上期介绍了存储器和最早的存储介质打孔纸卡, 以及部分的存储介质发展史,本期精彩持续呈现。

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存储介质的发展史 · 续

1950、60年代,有个类似磁带的技术是“磁鼓存储器”,采用金属圆筒,盖满了磁性材料以记录数据,滚筒会持续旋转,周围有数十个读写头,等滚筒转到正确的位置读写头会读或写1位数据,为了尽可能缩短延迟, 鼓轮每分钟可以达到上千转。

 

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到1953 年,磁鼓技术飞速发展,已经可以买到存80,000位的磁鼓存储器,也就是10 KB。但到1970年代磁鼓存储器就不再生产,因为脱胎于磁鼓但更加先进的硬盘出现了。

硬盘和磁鼓很相似,不过硬盘用的是盘,不像磁鼓用圆柱体,因此得名。原理是一样的,磁盘表面有磁性,写入头和读取头可以处理上面的1和0。

 

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硬盘的好处是薄,可以叠在一起,提供更多表面积来存数据。硬盘由IBM在1956年开始使用,在1960年代初成为通用式电脑中主要的辅助存放设备,随着技术的进步,硬盘也成为服务器及个人电脑的主要组件。

世界上第一台磁盘计算机是IBM的RAMAC 305,1956年诞生,它有50张24英寸直径的磁盘,总共能存5MB左右,但却相当于两个冰箱的体积。

 

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1970年代,硬盘大幅度改进并变得普遍,这一年IBM 3340问世,它拥有两个30MB存储单元,硬盘的基本架构自此被确立。1980年,两位前IBM员工创立的希捷科技公司开发出5.25英寸规格的5MB硬盘ST 506,这是首款面向台式机的产品。

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2010 年,氦气封装技术量产,除了让硬盘的容量变大外,温度和耗电能够降低,耐用度和稳定性获得了大幅提升,电源关闭及遇到较大震动时磁头会立刻移到安全区,这让防摔能力也有了大幅进步。一直到现在,硬磁盘在热数据存储领域依然是业界主流,单盘容量可以达到20TB。

接下去我们来聊聊“软盘”和“光盘”。软盘除了磁盘是软的,存储原理上和硬盘基本一样。第一个软盘同样是由IBM于1971年开发出的,直径8吋。随着硬件技术的发展与使用的需要,又派生出5.25吋软盘,并广泛使用在Apple II、IBM PC及其他兼容电脑上。

苹果公司于1984年在Mac机开始采用3.5吋软盘,此时容量还不到1MB,后来被日本索尼公司的1.44MB 3.5吋软盘所取代,这种软盘片上世纪80至90年代盛行,直至2000 年以前,3.5吋软盘驱动器仍是电脑普及设备之一,之后由于更为方便、容量更大、性价比更高的移动存储介质(U盘、移动硬盘等)出现才渐渐被淘汰。

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随着光学存储器的出现,激光盘在1972年出现,也就是我们熟悉的光盘(简称 CD)以及1990年代流行的DVD,功能和硬盘软盘一样,都是存数据,但原理上不是磁性存储,而是在光盘表面制作很多小坑,造成光的不同反射,光学传感器会捕获到,并解码为1和0。

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2000年之后,存储容量更大的蓝光光盘出现,目前已成为冷数据存储的主要介质,市场上最大容量的单张蓝光光盘已经可以达到300GB以上。

如今,存储技术正在朝半导体(电)介质发展,正在逐步替代使用传统机械活动部件的硬磁盘。半导体存储器SCM(Semiconductor Memory),主要使用电平信号,或者依赖雪崩注入的MOS开关电路来存储数据。电存储介质的产品非常多,市场上常见的包括固态硬盘、闪存、U盘、CF卡、SD卡、MMC卡、SM卡、记忆棒(Memory Stick)、xD卡等。

 

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其中固态硬盘的存储容量已经达到每块20TB级别,和硬磁盘相当,而处理速度、可靠性、性价比更高,在热数据存储领域正在逐步取代硬磁盘。

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新世代的存储介质

 世界最小的存储介质

自从硬盘被发明以来,科学家一直努力试图开发新型制造工艺,让磁存储介质尺寸更小,同时排列更密集,从而可以存储更多的信息。2017年3月,在IBM圣何塞研究院工作的一个国际研究团队宣布,他们成功地创造了目前世界上尺寸最小的磁体:这个磁体仅由单个原子组成。同时,他们还成功地实现了利用这一微小的磁体来存储一个比特的数据。

这次突破依靠的是IBM长达35年的纳米技术研究,包括荣获诺贝尔奖的扫描隧道显微镜。IBM 宣布它将为商业和科学用途打造全世界首个商用量子计算机。在未来的扫描隧道显微镜研究中,将调查使用单个磁体原子执行量子信息处理的潜力。

用玻璃作为存储介质

2019年11月,在微软最大规模的年度IT盛会Ignite2019上,传来一则震惊全世界的科技动态新闻:微软公司首席执行官萨提亚·纳德拉宣布,微软首次将电影《超人》存储在了一块杯垫大小的石英玻璃中。这75×75×2毫米的玻璃能够安全地存储75.6GB 数据,不仅防水、耐磨、耐高温,更无需用高功耗的方式保存和维护。

 

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玻璃存储有潜力成为一个高效又低成本的解决方案。数据一旦被写入玻璃,就能被完好地保存上千年,保存玻璃硬盘也很简单,不需要高耗能设备来实现恒温和去除空气中的水分。规模化应用玻璃存储还需要更多的工作,微软的研究人员正在进一步提高数据的读写速度和存储密度。微软剑桥研究院副院长Ant Rowstron说,“我们想改变数据不断迁移、重写的高成本循环,我们要发明一种技术,让客户可以安心地把数据存放在库房里50年、100年,甚至1000年,直到要用它的那一天。”

GitHub的北极保存计划

2020年2月,GitHub官方推文宣布,2020年2月2日前GitHub上所有开源项目的代码,已永久保存在北极世界档案馆(Arctic World Archive,AWA),并且将至少保存1000年。数据总量达到21TB,被加工成186箱Piql数字胶片,胶片每帧都包含880万个像素点,源代码以QR码的形式存储。

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AWA 是挪威国有采矿公司 Store Norske Spitsbergen Kulkompani(SNSK)与挪威长期数字存储提供商Piql AS的一项联合计划,AWA致力于永久保存珍贵档案。胶片卷轴将被存储在位于斯瓦尔巴群岛偏远群岛的一座退役煤矿内的密封室内的钢壁容器中。目前,AWA 已经保存了来自意大利,巴西,挪威,梵蒂冈以及全球许多其他国家的历史和文化数据。