存储技术的前世今生（磁存储篇）

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（半导体存储篇）

好啦，感谢大家的耐心观看，我们下期再见！

参考文献：

1、《数据存力白皮书》，华为、罗兰贝格；

2、《中国存力白皮书》，2022算力大会；

3、《计算机存储历史》，中国存储网

4、《硬盘发展简史》，SunnyZhang的I世界；

5、《存储技术发展历程》，谢长生；

6、《存储介质发展史》，B站，阴冷未遂；

7、《下一代数据存储技术研究报告》，信通院；

8、《存储芯片行业研究报告》，国信证券；

9、维基百科相关词条。