引言：大家好，我是小棗君。今天這篇文章，我們來聊聊存儲。

說到存儲，大家都會想到硬盤。

硬盤

其實，存儲既是一個微觀的概念，也是一個宏觀的概念。

微觀上來說，它就是指的數據存儲、計算機存儲、硬盤存儲。而宏觀上呢，所有物品、信息的保管和保存，皆可稱為存儲。

人類文明的發展史，其實就是建立在存儲技術的演進之上的。

在遠古時期，早期人類通過結繩記事、龜甲獸骨，點燃了人類文明的火種。

后來，隨著工藝技術的進步，逐漸有了竹簡木牘、紙張縑帛，人們可以更好地記錄信息（歷史、文化和技能），從而將文明不斷地延續和傳承下去。

到了 18 世紀，工業革命開始萌芽，從而將人類信息存儲技術推向了一個全新階段——打孔卡時代。

█ 打孔卡時代

1725 年，法國人巴斯勒 · 布喬（Basile Bouchon）發明了打孔卡（穿孔卡），用于織布機。

打孔卡織布機（模型）

大家對這個東西可能有點陌生，它有點像我們現在考試使用的答題卡。

織布機在編織過程中，編織針會往復滑動。根據打孔卡上的小孔，編織針可以勾起經線（沒有孔，就不勾），從而繪制圖案。換言之，打孔卡是存儲了 " 圖案程序 " 的存儲器，對織布機進行控制。

這一發明，標志著人類機械化信息存儲形式的開端。

1801 年，法國織機工匠約瑟夫 · 馬里爾 · 雅卡爾（Joseph Marie Jdakacquard）對打孔卡進行了升級。

他將打孔卡按一定順序捆綁，變成了帶狀，創造了穿孔紙帶（Punched Tape）的雛形。這種紙帶，被應用于提花織機。

1846 年，傳真機和電傳電報機的發明人亞歷山大 · 貝恩（Alexander Bain）將穿孔紙帶技術引入自己的電報機，大幅提升了工作效率。

這個東西，小棗君在多年前親眼見過（暴露年齡了）

到了 1890 年，一個牛人的出現，讓打卡孔技術進一步發揚光大。這個人，就是德裔美國人——赫爾曼 · 何樂禮（Herman Hollerith）。

赫爾曼 · 何樂禮（1860-1929）

這位老兄在打孔卡的基礎上，發明了打孔卡制表機，專門用于收集并統計人口普查數據。

打孔卡制表機

這種制表機的統計速度更快。根據史料記載，在 1890 年的美國人口普查中，通過打孔制片和打孔機，僅 6 周就完成了統計工作。而此前 1880 年的美國人口普查，數據全靠手工處理，歷時 7 年才得出最終結果。

如此巨大的效率提升，使得制表機在各個行業迅速普及。它標志著半自動化數據處理系統時代的開始。

打孔卡技術，直到 1960 年代都還在廣泛使用

后來，1896 年，赫爾曼 · 何樂禮創辦了制表機器公司（Tabulating Machine Company）。這家公司，也就是大名鼎鼎的IBM 公司的前身。

█ 磁存儲時代

打孔卡和制表機屬于機械式存儲技術，雖然比傳統人力有了大幅的效率提升，但仍然存在故障率高、存儲量低的問題。

于是，在 19 世紀電信號技術的推動下，一種新型存儲技術逐漸開始崛起，那就是——磁介質存儲。

最早的磁介質的相關文章，發表在 1888 年 9 月 8 日的英國《電氣世界》雜志上。在 " 一些可能形式的留聲機 " 一文中，作者奧伯林 · 史密斯（Oberlin Smith）發表了最早的關于磁記錄的觀點，他建議：" 采用磁性介質來對聲音進行錄制 "。

奧伯林 · 史密斯（1840-1926）

1898 年，丹麥工程師瓦蒂瑪 · 保爾森（Valdemar Poulsen）將奧伯林 · 史密斯的想法付諸實施。

他在自己的電報機中首次采用了磁線技術，使之成為人類第一個實用的磁聲記錄和再現設備。

瓦蒂瑪 · 保爾森的磁線電報機

這個磁記錄設備的工作原理并不復雜：設備有一個磁頭，聲音的電信號傳輸到磁頭，產生與信號相似的磁化模式，進行記錄。讀取時，磁頭從磁線中獲取磁場的變化，并將它們轉換成電信號。

1928 年，德國工程師弗里茨 · 普弗勒默（Fritz Pfleumer）發明了錄音磁帶，可以存儲模擬信號，標志著磁性存儲時代的正式開啟。

這個錄音磁帶的工作原理也很簡單：將粉碎的磁性顆粒用膠水粘在紙條上，制備成磁帶。磁帶在移動過程中，隨著音頻信號強弱，磁帶被磁化程度也會發生變化，從而記錄聲音。

有趣的是，后來德國人之所以大力推動磁帶技術的改進，是為了更好地傳播希特勒的講話。而美國人后來積極引進了這項技術，則是為了傳播流行音樂。

1932 年，磁存儲技術再次有了重大突破。

這一年，奧地利工程師古斯塔夫 · 陶謝克（Gustav Tauschek）發明了磁鼓存儲器。

磁鼓存儲器

這個存儲器有點像電動機。它包含一個大型金屬圓柱體，外表面涂有鐵磁記錄材料。

在存儲器外殼的內側，有大量的靜態磁頭。這些磁頭不尋找數據，而是等待磁扇旋轉就位，進行讀取。大家可以看到，磁線變成了磁面，越來越像后來的磁盤了。

當時，古斯塔夫 · 陶謝克的這個原始磁鼓存儲器，容量約為 500,000bit（62.5KB）。

進入 20 世紀 40 年代后，人類的電子數字計算機技術開始了大爆發。

1942 年，美國愛荷華州立學院的約翰 · 文森特 · 阿塔納索夫（John Vincent Atanasoff）教授和他的學生克利福特 · 貝瑞（Clifford Berry）發明了世界上第一臺電子數字計算機（此前的都是機械式計算機）——ABC（Atanasoff – Berry Computer）。

ABC（復制品）

ABC 使用二進制數字來表示所有數字和數據，使用電子元件進行計算（而非機械開關），計算和內存分離 …… 所有這些，這都是現代計算機的要素。

很多讀者肯定會問：世界上第一臺數字電子計算機，不是 ENIAC 嗎？

其實不是的，ENIAC 只能排第 11。而且，ENIAC 的設計者盜竊了 Atanasoff 的設計。1973 年，美國法院裁定取消了 ENIAC 的專利。

ABC 使用了 IBM 的 80 列穿孔卡，作為輸入和輸出，使用真空管處理二進制格式的數據。數據的存儲，則是使用的再生電容磁鼓存儲器（Regenerative Capacitor Memory）。

第一臺電子計算機之后，美國科技管理體系的奠基人、IEEE 愛迪生獎得主萬尼瓦爾 · 布什（Vannevar Bush）放出預言：

" 人類終將發明存儲書籍、記錄、溝通等所有人類知識的機器 "。

█ 點歪的科技樹

除了磁存儲之外，在 20 世紀 40 年代，人類還拓展了其它幾條存儲科技線。

1946 年，波蘭天才發明家揚 · 亞歷山大 · 拉奇曼（Jan A. Rajchman）發明了一種選擇性靜電記憶管—— Selectron Tube。

揚 · 亞歷山大 · 拉奇曼和他的 Selectron Tube

它是人類第一個真正的數字、隨機存取高速存儲器（RAM），使用靜電荷存儲數據在真空管內，能夠短暫存儲大約 4000 字節的數據。

1947 年，弗雷迪 · 威廉姆斯（Freddie Williams）和湯姆 · 基爾伯恩（Tom Kilburn）發明了類似原理的威廉姆斯 - 基爾伯恩管（Williams – Kilburn tube）并商用。

IBM 的第一臺商用科學計算機 701，就使用了 72 個該管，作為內存。

比上面兩種存儲器更知名的，是二戰期間約翰· 皮斯普 · 埃克特（J. Presper Eckert）發明的汞（水銀）延遲線存儲器（Delay Line Memory）。

這個延遲線存儲器的原理，是通過用壓力波的傳播延遲來存儲數據。

拿一個管子，裝滿汞（水銀）。管子一端放揚聲器，另一端放麥克風。

揚聲器發出脈沖時會產生壓力波，壓力波需要時間傳播到另一端的麥克風，麥克風將壓力波轉換回電信號。

有壓力波代表 1，沒有代表 0。通過內部電路，連接麥克風和揚聲器，再通過放大器來彌補信號衰弱，從而實現一個存儲數據的循環。

研究出這個技術之后，埃克特和同事約翰 · 莫奇利（John Mauchly）一起設計了 ENIAC。后來，他們又做了一個更大更好的計算機，叫 EDVAC。

EDVAC（猜猜這個男人是誰？）

EDVAC 總共用了 128 條延遲線，每條能存 352bit，總共能存 45,000bit，是最早的 " 存儲程序計算機 " 之一。

延遲線存儲器有一個很大的缺點：每一個時刻只能讀一位 ( bit ) 數據，并且只能順序讀取（所以又叫 " 順序存儲器 " 或 " 循環存儲器 "）。

因此，到 1950 年代中期，延遲線存儲器基本就過時了。

一種新型存儲技術的崛起，實現了對延遲線存儲器的替代，那就是——性能、可靠性更高，而成本更低的" 磁芯存儲器 "。

說白了，存儲技術還是繞回了磁存儲這條科技線。

1947 年，美國工程師弗雷德里克 · 菲厄（Frederick Viehe）第一個申請了磁芯存儲器的專利。

1948 年，華裔傳奇科學家王安發明了 " 脈沖傳輸控制裝置（Pulse transfer controlling device）"，實現了對磁芯存儲器的讀后寫（Write-after-Read）。1949 年，王安申請了專利，并以 50 萬美元的價格賣給了 IBM。

大家應該聽說過這個王安，他是后來傳奇 IT 公司王安電腦的創始人。

磁芯存儲器原理其實和磁鼓存儲器類似，都是利用通電時磁化的變化來代表 0 和 1，以此記錄數據。

給磁芯繞上電線，并施加電流，可以將磁化在一個方向。如果關掉電流，磁芯保持磁化。如果沿相反方向施加電流，磁化的方向（極性）會翻轉，這樣就可以用來區別存儲 1 和 0。

磁芯存儲器

磁芯存儲器的第一次大規模運用，是 1953 年麻省理工學院的 Whirlwind 1 計算機。

后來，杰 · 福雷斯特（Jay Forrester）完善了磁芯存儲技術，推出第一個可靠的計算機高速隨機存取存儲器。

磁芯存儲器在 20 世紀 70 年代被廣泛用作計算機的主存儲器，直到 Intel 的半導體 DRAM 內存批量生產。

值得一提的是，1951 年，磁帶首次被用于商用計算機上存儲數據，在 UNIVAC 計算機上作為主要的 I/O 設備。

UNIVAC

UNIVAC 的磁帶機

UNIVAC 采用了磁帶技術，引起了 IBM 公司的注意。

不久后，IBM 發明了新的磁帶機制，使用真空柱隔離，保證磁帶在加速或者減速過程中不易被撕裂。

1952 年，IBM 發布了一臺全新的磁帶存儲設備（型號 726），與 IBM 701 計算機一起銷售。

█ 姍姍來遲的硬盤時代

1956 年 9 月 14 日，在 IBM 公司的一場新聞發布會上，展示了一個碩大無比的機柜。

這個機柜看上去像一個水族箱，高約 2 米，重量接近 1 噸。在機柜的里面，有一層一層的盤片（直徑 61cm），有點像堆疊起來的唱片。

這個機柜是干啥用的呢？

答案揭曉：它就是后來被稱為人類歷史上第一塊硬盤的 IBM 350 RAMAC。

（全名很長，叫做統計控制隨機存取法，Random Access Method for Accounting Control。）

IBM 350 RAMAC

更準確來說，它是一臺使用了移動頭硬盤驅動器（HDD）的商用計算機。

IBM 350 RAMAC 的存儲空間極小，僅僅只有 5MB。它的讀寫速率更是低得可怕，只有 97.6Kb/s。

然而，就是這么一臺 " 弱雞 " 的設備，當時售價高達 35400 美元（相當于現在的 30 多萬美元），還不一定能買得到。

我們現在都知道，IBM 350 RAMAC 的誕生，意義極為深遠——它標志著人類正式進入了硬盤時代。數字技術的高速發展，又完成了一塊重要的拼圖。

此后，作為存儲技術的開山鼻祖和龍頭老大，IBM 繼續引領著硬盤這個產品的發展。

1962 年，IBM 發布了第一個可移動硬盤驅動器 1311，它有六個 14 英寸的盤片，可存儲 2.6MB 數據。

IBM1311，看上去有點像一個灶臺

1973 年，IBM 又發明了Winchester（溫徹斯特）硬盤 3340，使用了密封組件、潤滑主軸和小質量磁頭。

其特點是工作時磁頭懸浮在高速轉動的盤片上方，而不與盤片直接接觸，這便是現代硬盤的原型。

之所以這個硬盤會叫做 " 溫徹斯特 "，主要是因為它的兩個 30MB 存儲單元，恰好是當時著名的 " 溫徹斯特來福槍 " 的口徑和填彈量。

溫徹斯特架構，已經和現在的硬盤很像了

" 溫徹斯特 " 磁盤驅動器誕生后，現代硬盤的基本架構被確立。此后，硬盤的主要發展方向，就是容量的不斷增加，以及體積的不斷減小。

換句話說，你現在用的 HDD 硬盤，架構上和 1973 年沒有太大區別。

1980 年，IBM 推出了第一塊 GB 級別的存儲硬盤。同樣是這一年，一家名不見經傳的小公司，發明了一款便宜的硬盤產品，開始挑戰 IBM 的地位。

這家公司，就是成立于 1979 年的希捷（Seagate）。

希捷推出的硬盤型號，是 ST-506。盤片尺寸為 5.25 英寸，比 IBM 的 3340 小得多。這個硬盤可以存儲 5MB 的數據，價格大概 1500 美刀。不久后，希捷又推出了 10MB 容量的 ST-412。

ST-412

1983 年，蘇格蘭公司 Rodime 發布了世界上第一款 3.5 英寸硬盤，意義同樣深遠。

小尺寸硬盤的出現，為個人 PC的誕生奠定了基礎，也為家庭和中小企業的數字化創造了條件。

大家都知道半導體領域有一個摩爾定律。其實，硬盤也有自己的定律，那就是——硬盤的容量密度，每年增加約 1 倍。

到 90 年代，諾貝爾物理學獎得主艾爾伯 · 費爾（Albert Fert）和彼得 · 格林貝格（Peter Grunberg）發現了巨磁電阻效應。

基于該效應研究的GMR 巨磁阻效應磁頭技術，以及SMR 瓦楞式堆疊磁盤技術，成功將機械硬盤的磁道密度提升上百倍。

2007 年，日立（2003 年收購了 IBM 硬盤事業部）率先推出了 TB 級別的硬盤，是存儲技術的一個重要里程碑。

該硬盤采用了垂直存儲技術，將平行于盤片的磁場方向改變為垂直，更充分地利用了存儲空間。此外，垂直存儲技術能耗小，發熱量減小，改善了數據抵抗熱退減的能力，提高了硬盤的可靠性。

2010 年，氦氣封裝技術量產，除了讓硬盤的容量變大外，溫度和耗電能夠再降低，耐用度和穩定性獲得了大幅提升。

2022 年年初，希捷確認將推出 22TB 容量的機械硬盤（采用疊瓦式），有望刷新機械硬盤最大單盤容量的記錄。

█ 軟盤和光盤

接下來，我們再來簡單說說軟盤和光盤。

世界上第一個軟盤，同樣來自 IBM，誕生于 1971 年。當時，這個軟盤的直徑是 8 寸，容量 80KB，只讀不可寫。四年后，可讀性的軟盤誕生，容量增加到 256KB。

后來，隨著技術的發展，又誕生了 5.25 寸的軟盤，并廣泛使用在 Apple II、IBM PC 及其他兼容電腦上。

1980 年，日本索尼開發了 3.5 寸軟盤，并成為市場標準。1984 年，蘋果公司開始在 Mac 上開始采用 3.5 寸軟盤。當時，軟盤的容量還不到 1MB。后來，1.44MB 的軟盤，成為市場主流。

2005 年，小棗君還在上大學的時候，就用著這種軟盤，極易損壞。

再后來，軟盤容量最高做到 250MB。然而，隨著光盤和 U 盤的出現，軟盤迅速從市場消失。

再看看光盤。

相比軟盤，光盤的壽命要堅挺很多。

1965 年美國物理學家羅素 Russell 發明了第一個 Compact Disk/CD（數字 - 光學記錄和回放系統），1966 年提交了專利申請，這是后來 CD/DVD 的前身。

1982 年，索尼和飛利浦公司發布了世界上第一部商用 CD 音頻播放器 CDP-101，光盤開始普及。普通標準 120 型的光盤，最大容量已經可以達到 700MB。

DVD 原是 Digital Video Disc（數字視頻光盤）的首字母縮略。1995 年，IBM 牽頭將高容量光盤標準統一合并成為 DVD，重新定義為 Digital Versatile Disc（數字多用途光盤）。當時，DVD 的容量，可以達到 4.7GB。

藍光 DVD 上市后，每片光盤的容量高達 25G 或 27GB。采用多層的話，更是可以達到驚人的 400GB（16 層）。

光盤的工作原理其實不是利用磁性，而是刻坑——光盤表面有很多小坑，造成光的不同反射，光學傳感器會捕獲到，并解碼為 1 和 0。

█ 結語

進入 21 世紀后，信息技術以爆炸式的速度發展。

互聯網的普及，手機的崛起，使得整個社會的數字化進展大幅加快。由此帶來的數據增長，也是驚人的。

傳統 HDD 硬盤盡管在不斷提升自己的容量和性能，但仍然無法滿足時代的需要。

于是，一種新型的存儲技術迅速崛起，開始了對 HDD 的取代。這個技術，就是半導體存儲。

究竟什么是半導體存儲？大家經常聽說的 DRAM、FLASH、NAND、SSD…… 到底是什么意思？

敬請關注下集：

存儲技術的前世今生（中篇）：半導體存儲的最強介紹