存储技术的前世今生:从打孔卡到硬盘,信息技术爆炸式发展

鲜枣课堂 2022/9/14 21:44:22 责编:长河

(原标题: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,可读写的软盘诞生,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

好啦,感谢大家的耐心观看,我们下期再见!

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关键词:硬盘存储技术

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