使SSD成熟發(fā)展到一個合理的價格和良好的兼容性時，各類企業(yè)存儲的數(shù)據(jù)則在飛速增長，存儲規(guī)模的增幅大于SSD容量的增幅，以至于SSD處于一個尷尬的吊車尾的位置。

　　而SSD發(fā)展最快的地方莫過于便攜存儲，比如在智能電話和平板電腦中的那些，這種存儲設(shè)備處于一個獨特的環(huán)境中：對于移動設(shè)備來說存儲速度不是至關(guān)重要的，甚至可以說算不上一個可以值得炫耀的能力。但人們青睞于在iPad中使用SSD的原因是由于他們要運行大量的應(yīng)用程序、看電影和保存雜志。所以隨著便攜設(shè)備日益智能化，SSD的發(fā)展總有一天也會變得光明。

　　同時Google也繼續(xù)購買成千上萬的大容量硬盤滿足客戶需求，剩下的客戶則緊盯價格，時刻準(zhǔn)備買下一塊裝在筆記本上。SSD的潛在客戶如此之多，變化之快甚至可以被眼睛捕捉到。

　　那么SSD的未來是什么樣子?目前的研究主要是消除SSD的一些弱點，讓SSD變得更加有購買力(目前的SSD的廉價芯片只能支持約1萬次寫入)。SanDisk公司的SSD團(tuán)隊成員正在從“更詳細(xì)的算法、緩存和預(yù)測方法有減少無謂的擦除和寫入”著手研究SSD的改進(jìn)?，F(xiàn)在的公司正變得越來越聰明，通過智能化的數(shù)據(jù)存取方法延長芯片使用壽命，芯片研發(fā)也曾走過一段漫長的撞墻之路：開始時每塊芯片只能容納3字節(jié)數(shù)據(jù)，后來是4字節(jié)，每次的進(jìn)步都伴隨著新的物理障礙的出現(xiàn)，而每次也都會有新的方法來解決這些問題，在可以預(yù)見到的未來，這種與自然法則的抗衡還會繼續(xù)。

　　SSD還是很年輕，有很長的路要走。在這種科技完全覆蓋消費領(lǐng)域前，我們會不斷發(fā)現(xiàn)那些混合產(chǎn)品的存在，比如三星MH80，同時有機(jī)械硬盤和SSD兩種存儲方式，可以說是一種進(jìn)步。

　　你的下一臺電腦也許還是用不上SSD，但是沒準(zhǔn)下下臺就可以使用到廉價的SSD硬盤了，SSD的成本低廉化是遲早的事情，當(dāng)64GB的SSD變得司空見慣時，藍(lán)光什么的也許就走到盡頭了。

　　全息未來

　　光學(xué)媒介存儲走不了多遠(yuǎn)了，也許藍(lán)光就是最后一代光存儲介質(zhì)。未來的光學(xué)存儲將借助于全息圖像保存數(shù)據(jù)。

　　全息存儲是受全息照相的啟發(fā)而研制的，當(dāng)你明白全息照相的技術(shù)原理，對于全息存儲就可以更好地理解。我們在拍攝全息照片時，對應(yīng)的拍攝設(shè)備并不是普通照相機(jī)，而是一臺激光器。該激光器產(chǎn)生的激光束被分光鏡一分為二，其中一束被命名為“物光束”，直接照射到被拍攝的物體，另一束則被稱為“參考光束”，直接照射到感光膠片上。當(dāng)物光束照射到所攝物體之后，形成的反射光束同樣會照射到膠片上，此時物體的完整信息就能被膠片記錄下來，全息照相的攝制過程就這樣完成了。乍看過去，全息照片上只有一些亂七八糟的條紋，但當(dāng)我們使用一束激光去照射這張照片時，真實的原始立體圖像就會栩栩如生地展現(xiàn)出來。

　　使用全息存儲技術(shù)后，一塊方糖大小的立方體就能存儲高達(dá)1TB的數(shù)據(jù)，這么高的容量并不是空穴來風(fēng)。由于一個晶體有無數(shù)個面，我們只要改變激光束的入射角度，就可以在一塊晶體中存儲數(shù)量驚人的數(shù)據(jù)。打個形象的比喻，我們可以把全息存儲器看成像書本一樣，這也是其用小體積實現(xiàn)大容量的原理所在，理論上全息存儲可以輕松突破1TB的存儲密度。在GE實驗室中，目前一個晶體可以存儲75層不同的數(shù)據(jù)，而研究人員正在不停的刷新這一數(shù)字。

　　但是GE的研究人員稱，全息存儲技術(shù)離實用化大概還有30年的時間。理論的完善、整套設(shè)備的小型化、與目前的存儲設(shè)備兼容等一系列問題尚未解決。預(yù)計未來的全息存儲介質(zhì)仍舊類似于目前的DVD，而且激光設(shè)備也和藍(lán)光光驅(qū)相似，甚至可能會使用相同的波長。從硬件層面上來說，這只是使用了特定的光學(xué)元件，而從軟件層面上來說，等于是未來的全息光驅(qū)可以兼容目前的藍(lán)光光驅(qū)。

　　明天的明天：誰知道呢?

　　當(dāng)機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤都入土成為肥料的時候，我們會用什么存儲數(shù)據(jù)?恐怕只有在科幻里才能找到答案：

　　微生物——研究人員已經(jīng)成功的把附有公式E=mc^2的短語的編碼添加進(jìn)了枯草芽孢桿菌的DNA中，未來人工編碼的DNA信息可以由細(xì)菌生生不息的傳遞下去，當(dāng)然也許會有一些小小的突變…

　　碳球——利用富勒烯，一種嵌入金屬的碳化合物，分子結(jié)構(gòu)是一個籠子，來作為存儲設(shè)備。研究人員發(fā)現(xiàn)，金屬富勒烯有受探針影響形成不同分子排列結(jié)構(gòu)的能力，通過排列分布有可能實現(xiàn)存儲能力。

　　分子存儲——即使是大型的分子，也只有幾納米大小，一個集成電路使用分子制造的話可能會擁有兆級數(shù)量的電子設(shè)備，存儲能力會是目前的100萬倍，大小則僅僅是指甲那么大。

　　量子力學(xué)——量子計算機(jī)中，每個字節(jié)的信息編碼成一個量子系統(tǒng)，即一個電子自旋屬性。在經(jīng)典計算機(jī)里，一個二進(jìn)制位(bit)只能存儲一個數(shù)據(jù)，n個二進(jìn)制位只能存儲n個一位二進(jìn)制數(shù)或者1個n位二進(jìn)制數(shù)，而在量子計算機(jī)里，一個量子位可以存儲兩個數(shù)據(jù)，n個量子位可以同時存儲2n個數(shù)據(jù)，從而大大提高了存儲能力。

　　看到這里，我想你也一定為未來無限的存儲可能性怦然心動，但是還是請回過神來，繼續(xù)用1M的水管和500GB的硬盤拖電影、動漫吧，畢竟這也是值得作為文物保存和紀(jì)念的東西。