栏目介绍

《SFKP·电脑百科全书》是SegmentFault编辑部策划的专题内容。它面向21世纪的每一位上网的网友，对计算机相关的知识点进行科普和公开讨论。

我们生活在一个信息爆炸的时代。据IDC预测，2020年全球产生的数据量将超过40ZB，相当于地球上每个人每年产生5200GB的数据。

数据科学：存储单位换算表

1 B(Byte字节)= 8位

1 KB = 1024 B

1 MB = 1024 KB

1 GB = 1024 MB

1TB = 1024GB

1 拍字节 = 1024 太字节

1 艾字节 = 1024 拍字节

1 ZB = 1024 EB = 1.0 × 1021 B

如何稳定地存储这些海量数据成为了一个难题。在这个问题的背后，存储行业一直在默默支持与我们生活息息相关的科技网络的发展。

从最早用于纺织业存储图案的打孔纸卡，到后来用于人口调查的信息存储，存储介质也在历史的长河中不断变化和演进。

随着唱片、磁带、光盘的诞生，音乐和影视产业进入了大家的视野，风靡一时；半导体、硬盘、闪存的出现，推动了信息时代的发展和进步。

数据存储默默支持着我们人类社会的进步与发展。今天，就让我们了解一下数据存储的发展历史。

第0章什么是内存

存储器是电子设备中用于存储信息的“记忆”设备。

它具有存储数据和信息的能力，可以连续执行程序进行广泛的信息处理。

在数字系统中，凡是能存储二进制数据的，都可以称为存储器；在集成电路中，具有存储功能的电子元件也成为存储器（如RAM、FIFO）；在系统中，物理存储设备也称为Memory，如记忆棒、存储卡等。

计算机中的存储包括内部存储（内存）和外部存储。

其中，内存由两部分组成：

Random-access memory (RAM)：随机存取存储器

Read-only Memory (ROM)：只读存储器

对于CPU来说，RAM是主要存放数据和程序的地方，所以也被称为“主存”，也就是我们通常所说的“记忆棒”。一旦电源关闭，数据就会丢失。

对于用户来说，ROM只能读数据不能写信息，关掉电源也无所谓。ROM中的数据终生不变，但不可修改调整。

外部存储与内部存储器有点不同。我们可以在“存储”中读写数据。外部存储中的数据在被覆盖或删除前一直存在，断电后也不会丢失。

比如U盘是一种很常见的外存，可以低成本+可靠+长时间存储GB数据，但是在使用这种存储介质之前，很难想象这么小的体积能存储这么多的数据什么的。

第 1 章 最早的存储介质——打孔纸卡

名词解析：打孔纸卡

穿孔纸卡，也称为穿孔卡、Hollerith 卡或 IBM 卡，是一张纸板，在预先知道的位置打孔和未打孔以表示数字信息。早期的数字计算机使用打孔卡作为计算机程序和数据的主要输入媒介，信息已通过打孔机输入卡上。

1801年，法国人约瑟夫·玛丽·雅卡尔发明了穿孔卡，用来控制织机织出的图案。

1880 年代，美国人口普查局职员 Herman Hollery 发明了用于统计人口普查数据的穿孔卡片和穿孔卡片制表机，并于 1888 年申请了他的第一项专利。

穿孔卡片制表机

1890年的美国人口普查，用打孔纸和打孔机完成统计只用了6周时间。此前，美国 1880 年人口普查的数据是人工处理的，需要七年时间才能得出最终结果。

据说用打孔纸板写说明书时，需要用特制的钢夹夹住纸带，夹子上有八个孔。按照事先约定的位置，用钢顶针在给定的孔位，根据电脑的指令，在纸带上钻几个孔，有点像修鞋师傅在皮带上打孔。

一个程序至少有几十万条指令，纸带穿上后有好几米长。

顺便说一句，何乐力发明的打孔卡片制表机就是计算机的前身；他当时创立的制表公司就是今天IBM的前身。

在 20 世纪，穿孔卡片被用于单元记录器中作为输入、处理和计算机程序。到 1940 年代主存储是计算机系统的记忆设备，纸卡标准为 80 列 x 12 行，一张卡可以存储 960 位数据（80x12=960）。

据我们所知，最大的纸卡程序是美军的“半自动地面防空系统”，简称SAGE，是1958年投入使用的防空系统，主要程序存储在62500张纸卡上, 大小约为 5MB。

但其实我们每个人几乎都用过打孔纸卡，只不过是一种创新的形式——答题卡。

我们熟悉的答卷

答题纸是由 William E. Sanders 发明的，目的是提高考试阅卷效率。

有点类似于打孔纸卡，当时的学生需要用打孔器在答题纸上打孔。批改试卷时，每个答案的选项位置都会有一根金属棒对应。如果答案正确，金属架将穿过答题纸上的孔。如果答案错误，金属棒将不会穿过。最后根据答题卡的称重结果计算分数。

后来迈克尔·索科尔斯基（Michael Sokolski）利用石墨的不透明性对答题纸进行了革新，出现了我们今天还在使用的石墨答题纸（又称信息卡）。

在答题纸上，用石墨填满相应的位置，然后用一束光扫描答题纸，因为石墨的特性是只吸收和反射光，不让光透过，并且涂漆部分会向外反射光线。有传感器捕捉反射方向的光线，系统会获取答题纸数据并计算分数。

打孔纸板除了作为答题纸实用之外，由于不需要用电，便宜又耐用，作为存储介质连续使用了十几年。但它的缺点也很明显，就是读起来慢，而且只能写一次，打出来的洞不容易补上。对于临时值的存储，纸卡并不好用，于是大家开始寻找更快、更大、更灵活的存储方式。

第二章存储介质的发展历程

20世纪的科技发展速度真是快。1944年，J. Presper Eckert发明了一种称为“延迟线存储器”的优化方案。

原理是这样的，取一根管子，里面装满液体，比如水银，在管子的一端放一个扬声器，另一端放一个麦克风，当扬声器发出脉冲时，会产生压力波，压力波需要时间传播到另一端的麦克风，麦克风会将压力波转换回电信号。

这种延迟线存储器的原理是利用压力波的传播延迟来存储数据。

有压力波代表1，没有压力波代表0。通过内部电路连接麦克风和喇叭，再通过放大器补偿减弱的信号，实现数据的循环存储。

在研究了这项技术之后，埃克特和他的同事约翰莫奇利使用延迟线存储器制造了一台更大更好的计算机，称为 EDVAC。一共使用了128条延迟线，每条延迟线可以存储352位（bits），总共可以存储45000位。，这也是最早的“存储程序计算机”之一。

但“延迟线存储器”也有一个很大的缺点：每一时刻只能读取一位（bit）的数据，而且只能顺序读取。所以也叫“顺序记忆”或“循环记忆”。

出于这个原因，延迟线存储器在 20 世纪 50 年代中期基本上已经过时了。一种新的替代技术出现了，它具有更高的性能、可靠性和更低成本的存储技术——“磁芯存储器”。

将一根电线绕在磁芯上并施加电流可以使它朝一个方向磁化，如果关闭电流，磁芯仍保持磁化状态；如果反向施加电流，则磁化方向（极性）反转，这样就可以用不同的方式存储1和0。

通过将核心排列成网格，电线负责选择行和列，电线穿过每个核心，用于读取和写入位。

磁芯存储器第一次大规模应用是1953年麻省理工学院的Whirlwind 1计算机，磁芯排列为32×32，使用16块板，可存储约16000位。更重要的是，与“延迟线存储器”不同，磁芯存储器可以随时存取任意位（bit），这在当时是非常了不起的。

“磁芯存储器”从20世纪50年代中期开始成为主流，并流行了20多年。

但由于技术问题，一般都是手工编织而成，所以成本比较高，大概1块钱一位。到 20 世纪 70 年代，通过技术创新，它仅降至 1 美分左右。

但即使是每人 1 美分也非常昂贵。现在我们的手机拍一张照片都要10多MB，10MB约等于8000万比特。你愿意花80万美元来存储一张照片吗？

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同一时期，1951 年，Eckert 和 Mauchly 成立了自己的公司，设计了一种名为 UNIVAC 的新型计算机，这是第一批商业销售的计算机之一，并推出了一种新型存储方式：磁带。

磁带是一种薄而柔韧的长条磁带，缠绕在卷轴上。磁带可以在“磁带驱动器”内来回移动，“磁带驱动器”有一个缠绕在电线上的“写入磁头”，电流通过会产生磁场，使磁带的一小部分被磁化，其中电流方向决定极性，代表1s和0s。

磁带机

还有一个“读头”可以非破坏性地检测极性。UNIVAC 采用半英寸宽，8 条平行磁带，磁带每英寸可存储 128 位数据，每卷长 1200 英尺，这意味着总共可以存储约 1500 万位，接近 2 兆字节.

计算机磁带直到 1980 年代才被广泛使用。由于磁带是顺序存取设备，特别适用于传统的存储备份和大量数据的顺序读写。但由于速度慢、体积大等缺点，目前主要用于商业备份等用途。

在50年代和60年代，一种类似于“磁带”的技术是“磁鼓存储器”。有一个金属圆筒，上面覆盖着磁性材料，用来记录数据。圆柱体会不断旋转，周围环绕着数十个读写头等。读写头转到正确位置读取或写入 1 位数据，为了最大限度地减少延迟，磁鼓每转可进行数千转分钟。

鼓记忆

到 1953 年，磁鼓技术发展如此迅速，以至于可以购买存储 80,000 位或 10 KB 的“磁鼓存储器”。

但到了70年代，“磁鼓存储器”就不再生产了。但是，磁鼓技术也直接导致了硬盘的出现。

硬盘与磁鼓非常相似，但硬盘使用的是圆盘而不是圆柱体，因此得名。原理是一样的，磁盘表面是磁性的，写磁头和读磁头可以处理上面的1和0。

硬盘驱动器的优点是它们很薄并且可以堆叠在一起，提供更多的表面积来存储数据。硬盘于1956年由IBM率先使用，并于1960年代初成为通用计算机的主要辅助存储设备。随着科技的进步，硬盘也成为服务器和个人电脑的主要部件。

世界上第一台磁盘计算机是 IBM 的 RAMAC 305，它诞生于 1956 年，它有 50 个直径为 24 英寸的磁盘，总共可以存储大约 5 MB，但相当于两个冰箱的体积。

在 20 世纪 70 年代，硬盘有了很大的改进并变得普遍。今年，IBM 3340 问世了。它因拥有两个30MB的存储单元而得名“温彻斯特”，这恰好就是当时大名鼎鼎的“温彻斯特”。步枪”的口径和装填。至此，硬盘的基本结构已经建立。

1980年，由两名前IBM员工创办的公司开发出第一款台式机产品5.25英寸5MB硬盘ST506，该公司就是希捷科技。

但直到 20 世纪 90 年代，一些硬盘如果受到比较大的振动或敲击，就很可能会损坏。电脑）习惯。

2010年，氦气封装技术量产。除了增加硬盘容量外，还可以进一步降低温度和功耗，耐用性和稳定性也得到了极大的提升。当电源关闭或遇到较大振动时，磁头会立即移动。到了安全区，这大大提高了防坠落能力。2011年，希捷宣布与三星加强战略合作，传统硬盘逐渐被固态硬盘取代。

最后，我们来到我们比较熟悉的“软盘”和“光盘”。

软盘与硬盘基本相同，只是磁盘是软的。第一张软盘也是IBM公司在1971年研制出来的，直径为8英寸。随着硬件技术的发展和使用的需要，衍生出5.25英寸的软盘，并在Apple II、IBM PC等兼容电脑上得到广泛应用。

1984年Apple开始在Mac机上使用3.5英寸的软盘，此时的容量还不到1MB。后来换成了索尼的3.5英寸容量为1.44MB的软盘。这种软盘从80年代到1990年代盛行，一直到2000年代。以前3.5寸软驱还是比较流行的电脑设备之一，后来逐渐被淘汰，00后应该没见过。

随着光存储器的出现，1972年出现了“激光光盘”，即大家熟悉的光盘（简称CD）和20世纪90年代流行的DVD。它具有与硬盘和软盘相同的功能，存储数据，但不使用磁性。光盘表面有许多小凹坑，造成光线的不同反射，被光学传感器捕捉到并解码为1s和0s。

如今，存储技术正在向固态发展，不再使用传统的机械运动部件，如固态硬盘和 U 盘等，其中包含集成电路。恐怕不能代替机械硬盘。

第三章新一代存储介质

1. 世界上最小的存储介质

自从硬盘发明以来，科学家们一直在尝试开发新的制造工艺，使磁存储介质体积更小、密度更高，从而可以存储更多的信息。

在 IBM San Jose Research 工作的国际研究人员团队最近宣布，他们已成功制造出世界上最小的磁铁——仅由一个原子构成的磁铁。同时，他们也成功地利用这块微小的磁铁存储了一点数据。

这一突破建立在 IBM 35 年的纳米技术研究基础上，包括获得诺贝尔奖的扫描隧道显微镜。本周早些时候，IBM 宣布将建造世界上第一台用于商业和科学用途的商用量子计算机。在未来的扫描隧道显微镜研究中，将研究使用单个磁体原子进行量子信息处理的潜力。

2.使用玻璃作为存储介质

早在 2012 年，日立就发布了一项使用石英玻璃作为存储介质的新技术。该存储技术的存储单元由边长为2厘米、厚度为2毫米的方形石英玻璃构成。它每平方英寸可以存储 40MB 的数据。数据通过四层结构的石英玻璃上的激光作用点以二进制格式记录。是的，它可以用普通的光学显微镜读取。

该技术以二进制形式存储数据，通过在石英玻璃薄片上制作点阵来记录数据，只有普通光学显微镜才能读取。

要读取这些数据，您只需要简单地对计算机进行编程。所以无论未来的计算机多么先进，这些数据永远是可读的。这种石英存储介质的原型尺寸约为 2 平方厘米，厚度仅为 2 毫米。它由石英玻璃制成，这是一种高度稳定的弹性材料，通常用于制作烧杯和其他实验室器具。

日立表示，即使在1000摄氏度的环境中放置两小时，石英玻璃上存储的数据也不会被破坏。此外，石英玻璃存储还可以防止辐射、水和各种化学品。

薄片对许多化学品具有抵抗力，不受无线电波干扰，并且可以直接暴露在高温火焰中。而且它是防水的，这意味着它可以在火灾或海啸等自然灾害中幸存下来。也就是说，除非你把它扔到阳光下，或者把它砸成碎片主存储是计算机系统的记忆设备，否则数据基本上是永久性的。

在石英玻璃存储介质沉寂了一段时间之后，微软为我们带来了新消息。11 月 4 日，在微软 Ignite 2019 大会上，CEO Satya Nadella 展示了该公司的 Project silicon 长期数据存储解决方案。

Project silicon 使用超快激光光学和人工智能在石英玻璃上存储数据。玻璃存储设备的尺寸为 75*75*2（mm），最多可容纳 75.6GB 的数据。微软官方表示，该技术仍处于开发阶段。随着技术的迭代，未来这款玻璃硬盘的容量会更大。

该团队与 Warner Bros. Entertainment 合作，将 1978 年的超人电影存储在杯垫大小的玻璃杯中。

3. GitHub的南极存储计划

上周，GitHub 宣布，为了将开源软件留给子孙后代，将在 2020 年 2 月 2 日为所有公共存储库生成快照，并将它们保存在北极地下 250 米的一个废弃煤矿中。快照存储在胶片上，使用寿命长达 1000 年。

AWA 是挪威国有矿业公司 Store Norske Spitsbergen Kulkompani (SNSK) 和长期数字存储提供商 Piql AS 的联合倡议，AWA 致力于档案的永久保存。胶卷将存放在钢壁容器中，存放在偏远的斯瓦尔巴群岛一座废弃煤矿内的密闭室内。

迄今为止，AWA 保存了来自意大利、巴西、挪威、梵蒂冈和许多其他国家的历史和文化资料。

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第四章研究存储介质的意义

对于我们大多数人来说，数据存储变得越来越容易。然而，人类一直在探索如何稳定、大量地存储数据。

乔布斯在2001年发布iPod时夸口说：“一块一元硬币大小的硬盘可以存储1000首歌曲！” 现在，一张银行卡大小的原子硬盘可以存储整个 iTunes 音乐库。只是数量变了。

但这还不够。正如我们开头所说，2020年全球产生的数据量将超过40ZB。到2025年，预计每年将产生160ZB的数据，这比可观测宇宙中的恒星数量还要多。

另一方面，随着社会越来越文明，我们对文化的传承和保存更加渴望，对数据的安全和保存也有了更高的期待。前不久奇帕演讲中的辩论话题——“图书馆着火了，救猫还是救名画？” 如果我们能够拥有一种能够永久、安全、稳定地保存我们的文化遗产的存储介质，这样的问题也就迎刃而解了。不会发生。

还是那句话，就像GitHub的代码永久保存计划一样，希望我们的历史文化在几千年后被下一代“地球上的继承者”发现。应该是挺有意思的吧~

欢迎大家在文末留言，我们会在留言中抽取一位幸运的朋友随机赠送小礼物（：技术书籍、谷歌外设、GitHub娃娃、丝芙官方外设等，etc. .).

-结尾-

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