存儲科普（一）存儲發(fā)展歷史

weimiao 2022-08-19 發(fā)布于安徽

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今天,，無處不在的科技，都離不開網(wǎng)絡、計算和存儲,。其中信息存儲的發(fā)展歷史最悠久，堪稱萬年進化史,。從文明誕生以來,，人類就一直在尋求能夠更有效存儲信息的方式，從4萬年前的洞穴壁畫,、6000年前泥板上的楔形文字，到今天普及的SSD/閃存，再到對量子存儲,、DNA存儲技術的探索，腳步從未停止,。（當然,，我們可以把存儲的歷史追溯的更久遠，比如生物出現(xiàn)的那一天,，它們的DNA可能就已經(jīng)能夠存儲信息了,；又比如人類的大腦，就是最原始,、最強大,、最精密的存儲器。）

1. 最早的信息存儲介質(zhì)：繩子

在還沒有文字出現(xiàn)的時候,，結繩是人類所知的最早的計數(shù)工具（除手指之外）,，它出現(xiàn)早于任何的文字，因此對于它被發(fā)明的時間和地點都找不到記載,。,。結繩就是指以繩子上打結的數(shù)量來表示事物的多少，同時結的大小和形狀都可以用來表達不同的含義,，“結繩記事”主要記錄部落發(fā)生的大事,、天災人禍以及歷法之類的事情。我們有理由相信,，結繩記事完全勝任了那個年代社會所賦予給它的角色,。它促進了人們之間的溝通，促進了生產(chǎn)力和生產(chǎn)關系的變革,。漢朝鄭玄在其《周易注》中記載：“古者無文字,，結繩為約，事大,，大結其繩,，事小,，小結其繩?！敝皇恰敖Y繩記事”距我們太過遙遠,，我們很難準確翻譯古人繩結的含義,。在這種意義上來說,，結繩記事作為信息存儲的介質(zhì)，并不能算是成功——信息被存儲了,，但是無法被今人所讀取,。

最原始的結繩記事

隨著文明不斷的進步，人類中誕生了圖畫文字,。圖畫文字是在文字畫基礎發(fā)展出來的,，圖畫文字與有聲語言有直接聯(lián)系，它記錄了語言中詞的聲音和意義,，因此說是文字的雛形（或者稱作原始文字）,。這是一次人類文明史上的質(zhì)的飛躍，更是信息存儲史的質(zhì)的飛躍,。也真是因為圖畫文字的發(fā)展,，最終人類社會誕生了我們熟知的象形文字,。埃及的象形文字,、蘇美爾文,、古印度文以及中國的甲骨文，都是獨立地從原始社會最簡單的圖畫和花紋產(chǎn)生出來的,。約5000年前，古埃及人發(fā)明了象形文字,，這種字寫起來既慢又很難看懂。中國的象形文字是華夏民族智慧的結晶,，是老祖宗們從原始的描摹事物的記錄方式的一種傳承，也是最形象,，演變至今保存最完好的一種文字,。而作為文字的載體，從獸骨,、龜甲到紙張,。紙張也是陪伴人類一直到現(xiàn)代,。

2.更進一步的信息存儲介質(zhì)：甲骨、石碑,、紙張

自從文字和相關存儲方式的出現(xiàn),，人類的文明得到了飛速的發(fā)展,，大量的智慧結晶勞動成果得以保留，而到了現(xiàn)代之后,，存儲在甲骨或者石碑上面的象形文字也逐漸被專家解析,，從而能夠還原數(shù)千年前古人存儲的大量信息。

甲骨文記事

更進一步的,，如何把大量的信息進行更大規(guī)模和高效的存儲,，成為了專業(yè)人士面前的難題，而隨著存儲介質(zhì)的逐漸解決,，人類也逐漸地進入了信息時代,。

3. 紙（PAPER），信息記錄的革命性進步

西漢（公元前202年—8年）初期,，中國人發(fā)明了造紙術（在此之前靠龜甲,、獸骨、金石,、竹簡,、木牘、縑帛等記錄文字）,。紙的出現(xiàn)使得信息的記錄,、傳播和繼承,有了革命性的進步，促進了人類文化的傳播,。紙也為后來打孔卡的出現(xiàn)奠定了基礎,。

西漢時期我國造紙術工藝圖

4. 第一種現(xiàn)代信息存儲介質(zhì)：穿孔卡片

最早的外置存儲器可以追溯到19世紀末，是一種穿孔卡片,。

打孔卡（PUNCHED CARD）和打孔紙帶（PUNCHED TAPE）,，最早的機械化信息存儲形式

1725年法國人Basile Bouchon發(fā)明了打孔卡（穿孔卡），他用在紙上打孔的形式來存儲圖案,，用于控制紡織機進行圖案織造,。

1801年Joseph Marie Jacquard將打孔卡順序捆綁在一起應用于提花織機，這是打孔紙帶（Punched Tape）的雛形,。

1846年Alexander Bain使用打孔紙帶發(fā)送電報,。

1890年，Herman Hollerith發(fā)明了打孔卡制表機,，用于收集并統(tǒng)計人口普查數(shù)據(jù),，標志著半自動化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)時代的開始,。這種機器不僅統(tǒng)計速度更快，而且能夠以新的方式理解信息,，很快便應用到了各個行業(yè),。

1896年，Herman Hollerith成立了制表機公司,，這家公司就是后來大名鼎鼎的IBM的前身,。打孔卡和紙帶直到80年代還在使用，持續(xù)了兩個多世紀,。

打孔卡

IBM 80列打孔卡

使用打孔卡的提花織機

打卡紙帶

打孔卡制表機

5. 磁帶（MAGNETIC TAPE）,，磁性存儲時代的開始

1928年Fritz Pfleumer發(fā)明了錄音磁帶，可以存儲模擬信號,。該專利基于1888年Oberlin Smith的磁記錄聲音設想和Valdemar Poulsen在1898年發(fā)明的磁線技術,。原理就是：磁力線是隨音頻電流的變化而變化的，所以每段磁帶在移動過程中被磁化的程度也隨音頻信號電流的強弱而變化,，這樣就能把聲音記錄的磁帶上,。磁帶用于計算機中則是從1951年開始。

Fritz Pfleumer和他的磁帶錄音機 (1931)

磁帶

6.磁鼓內(nèi)存（DRUM MEMORY）,，硬盤驅(qū)動器（HDD）的前身

1932年Gustav Tauschek發(fā)明了磁鼓存儲器,，它包含一個大型金屬圓柱體，外表面涂有鐵磁記錄材料,。在磁芯存儲器出現(xiàn)之前廣泛用于計算機內(nèi)存,。同時也用于做二級存儲，被認為是硬盤驅(qū)動器（HDD）的前身,。與硬盤驅(qū)動器一樣,，磁鼓也有磁頭，但不是尋找數(shù)據(jù),，磁鼓上有許多靜態(tài)磁頭,，只需等待正確的磁扇旋轉就位即可。Tauschek的原始磁鼓存儲器的容量約為500,000比特（62.5千字節(jié)）,。

磁鼓內(nèi)存,，硬盤的前身

Gustav Tauschek的專利鼓內(nèi)存示意圖

Univac計算機上的磁鼓內(nèi)存

IBM650計算機

IBM650計算機

7.ATANASOFF-BERRY COMPUTER（ABC），世界上第一臺電子數(shù)字計算機誕生

John Vincent Atanasoff教授和他的學生Clifford Berry在1937年設計了ABC,，1942年測試成功,，這是世界上第一臺電子數(shù)字計算機（此前的都是機械式計算機）。ABC也是第一個使用二進制數(shù)字來表示所有數(shù)字和數(shù)據(jù),；使用電子元件而不是車輪,，棘輪或機械開關執(zhí)行所有計算；組織計算和內(nèi)存分離的系統(tǒng),，這都是現(xiàn)代計算機的要素,。

許多教科書上寫的1946年的ENIAC計算機是世界第一,，這是錯的。ENIAC只能排第11臺,，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IBM 80列穿孔卡做輸入和輸出,，使用真空管處理二進制格式的數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)的存儲則是使用的再生電容磁鼓存儲器（Regenerative Capacitor Memory），它由一對磁鼓組成,，每個鼓包含1600個電容器,，每秒鐘在公共軸上旋轉一次。

ABC計算機-世界上第一臺電子數(shù)字計算機

ENIAC計算機的后面板細節(jié),，真空管

8.SELECTRON管，第一個隨機存取數(shù)字存儲器

1946年Jan A. Rajchman團隊發(fā)明的靜電記憶管Selectron Tube是最早的隨機存取數(shù)字存儲器（RAM）,，使用靜電荷存儲數(shù)據(jù)在真空管內(nèi),。它能夠短暫存儲大約4000字節(jié)。

1947年Freddie Williams和Tom Kilburn發(fā)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個該管做內(nèi)存,。后來磁芯存儲器出現(xiàn)取代了這種存儲器。

Selectron管,，靜電記憶管

9.延遲線存儲器（DELAY LINE MEMORY）,，一種順序存取的內(nèi)存形式

在二戰(zhàn)期間，J. Presper Eckert發(fā)明了汞/水銀延遲線存儲器用于改良雷達聲波,，1947年申請了專利,，后與John Mauchly一起設計了第一臺通用電子計算機ENIAC（使用了汞延遲線存儲器），他也是第一臺商業(yè)計算機UNIVAC（1951年）聯(lián)合設計者,。延遲線存儲器是一種可以重刷新(refreshable)的存儲器,，是早期的一種內(nèi)存形式，但是與現(xiàn)代的隨機存取存儲器（RAM）不同的是,，延遲線存儲器的工作方式為順序存取,。

UNIVAC計算機上的延遲線存儲器

10.磁芯存儲器（MAGNETIC-CORE MEMORY），隨機存取存儲器（RAM）的早期版本

1947年Frederick Viehe第一個申請了磁芯存儲器的專利,，1948年,，華裔王安發(fā)明了“脈沖傳輸控制裝置(Pulse transfer controlling device)”，實現(xiàn)了對磁芯存儲器的寫后讀（Write-after-Read）,，1949年申請了專利,，并以50萬美元的價格賣給了IBM，這位傳奇人物在1986年的時候個人財富就達到了20億美元,。磁芯存儲器原理是磁芯根據(jù)磁化時電流的方向可以產(chǎn)生兩個相反方向的磁化,，這就可以作為0和1的狀態(tài)來記錄數(shù)據(jù),。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(nèi)存批量生產(chǎn)。最初的磁芯存儲器只有幾百個字節(jié)的容量,。

磁芯存儲器細節(jié)圖

一個存儲1024位,，32x32大小的磁芯存儲器

王安，鐵氧體磁芯存儲器基本概念的開發(fā)者,，王實驗室的創(chuàng)始人,，開發(fā)了第一臺臺式電腦

11. 磁帶（MAGNETIC TAPE），首次被用于計算機上存儲數(shù)據(jù)

1951年,，磁帶首次被用于計算機上存儲數(shù)據(jù),，在UNIVAC計算機上作為主要的I/O設備，稱為UNIVACO,，這就是商用計算機史上的第一臺磁帶機,。磁帶早在1928年便已誕生，此前多用于聲音記錄,。盒式磁帶現(xiàn)在通常被叫做 Tape Cartridge,，磁帶存儲因為支持離線保存，壽命長,，容量大,、性價比高，今天仍有很多使用,。使用磁帶的設備有磁帶機（Tape）,、磁帶庫（Tape Library）。

7英寸卷盤,，1/4英寸寬音頻錄音磁帶

1/4英寸盒式磁帶是由3M于1972年推出的一種磁帶數(shù)據(jù)存儲格式,，一直流行至今

IBM LTO 3磁帶盒，800GB的壓縮容量

IBM TS1050磁帶庫,，由多個磁帶驅(qū)動器組成,，內(nèi)置機械手，抓取磁帶

12.硬盤驅(qū)動器（HARD DRIVE）,，磁盤存儲時代開始了

1956年,，世界上第一個硬盤驅(qū)動器IBM 350,出現(xiàn)在了IBM的RAMAC 305計算機（第一臺提供隨機存取數(shù)據(jù)的計算機，同時還使用了磁鼓和磁芯存儲器）中。該驅(qū)動器約有兩個冰箱大小,，重達一噸,，包含50個24英寸盤片,，能存儲5M的信息，數(shù)據(jù)傳輸速度10K/S,。

1962年,，IBM發(fā)布了第一個可移動硬盤驅(qū)動器1311，它有六個14英寸的盤片,，可存儲2.6MB數(shù)據(jù),。

1973年，IBM發(fā)明了Winchester（溫氏）硬盤3340，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(xiàn)代硬盤的原型,。

1978年,，IBM第一個提出RAID(獨立磁盤冗余陣列)并申請技術專利。

世界上第一個硬盤驅(qū)動器IBM 350

IBM 350磁盤驅(qū)動器,，雙臂用于從 350 磁盤存儲單元記錄或讀取數(shù)據(jù)

IBM 1311磁盤系統(tǒng),，世界上第一個移動硬盤系統(tǒng)

IBM 3340采用了稱為“溫徹斯特”的先進磁盤技術,。有35MB和70MB兩種容量規(guī)格

IBM工程師Norman Ken Ouchi在1978年提出了RAID概念并申請了專利(Raid 5的雛形)

13.只讀式光盤存儲器（CD-ROM）/數(shù)字多用途光盤 DVD（FLOPPY DISK）

1965年美國物理學家羅素Russell發(fā)明了第一個Compact Disk/CD（數(shù)字-光學記錄和回放系統(tǒng)），1966年提交了專利申請,，這是后來風靡一時的 CD/DVD 的前身。

1982年,，索尼和飛利浦公司發(fā)布了世界上第一部商用CD音頻播放器CDP-101,，光盤開始普及,。

DVD原是 Digital Video Disc(數(shù)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(tǒng)一合并成為DVD，重新定義為Digital Versatile Disc(數(shù)字多用途光盤),。

光盤的發(fā)明者Russel

Philip公司發(fā)布的第一張CD

Philip發(fā)明的世界上第一臺CD播放器

SONY DVD

世界上第一個DVD播放器是東芝的Toshiba SD 3000

14.DRAM（動態(tài)隨機存取存儲器）

1966年IBM Thomas J. Watson 研究中心的Robert H. Dennard發(fā)明了（動態(tài)隨機存取存儲器）DRAM，1968年申請了專利。

1969年,，Advanced Memory System公司生產(chǎn)了第一款DRAM芯片,，容量僅為1KB。

1970年,，Intel公司推出Intel 1103,，這是第一個商用DRAM芯片,，DRAM取代磁芯存儲器成為個人電腦的標準存儲芯片。

至今,，DRAM仍是最常用的隨機存取器(RAM),，作為個人電腦和工作站中內(nèi)存（即主存儲器）,。DRAM內(nèi)存能夠問世,，主要是基于半導體晶體管和集成電路技術的發(fā)展,。

DRAM發(fā)明者Robert Dennard ,，被授予美國國家技術獎章

ntel 1103 DRAM Memory,，1K

15.軟盤（FLOPPY DISK）

1971年IBM發(fā)布第一張只讀的8英寸軟盤，容量為（80KB）,，1972年Alan Shugart幫助Memorex公司推出了第一款可讀/寫的軟盤Memorex 650（175KB）,。1976年，5.25英寸軟盤問世,，1980年,，索尼開發(fā)了3.5英寸軟盤（1.44MB），并成為市場標準,。從 1971年直到 20世紀 90年代的近三十年內(nèi),，軟盤一直被用于存儲和交換數(shù)據(jù)，并帶動了計算機行業(yè)的快速發(fā)展,。

軟盤的尺寸從最初的 8英寸縮小到 5-1/4 英寸,，最終縮小到 3-1/2 英寸

軟盤驅(qū)動器用于讀寫軟盤數(shù)據(jù)

Memorex 650，8英寸軟盤（175KB）

索尼Sony 3.5英寸軟盤（1.44MB）

16.閃存（FLASH）

1980年日本人富士雄Fujio Masuoka為東芝工作時發(fā)明了NAND Flash閃存技術,，英特爾公司于1988年推出第一款商用型NOR Flash芯片,東芝在1989年發(fā)布了世界上第一個NAND Flash產(chǎn)品。

日本人富士雄Fujio Masuoka在1980年左右為東芝工作時發(fā)明了閃存

東芝NAND flash

17.數(shù)字音頻磁帶 DAT（DIGITAL AUDIO TAPE）

1987年索尼公司推出了第一款DAT磁帶,。DAT（也稱R-DAT）外觀上類似于小型盒式磁帶,，使用3.81 mm / 0.15“（通常稱為4 mm）磁性膠帶封裝在保護殼中,，所以也叫也叫4mm磁帶機技術,。這種技術以螺旋掃描記錄（Helical Scan Recording）為基礎,，將數(shù)據(jù)轉化為數(shù)字后再存儲下來,，早期的DAT技術主要應用于聲音的記錄,，后來隨著這種技術的不斷完善,，又被應用在數(shù)據(jù)存儲領域里。

SONY磁帶

磁帶所用的Helical Scan Recording“螺旋掃描磁記錄”技術原理圖

18.CF存儲卡（COMPACT FLASH）

1994年，閃迪（SanDisk）公司第一個推出CF存儲卡（Compact Flash）,，這種存儲卡最初基于Nor Flash閃存技術,，廣泛用于數(shù)碼相機等產(chǎn)品,。

閃迪（SanDisk）早期16MB的CF存儲卡

閃迪（SanDisk）最新512GB的CF存儲卡

19.閃存驅(qū)動器

1995年以色列公司M-Systems（2006年被SanDisk收購）發(fā)布了第一個閃存驅(qū)動器DiskOnChip,。

閃迪（SanDisk）最新512GB的CF存儲卡

20.MMC存儲卡（MULTI MEDIA MEMORY）

1997 年，西門子和閃迪Sandisk使用東芝的基于 NAND 的閃存開發(fā)了Multi Media Memory（MMC 卡）,。

Cannon的MMC存儲卡

21.SD存儲卡（SECURE DIGITAL MEMORY CARD）

1999年8月，因為 MMC 將允許輕松盜版音樂,，東芝在現(xiàn)有 MMC 中添加了加密硬件,，并將其命名為（Secured Digital）SD 卡,，之后有了MiniSD、MicroSD,、MS Micro2 和 Micro SDHC等。

Sandisk的SD存儲卡

22.USB閃存驅(qū)動器（U盤）

2000年,，Trek公司發(fā)布了世界上第一個商用USB閃存驅(qū)動器（U盤）（U盤專利權較復雜,，多家公司聲稱擁有其專利,，中國的朗科在1999年獲得了U盤的基礎性專利）,。

Trek ThumbDrive U盤

U盤的內(nèi)部構造圖

23.云存儲

2006年Amazon AWS上線，推出EC2和S3云存儲服務,，至此，存儲進入了一個新的時代,。之后微軟、谷歌,、蘋果等紛紛推出了自己的云存儲產(chǎn)品

云存儲

24.DNA存儲

20世紀60年代蘇聯(lián)科學家Wiener and Neiman提出了“遺傳存儲器”（genetic memory）的概念,，麻省理工的戴維斯在1986年以生物藝術作品 “Microvenus” 的形式進行驗證：他為“女性地球”編碼了一個 35 比特的古代日耳曼符文圖案。1999年開始DNA存儲快速發(fā)展,。DNA存儲密度大,，保存數(shù)據(jù)時間長，重量不到一塊方糖的 DNA 可存儲世界上所有的電影,。一輛兩座廂式貨車大小的 DNA 可容納世界上產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù),。