SFKP • 計算機百科丨存儲介質發展史

咱們生活在一個信息爆炸的時代，據 IDC 預測 2020 年全球產生數據量將超過 40ZB，至關於地球上每一個人每一年將產生 5200GB 的數據。

數據科普：存儲單位換算表

1 B(Byte 字節)= 8 bit
1 KB = 1024 B
1 MB = 1024 KB
1 GB = 1024 MB
1 TB = 1024 GB
1 PB = 1024 TB
1 EB = 1024 PB
1 ZB = 1024 EB = 1.0 × 1021 B

如何穩定地存儲這大量的數據，已經成爲了一個難題。這個難題背後，存儲行業一直默默的支撐科技網絡的發展，與咱們的生活息息相關。

從最先應用於存儲紡織行業圖案的打孔紙卡，到後來用於調查人口時的信息存儲，存儲介質在歷史的長河中也是不斷的更迭演變。

唱片、磁帶、碟片的誕生，音樂和影視行業進入了你們的視野，風靡一時；半導體、硬盤、閃存等的出現，推動了信息時代的發展進步。

數據存儲默默的支撐着咱們人類社會的進步發展，今天，就讓咱們來了解一下數據存儲的發展歷史。

第 0 章 什麼是存儲器

存儲器，是電子設備中用來保存信息的「記憶」設備。

它具有存儲數據和信息的能力，而且能夠連續執行程序，進行普遍的信息處理。

在數字系統中，只要能夠保存二進制數據的均可以稱爲存儲器；在集成電路中，具備存儲功能的電子元器件也成爲存儲器（如RAM、FIFO）；在系統中，具備實物形式的存儲設備也叫存儲器，如內存條、內存卡等。

在計算機中的存儲器包含內部存儲器（內存）和外部存儲器。

其中，內存由二部分組成：

Random-access memory (RAM) ：隨機存取存儲器
Read-Only Memory（ROM）：只讀存儲器

對於 CPU 來講，RAM 是主要存放數據和程序的地方，因此也叫作「主存」，也就是咱們日常說的「內存條」，一旦斷電數據就丟失了。

ROM 對於用戶來講，只能讀取數據不能寫入信息，斷電也沒有關係，放 ROM 的數據一生都不會變，但不能進行修改調整。

外部存儲器和內存有點不一樣，咱們能夠對「存儲器」中的數據進行讀取和寫入，外部存儲器中的數據會一直存在，直到被覆蓋或刪除，斷電也不會丟失。

好比 U 盤就是一種很常見的外部存儲器，能低成本+可靠+長時間存儲上 GB 的數據，但在使用這種存儲介質前，這麼點兒的體積存儲這麼多數據，想都不敢想啊。

第 1 章 最先的存儲介質 - 打孔紙卡

名詞解析：打孔紙卡

打孔紙卡又稱穿孔卡、霍爾瑞斯式卡或 IBM 卡，是一塊紙板，在預先知道的位置利用打洞與不打洞來表示數字消息。早期的數字電腦運用打孔機已輸入信息的打孔卡當作計算機程序和數據的主要輸入介質。

1801 年，法國人約瑟夫·瑪麗·雅卡爾發明了打孔卡，當時用在控制織布機織出的圖案。

1880 年代，美國人口調查局職員赫爾曼·何樂禮發明了用於人口普查數據的穿孔卡片及打孔卡片製表機，並於 1888 年申請了第一個專利權。

在 1890 年美國人口普查中，經過打孔製片和打孔機，僅 6 周就完成了統計。而此前 1880 年美國人口普查的數據全靠手工處理，歷時 7 年才得出最終結果。

聽說使用打孔卡紙打指令時，須要用一個特製的鋼夾子把紙帶夾住，夾子上有八個孔。根據預先約定的位置，用一個鋼頂針在給定的孔位把計算機一條指令在紙帶上鑽成幾個孔，有點像修鞋師傅給皮帶打孔。

一個程序少說也有幾百上千條指令，穿在紙帶上後紙帶足有好幾米長，沒有個三五天是穿不完的。

順便提一下，何樂禮發明的打孔卡片製表機，是電腦的前身；他當時建立的製表公司，是今天 IBM 的前身。

20 世紀期間，打孔卡應用在單位記錄機做爲輸入端、處理和計算機程序。到1940年代，紙卡標準是 80列x12行，一張卡能存 960 位數據 (80x12=960)。

據咱們所知的最大紙卡程序是美國軍方的「半自動地面防空系統」 簡稱 SAGE，一個在 1958 年投入使用的防空系統，主程序存儲在 62,500 個紙卡上，大小 5MB 左右。

但其實打孔紙卡咱們每一個人幾乎都用過，只不過是革新以後的形式 —— 答題卡。

答題卡是威廉 · 桑德斯（William E. Sanders）發明的，目的是爲了增長考試閱卷效率。

和打孔紙卡有些相似，當時的學生須要用打孔器在答題卡上戳洞。閱卷時，每個答案的選項位置，都會有一個金屬棒對應。若是答案是正確的，金屬幫就會從答題紙的孔穿下去。若是答案錯誤，金屬棒就穿不下去。最終根據答題紙的稱量結果換算出得分。

後來，邁克爾 · 索科爾斯基（Michael Sokolski）利用石墨的不透明性對答題卡進行了革新，也就出現了咱們沿用至今的石墨答題卡（又稱信息卡）。

在答題卡上，使用石墨填塗對應位置，而後用一束光掃描答題卡，由於石墨的特性是隻會吸取和反射光線，而不會讓光線透過它，被塗寫的部分就會向外反射出光線。在反射出的方向上有捕捉光線的傳感器，答卷數據就會被系統獲取並計算出得分。

除了做爲答題卡很實用，打孔卡紙做爲存儲介質，由於不用電並且便宜耐用，被持續使用了十多年。但它的缺點也很明顯，就是讀取慢，而且只能寫入一次，打的孔沒法輕易補上，對於存臨時值，紙卡很差用，因此你們開始尋找更快更大更靈活的存儲方式。

第 2 章 存儲介質的發展史

20 世紀的科技發展速度真的很快，就在 1944 年，J. Presper Eckert 就發明出了一種優化方案，叫「延遲線存儲器」（Delay Line Memory）。

原理以下，拿一個管子裝滿液體，如水銀，管子一端放揚聲器，另外一端放麥克風，揚聲器發出脈衝時會產生壓力波，壓力波須要時間傳播到另外一端的麥克風，麥克風將壓力波轉換回電信號。

這個延遲線存儲器的原理，就是經過用壓力波的傳播延遲來存儲數據。

有壓力波表明 1，沒有表明 0。經過內部電路鏈接麥克風和揚聲器，再經過放大器來彌補信號衰弱，從而實現一個存儲數據的循環。

研究出這個技術以後，Eckert 和同事 John Mauchly 使用延遲線存儲器作了一個更大更好的計算機叫 EDVAC，總共用了 128 條延遲線，每條能存 352 位（bits），總共能存 45,000 位，這也是最先的「存儲程序計算機」之一。

但「延遲線存儲器」也有一個很大的缺點：每個時刻只能讀一位 (bit) 數據，而且只能順序讀取。因此又叫「順序存儲器」或「循環存儲器」。

由於這個緣由，延遲線存儲器在 1950 年代中期就基本過期了。出現了一項新的替代技術，性能、可靠性更高，而成本更低的存儲技術 —— 「磁芯存儲器」。

給磁芯繞上電線，並施加電流，能夠將磁化在一個方向，若是關掉電流，磁芯保持磁化；若是沿相反方向施加電流，磁化的方向（極性）會翻轉，這樣就能夠用來區別存儲 1 和 0。

經過把磁芯排列成網格，由電線來負責遴選行和列，也由電線貫穿每一個磁芯, 用於讀寫一位(bit)。

磁芯內存的第一次大規模運用是 1953 年麻省理工學院的 Whirlwind 1 計算機，磁芯排列是 32×32，用了 16 塊板子，能存儲大約 16000 位(bit)。更重要的是，不像「延遲線存儲器」，磁芯存儲器能隨時訪問任何一位(bit)，這在當時很是了不得。

「磁芯存儲器」從 1950 年代中期開始成爲主流，流行了 20 多年。

但由於工藝問題，通常是用手工編織製做，因此成本較高，大約 1 美圓 1 位(bit) 。到 1970 年代，經過技術革新才降低到 1 美分左右。

不過即便每位 1 美分也很貴，如今咱們的手機隨便拍張照片都有 10 多MB，10MB 約等於 8000 萬 bit，你願意花 80 萬美圓存一張照片嗎？

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同期， 1951 年 Eckert 和 Mauchly 創立了本身的公司，設計了一臺叫 UNIVAC 的新電腦，最先進行商業銷售的電腦之一，它推出了一種新存儲：磁帶。

磁帶是纖薄柔軟的一長條磁性帶子卷在軸上，磁帶能夠在「磁帶驅動器」內先後移動，裏面有一個"寫頭"繞了電線，電流經過產生磁場，致使磁帶的一小部分被磁化，電流方向決定了極性，表明 1 和 0。

還有一個「讀頭」，能夠非破壞性地檢測極性。UNIVAC 用了半英寸寬，8條並行的磁帶，磁帶每英寸可存 128 位數據，每卷有 1200 英尺長，意味着一共能夠存 1500 萬位左右，接近 2 兆字節。

用於計算機的磁帶直到 1980 年代才被普遍應用，因爲磁帶是循序存取的裝置，尤其適合傳統的存儲和備份以及順序讀寫大量資料的使用場景。但由於速度較慢，且體積較大等缺點，如今主要僅用做商業備份等用途。

1950、60年代，有個相似「磁帶」的技術是「磁鼓存儲器」，有金屬圓筒，蓋滿了磁性材料以記錄數據，滾筒會持續旋轉，周圍有數十個讀寫頭，等滾筒轉到正確的位置讀寫頭會讀或寫 1 位(bit) 數據，爲了儘量縮短延遲, 鼓輪每分鐘能夠達到上千轉。

到 1953 年，磁鼓技術飛速發展，已經能夠買到存 80,000 位的「磁鼓存儲器」，也就是 10 KB。

但到 1970 年代「磁鼓存儲器」再也不生產，然而，磁鼓技術也直接致使了硬盤的出現。

硬盤和磁鼓很類似，不過硬盤用的是盤，不像磁鼓用圓柱體，所以得名。原理是同樣的，磁盤表面有磁性，寫入頭和讀取頭能夠處理上面的 1 和 0。

硬盤的好處是薄，能夠疊在一塊兒，提供更多表面積來存數據。硬盤由 IBM 在1956 年開始使用，在 1960 年代初成爲通用式電腦中主要的輔助存放設備，隨着技術的進步，硬盤也成爲服務器及我的電腦的主要組件。

世上第一臺磁盤計算機是 IBM 的 RAMAC 305，1956 年誕生，它有 50 張 24 英寸直徑的磁盤，總共能存 5 MB 左右，但卻至關於兩個冰箱的體積。

1970 年代，硬盤大幅度改進並變得廣泛，這一年 IBM 3340 問世，它擁有「溫徹斯特」這個綽號，來源於它的兩個 30MB 存儲單元，剛好是當時出名的「溫徹斯特來福槍」的口徑和填彈量。至此，硬盤的基本架構被確立。

1980 年，兩位前 IBM 員工創立的公司開發出 5.25 英寸規格的 5MB 硬盤 ST506，這是首款面向臺式機的產品，而該公司正是希捷科技公司。

但直到 1990 年代，一些硬盤如果受到了較大幅度的震動或磕碰，都頗有可能損壞，許多人也在當時養成了在關閉硬盤後 30 秒至一分鐘內、不會移動硬盤（及筆記本電腦）的習慣。

2010 年，氦氣封裝技術量產，除了讓硬盤的容量變大外，溫度和耗電可以再下降，耐用度和穩定性得到了大幅提高，電源關閉及遇到較大震動時磁頭會馬上移到安全區，這讓防摔能力也有了大幅進步。2011年，希捷宣佈與三星強化策略夥伴關係，傳統的硬盤也正逐漸地被固態硬盤所取代。

最後就到了咱們相對比較熟悉的「軟盤」和「光盤」。

軟盤除了磁盤是軟的，別的和硬盤基本同樣。第一個軟盤一樣是由 IBM 於1971年開發出的，直徑 8 寸。隨着硬件技術的發展與使用的須要，又派生出 5.25 寸的軟盤，並普遍使用在 Apple II、IBM PC 及其餘兼容電腦上。

蘋果 1984 年在 Mac 機開始採用 3.5 寸軟盤，此時容量還不到 1MB，後來，由日本索尼的 3.5 寸軟盤片容量有 1.44MB 所取代，這種軟盤片 80 至 90 年代盛行，直至 2000 年代之前，3.5 寸軟盤驅動器還是電腦普及設備之一，以後才漸漸被淘汰，如今的 00 後應該都沒見過了。

隨着光學存儲器的出現，「激光盤」在 1972 年出現，也就是咱們熟悉的光盤（簡稱 CD）以及 90 年代流行的 DVD，功能和硬盤軟盤同樣，都是存數據，但用的不是磁性，光盤表面有不少小坑，形成光的不一樣反射，光學傳感器會捕獲到，並解碼爲 1 和 0。

現在，存儲技術在朝固態前進，再也不使用傳統的機械活動部件，好比固態硬盤和 U 盤，裏面是集成電路，但因爲價格及存儲空間與機械硬盤暫時還有不小的差距，固態硬盤暫時恐怕也還沒法取代機械式硬盤。

第 3 章 新世代的存儲介質

1. 世界最小存儲介質

自從硬盤被髮明以來，科學家一直努力試圖開發新型製造工藝，讓磁存儲介質尺寸更小，同時排列更密集，從而能夠存儲更多的信息。

在 IBM 聖何塞研究院工做的一個國際研究團隊近日宣佈，他們成功地創造了目前世界上尺寸最小的磁體 —— 這個磁體僅由單個原子組成。同時，他們還成功地實現了利用這一微小的磁體來存儲一個比特的數據。

此次的突破依靠的是 IBM 長達 35 年的納米技術研究，包括榮獲諾貝爾獎的掃描隧道顯微鏡。本週早些時候，IBM 宣佈它將爲商業和科學用途打造全世界首個商用量子計算機。在將來的掃描隧道顯微鏡研究中，將調查使用單個磁體原子執行量子信息處理的潛力。

2. 用玻璃做爲存儲介質

早在 2012 年，日立公司就發佈了一項新技術用石英玻璃做爲存儲介質。這項存儲技術的存儲單元由邊長 2 釐米，厚度 2 毫米的正方石英玻璃組成，每平方英寸可存儲 40MB 數據，數據是經過石英玻璃上的激光做用點按照四層結構以二進制的格式進行刻錄的，可以使用普通的光學顯微鏡讀取。

這種技術是以二進制方式存儲數據的，經過在石英玻璃薄片上製造點陣將數據記錄下來，並且只需經過普通的光學顯微鏡就能讀取。

而想要讀取這些數據，只須要對電腦進行簡單的編程就能夠了。因此無論之後的電腦有多先進，這些數據將永遠可讀。這塊石英存儲介質原型大小約爲2平方釐米，厚度僅爲2毫米，由石英玻璃製成，這是一種高穩定性的有彈力的材料，通常用於製做燒杯等實驗室器具。

日立稱，石英玻璃即便是在 1000 攝氏度的環境下兩個小時，上面存儲的數據也不會被破壞，此外，石英玻璃存儲還可防輻射、防水和防各類化學物。

這種薄片能抵抗不少化學物品侵蝕，不受無線電波干擾，並且能夠直接暴露在高溫的火焰裏。並且它還防水，這意味着它能夠安然度過火災或海嘯等天然災害。也就是說，除非你把它扔進太陽裏，或者弄成碎片，不然這些數據基本上是能夠永久保存的。

石英玻璃存儲介質沉寂一段時間以後，微軟公司給咱們帶來了新消息。11 月 4 日，在微軟 Ignite 2019 大會上，首席執行官薩蒂亞•納德拉展現了該公司 Project silicon 項目長期數據存儲解決方案。

Project silicon 項目使用超快激光光學和人工智能將數據存儲石英玻璃上。該玻璃存儲設別尺寸爲 75752（mm），最多能夠容納 75.6GB 的數據。微軟官方表示該技術尚處於開發階段，隨着技術的迭代，將來這款玻璃硬盤將會有更大的容量。

在與華納兄弟娛樂公司的合做下，這個團隊將 1978 年的《超人》電影存儲在一塊玻璃上，大小和一個飲料杯墊差很少。

3. GitHub 的南極存儲計劃

上週 GitHub 宣佈，爲了把開源軟件留給子孫後代，將在 2020 年 2 月 2 日爲全部公共存儲庫生成快照，保存在北極一個地下 250 米的廢棄煤礦，快照儲存在膠片上，壽命高達 1000 年。

AWA 是挪威國有采礦公司 Store Norske Spitsbergen Kulkompani（SNSK）與長期數字存儲提供商 Piql AS 的一項聯合計劃，AWA致力於永久保存檔案。膠片卷軸將被存儲在位於斯瓦爾巴羣島偏遠羣島的一座退役煤礦內的密封室內的鋼壁容器中。

至今爲止，AWA 已經保存了來自意大利，巴西，挪威，梵蒂岡和許多其餘國家的歷史和文化數據。

更多相關信息，能夠點擊連接查看相關文章：《GitHub 啓動代碼永久保存計劃，爲人類文明留「火種」？》

第 4 章 研究存儲介質的意義

對於咱們大多數人來講，數據存儲變得愈來愈容易。可是，人類一直在探究着如何穩定、大量地將數據保存起來。

2001 年喬布斯發佈 iPod 時，炫耀的說：「1美圓硬幣大小的硬盤，足足能夠存放1000首歌曲！」而如今，一張銀行卡大小的原子硬盤卻能存放整個 iTunes 音樂庫，這已經不只僅是數量上的變化了。

但這還遠遠不夠，就像開頭咱們說的， 2020 年全球產生數據量將超過 40ZB，到 2025 年，估計每一年將會產生 160ZB 的數據，這比可觀測的宇宙中的星星還要多。

另外一方面，隨着社會的文明程度越高，咱們對於文化的傳承與保存就越加迫切，對於數據的安全和保存也有着更高的期待。前不久奇葩說中的那道辯題 —— 「圖書館着大火，救貓仍是救名畫？」若是咱們能有一種存儲介質，能夠永久、安全、穩定的保存咱們的文化遺產，這樣的問題也就不會發生。

仍是那句話，就像 GitHub 的代碼永久保存計劃同樣，但願咱們的歷史和文化，在千萬年以後能被下一代「地球接班人」發現，估計挺有意思的~

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