對于早期、現(xiàn)在和未來存儲器的詳細(xì)解析

如今，我們電腦上常用的存儲設(shè)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(shè)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(shí)候，我們會(huì)理所當(dāng)然地認(rèn)為當(dāng)今的硬盤存儲量就應(yīng)該這么大，其實(shí)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(shè)備。

汞延遲線

1950年，世界上第一臺具有存儲程序功能的計(jì)算機(jī)EDVAC由馮.諾依曼博士領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計(jì)。它的主要特點(diǎn)是采用二進(jìn)制，使用汞延遲線作存儲器，指令和程序可存入計(jì)算機(jī)中。

1951年3月，由ENIAC的主要設(shè)計(jì)者莫克利和埃克特設(shè)計(jì)的第一臺通用自動(dòng)計(jì)算機(jī)UNIVAC-I交付使用。它不僅能作科學(xué)計(jì)算，而且能作數(shù)據(jù)處理。

選數(shù)管

選數(shù)管是20世紀(jì)中期出現(xiàn)的電子存儲裝置，是一種有直觀存儲轉(zhuǎn)為機(jī)器存儲的裝置。其實(shí)在19世紀(jì)出現(xiàn)的穿孔紙帶存儲就是一種由直觀存儲轉(zhuǎn)向機(jī)器存儲的產(chǎn)物，他對19世紀(jì)西方某國的人口普查起到了關(guān)機(jī)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?yàn)槌杀咎?，并沒有獲得廣泛使用。

穿孔卡片/穿孔紙帶

打孔卡是早期計(jì)算機(jī)的信息輸入設(shè)備，通?？梢詢Υ?0列數(shù)據(jù)。打孔卡盛行于20世紀(jì)70年代中期。我們應(yīng)當(dāng)注意的是：打孔卡比計(jì)算機(jī)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(jī)械化的織布機(jī)。

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(dòng)制表機(jī)——首個(gè)使用打孔卡技術(shù)的數(shù)據(jù)處理機(jī)器。自動(dòng)制表機(jī)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(gè)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(shè)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(gè)字符。圖2-7b中是一個(gè)每一行8個(gè)孔的紙帶。

磁鼓存儲器

20世紀(jì)50年代，磁鼓作為內(nèi)存儲器應(yīng)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(dòng)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(chǔ)。

磁鼓最大的缺點(diǎn)是存儲容量太小。一個(gè)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(dāng)磁盤出現(xiàn)后，磁鼓就被淘汰了。

下圖是一個(gè)磁鼓的圖片。IBM 650計(jì)算機(jī)上使用的磁鼓長度為16英寸，有40個(gè)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(jī)作外存儲器，首先用奇偶校驗(yàn)方法和雙重運(yùn)算線路來提高系統(tǒng)的可靠性，并最先進(jìn)行了自動(dòng)編程的試驗(yàn)。

磁帶是所有存儲器設(shè)備發(fā)展中單位存儲信息成本最低、容量最大、標(biāo)準(zhǔn)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(cuò)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(jìn)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(dòng)備份和數(shù)據(jù)恢復(fù)功能，但同時(shí)具有更先進(jìn)的技術(shù)特點(diǎn)。

它的存儲容量可達(dá)到數(shù)百PB，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)備份、自動(dòng)搜索磁帶，也可以在驅(qū)動(dòng)管理軟件控制下實(shí)現(xiàn)智能恢復(fù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)，整個(gè)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(luò)系統(tǒng)中，磁帶庫通過SAN（Storage Area Network，存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）系統(tǒng)可形成網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)，為企業(yè)存儲提供有力保障，很容易完成遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)多磁帶庫備份，無疑是數(shù)據(jù)倉庫、ERP等大型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的良好存儲設(shè)備。

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存DRAM

動(dòng)態(tài)隨機(jī)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(dòng)態(tài)“并非意味著內(nèi)部的什么功能，而是指電容終究會(huì)喪失電荷，并必須定期刷新(refreshed)。

同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存SDRAM

同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(SDRAM)在1970年代的應(yīng)用很有限，但在1993年時(shí)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(jì)算機(jī)的時(shí)脈，在資料被儲存時(shí)進(jìn)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(gè)內(nèi)存任務(wù)。

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(guān)閉電源，內(nèi)存的狀態(tài)不會(huì)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(shí)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(jì)70年代中期到21世紀(jì)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(dòng)存儲介質(zhì)被廣泛使用。

到了20世紀(jì)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(gè)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(diǎn)是將高速旋轉(zhuǎn)的磁盤、磁頭及其尋道機(jī)構(gòu)等全部密封在一個(gè)無塵的封閉體中，形成一個(gè)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(dòng)塊，盤片表面涂潤滑劑，實(shí)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(jìn)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(jì)80年代末期，IBM公司又對存儲器設(shè)備發(fā)展作出一項(xiàng)重大貢獻(xiàn)，

發(fā)明了MR（Magneto Resistive)磁阻磁頭，這種磁頭在讀取數(shù)據(jù)時(shí)對信號變化相當(dāng)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(dá)到了1GB，從此，硬盤容量開始進(jìn)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(dá)到每平方英寸100Gb以上，是容量、性價(jià)比最大的一種存儲設(shè)備。因而，在計(jì)算機(jī)的外存儲設(shè)備中，還沒有一種其他的存儲設(shè)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(jì)算機(jī)和服務(wù)器中，在磁盤陣列和各種網(wǎng)絡(luò)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(dòng)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(dān)的大容量移動(dòng)存儲領(lǐng)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(dá)4GB，10GB容量的1英寸硬盤不久也會(huì)面世。微硬盤廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、MP3設(shè)備和各種手持電子類設(shè)備。

希捷在1980年生產(chǎn)第一款5.25寸硬盤機(jī)(HDD)，這種儲存裝置的長相其實(shí)與我們現(xiàn)在所看到的相去不遠(yuǎn)；

不過同樣在1980年由IBM所推出的第一款1GB硬盤機(jī)則是個(gè)龐然大物，重達(dá)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(diǎn)就是可重復(fù)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(jìn)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(jìn)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(jì)算機(jī)的光盤主要有CD-ROM、CD-R/W和DVD-ROM等幾種。

上世紀(jì)60年代，荷蘭飛利浦公司的研究人員開始使用激光光束進(jìn)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(jì)算機(jī)用的CD-ROM，經(jīng)歷了三個(gè)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(gè)存儲器設(shè)備發(fā)展階段性的產(chǎn)品特點(diǎn)。 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(jī)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)。

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(jìn)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(cuò)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(jì)算機(jī)的大容量只讀存儲器。但要把CD-DA作為計(jì)算機(jī)的存儲器，還必須解決兩個(gè)重要問題，即建立適合于計(jì)算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)。

這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(cuò)誤檢測和錯(cuò)誤校正的方案。

錯(cuò)誤檢測采用了循環(huán)冗余檢測碼，即所謂CRC，錯(cuò)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(jì)算機(jī)上完全兼容，后來又制定了CD-ROM的文件系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，即ISO 9660。

在上世紀(jì)80年代中期，光盤存儲器設(shè)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(jì)90年代，DVD-ROM、CD-R、CD-R/W等開始出現(xiàn)和普及，成為計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)存儲設(shè)備。

光盤技術(shù)進(jìn)一步向高密度發(fā)展，藍(lán)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)組織JEDEC在2000年定義出了雙倍資料速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(DDR SDRAM)規(guī)格，如其名稱所點(diǎn)出的特性，在特定情況下，這種RAM能達(dá)到比一般SDRAM兩倍的資料速率。DDR SDRAM規(guī)格后來演進(jìn)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(shè)計(jì)也預(yù)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(dá)大學(xué)和普林斯頓大學(xué)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(gè)量子磁盤相當(dāng)于我們現(xiàn)在的10萬～100萬個(gè)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(yīng)，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(jì)算機(jī)讀寫磁頭等方面均有廣闊的應(yīng)用前景。

2002年9月，美國威斯康星州大學(xué)的科研小組宣布，他們在室溫條件下通過操縱單個(gè)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(jìn)展。

該小組發(fā)表的研究報(bào)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(jìn)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(dāng)于計(jì)算機(jī)晶體管功能的原子級記憶材料。