存储技术的前世今生（上篇）

引言：大家好，我是小枣君。今天这篇文章，我们来聊聊存储。

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：

存储技术的前世今生（中篇）：半导体存储的最强介绍