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[网络新闻] 电脑外部存储60年变革记:从打孔卡/唱片到光盘/USB

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啊沐 发表于 2017/2/12 22:18 | 显示全部楼层 |阅读模式

电脑外部存储60年变革记:从打孔卡/唱片到光盘/USB

一、外部存储:60年登七重天
不同于人脑的记忆,机械记忆在很多应用场景下都有着不可替代的作用。从移动存储介质的发展来看,主要经历了:打孔卡、圆筒唱片、黑胶、磁带、软盘、光盘、USB几个阶段。
① 1M的跨越:从打卡机到爱迪生的留声机
如果回溯整个人类历史,我们发现第一个机械化的存储方式,要追溯到1725年第一台打孔卡的出现。打孔卡也叫作穿孔卡,其工作原理在于有空的地方为1,没有空的地方是0,然后用光电或者机械触点来检测是否有孔。在19世纪末,打孔卡开始应用到统计分析领域。例如,1890年美国人口普查正是依靠打孔卡进行统计,实现了机械化的统计与分析。(以下图片来源于网络)
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打孔卡
到了1877年,法国科学家查尔斯·克罗斯和爱迪生分别提出了关于留声机的原理,并加工出一台模型。而世界上第一张唱片是由美国工程师埃米尔·别尔利赫尔于1888年录制而成,唱片中间有两个孔,唱片只录一面,唱针由里向外转动。1889年末至1890年初,市场上开始生产并销售圆筒唱片,到1930年,美国无线电公司成功试制出密纹唱片,这种唱片转速从原来的每分钟78转,变成了每分钟33.5转,大大延长了播放时间,提升了存储容量和质量。
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密纹唱片
1963年,飞利浦公司发明了盒式录音磁带,这也成为80年代最珍贵的记忆。当时,一些计算机也在使用磁带存储来存储数据。彼时,一盘90分钟的录音带只能存储700KB到1M大小的数据。
② PC时代:从8英寸软盘到随身USB
同样属于外部存储,软盘不同于上面的影音存储介质,它的出现依赖于IBM需要为大型处理器和控制单元保存和传送微代码的新需求,在1971年推出8英寸,容量为81KB的磁盘后,又相继推出5.25英寸软盘和3.5英寸(最大容量1.2MB)软盘。直到1987年,IBM推出基于386的IBM Personal System/2(PS/2)个人电脑系列,正式配置了3.5英寸的软驱后,软盘才成为个人电脑标配的移动存储设备。而在8寸软盘刚刚出现时候,一个8寸软盘驱动器的价格,比一台微型计算机整机还贵。
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各色软盘,你还记得吗?
飞利浦和索尼在1980年共同研制了数字光盘(CD),过了两年开始大规模生产。1982年8月的最后一天,CD光盘改变了娱乐音频的世界格局。应用光盘的CD机也在一个月后发布,价格为168000日元。随后,微软公司和苹果公司加入CD研发阵营,并于1987年把CD变成了光盘只读存储器(CD-ROM)。
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2000年的U盘
继光盘之后,就是现在最为流行的移动存储设备USB了。USB与前面的移动设备最大的不同就是,USB全称叫做USB闪存盘(USB flash disk),属于数字存储方式,而非机械模拟的存储方式。在2000年左右,USB出现,由于技术限制,第一代U盘并不像现在这么便捷,而是在任何操作系统下都需要安装驱动。尽管如此,当时的U盘价格却也是现在无法想象的:16M大小的U盘价格约为1000元。而现在16GB的U盘只需要40元左右,原来的U盘价格相当于现在的25640倍。
从最初笨拙的101010打孔卡,到后来用磁针记录音乐,用磁带承载回忆,再到现在人们日常生活中的USB的应用,移动存储介质无论从价格层面,还是容量大小,都实现了蜕变。卡带机是回忆,而USB半导体却成为生活的必需。
二、内存四步登天:半导体存储器完胜
书接上文,我们讲了外部存储的从无到有,今天我们一起聊聊内部存储的前世今生。相较于外部存储单一的应用模式,内部存储更为多样化,既有手机上有内存和运行内存之分,也有PC和服务器上有内存、存储空间和磁盘阵列之分。
最早期的计算机的常见存储器是由各种磁芯制成的,当时的磁芯存储器只有几百个字节的容量,小的惊人。因为磁芯的英文名称就是core,所以磁芯存储器就叫做core memory。现如今,虽然磁芯存储器已经被淘汰,但很多人出于还是习惯把内存叫做core。直到1949年,美籍华人王安博士利用这一思想成功研制的脉冲传输控制装置(Pulsetransfer controlling device),并获得了美国专利,开创了磁芯存储器时代。目前,这种磁芯存储器也已被微型集成电路块上的半导体存储器所取代。
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磁芯存储器
ROM(Read Only Memory)存储器属于最早期的存储方式,它于现在常见的存储器最大的不同是,当时的ROM存储还是一种只读存储器,并不能实现写入数据。而ROM的应用场景也因为其只读不写的特性成为电子计算机中输入输出系统(BIOS)的重要存储介质。早期简单的ROM BIOS程序可以写在128Kb的芯片中,后来,PentiumⅡ主板的ROM BIOS程序写在闪速内存里,大约有2Mb大小。而EPROM (Erasable Programmable ROM)的出现,因其可擦除的PROM因为芯片可以多次复用,现在代替ROM在微型计算机中应用比较广泛。
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比较古老的内存
同样作为半导体存储器,DRAM(Dynamic Random Access Memory)动态随机存取存储器因为结构高效简单,而受到欢迎,是最为常见的系统内存。其主要的工作原理是利用电容内存储电荷的多寡来代表一个二进制比特是1还是0,但其缺陷在于必须隔一段时间刷新一次,如果存储单元没有刷新,存储的信息就会丢失,这就意味着,一旦机器故障导致关机,而数据没有及时保存,所有信息将不复存在。
与动态随机存取存储器相对的是SRAM(Static Random-Access Memory)静态随机存取存储器,SRAM静态存储器带宽有很大改进,由于两条位线(Bit Line)反相,这种差分信号使得SRAM的抗噪声干扰能力很强。因为SRAM不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据,所以它比DRAM的性能更高、功耗更小,但价格也更为昂贵。
三、金字塔篇:三级存储架构形成
除了上面的各种存储方式之外,磁带式存储、机械硬盘HDD和固态硬盘SSD在全新的大数据和云计算时代,正呈现出百舸争流的状态。
诚如上文所说,20世纪五十年代,IBM开始把盘式磁带用在数据存储上,因为一卷磁带可以代替1万张打孔纸卡,所以磁带存储迅速成为最为普及的存储设备。得益于磁带存储天然的性价比优势和成指数级增长的冷存储数据需求(如:Facebook自身数据中心的89%都是冷数据),在此之后的几十年中磁带存储逐渐成为“长老”型存储,长期盘踞在企业存储市场。
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IBM 350 RAMAC
在磁带存储之外,机械硬盘也是企业级存储当之无愧的老大哥。而如今动辄几TB的机械硬盘,在六十年前1956年IBM首次发布时,却是一个由50块24英寸磁盘构成,体积庞大如冰箱,总容量却只有5Mb的大小的东西。
到了1980年,机械硬盘相关技术进一步提升,并成功发布了世界上第一款容量超过1GB的硬盘(约2.52GB),它不仅体积依旧,重量约为250KG,在今天看来价格更可谓是天价:8-14万美元,平均每GB价格为四万美元,相当于我们今天购买硬盘价格(2TB硬盘600元)的9100倍。
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固态硬盘
历史的车轮总是不断向前,尽管HDD已经满足了大部分存储需求,但是从存储原理上讲,HDD仍然属于机械模拟的存储逻辑;SSD固态硬盘的出现则一改机械式存储,将企业级存储引领想数字存储时代。固态硬盘因为延迟更短、速度更快等特点,很快就赢得了市场的欢迎,而数字存储的模式的先天优势,也让SSD成为站在存储金字塔顶端的存储介质。
自此,底层为磁带存储,中间为HDD机械硬盘,最上层为闪存的SSD的三级存储模式逐渐形成。
结束语
人到60岁已为甲子,而于存储而言,60年却意味着一个新的开始,从第一个机械硬盘诞生到现在花费了60年;我们可以设想,再过60年,存储器还是不是机械硬盘的天下,还是SSD固态硬盘通过成本压缩进而统治存储世界呢?




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