引言:大家好,我是小枣君。今天这篇文章,我们来聊聊存储。 说到存储,大家都会想到硬盘。 硬盘 其实,存储既是一个微观的概念,也是一个宏观的概念。 微观上来说,它就是指的数据存储、计算机存储、硬盘存储。而宏观上呢,所有物品、信息的保管和保存,皆可称为存储。 人类文明的发展史,其实就是建立在存储技术的演进之上的。 在远古时期,早期人类通过结绳记事、龟甲兽骨,点燃了人类文明的火种。 后来,随着工艺技术的进步,逐渐有了竹简木牍、纸张缣帛,人们可以更好地记录信息(历史、文化和技能),从而将文明不断地延续和传承下去。 到了18世纪,工业革命开始萌芽,从而将人类信息存储技术推向了一个全新阶段——打孔卡时代。 █ 打孔卡时代 1725年,法国人巴斯勒·布乔(Basile Bouchon)发明了打孔卡(穿孔卡),用于织布机。 打孔卡织布机(模型) 大家对这个东西可能有点陌生,它有点像我们现在考试使用的答题卡。 织布机在编织过程中,编织针会往复滑动。根据打孔卡上的小孔,编织针可以勾起经线(没有孔,就不勾),从而绘制图案。换言之,打孔卡是存储了“图案程序”的存储器,对织布机进行控制。 这一发明,标志着人类机械化信息存储形式的开端。 1801年,法国织机工匠约瑟夫·马里尔·雅卡尔(Joseph Marie Jdakacquard)对打孔卡进行了升级。 他将打孔卡按一定顺序捆绑,变成了带状,创造了穿孔纸带(Punched Tape)的雏形。这种纸带,被应用于提花织机。 1846年,传真机和电传电报机的发明人亚历山大·贝恩(Alexander Bain)将穿孔纸带技术引入自己的电报机,大幅提升了工作效率。 这个东西,小枣君在多年前亲眼见过(暴露年龄了) 到了1890年,一个牛人的出现,让打卡孔技术进一步发扬光大。这个人,就是德裔美国人——赫尔曼·何乐礼(Herman Hollerith)。 赫尔曼·何乐礼(1860-1929) 这位老兄在打孔卡的基础上,发明了打孔卡制表机,专门用于收集并统计人口普查数据。 打孔卡制表机 这种制表机的统计速度更快。根据史料记载,在1890年的美国人口普查中,通过打孔制片和打孔机,仅6周就完成了统计工作。而此前1880年的美国人口普查,数据全靠手工处理,历时7年才得出最终结果。 如此巨大的效率提升,使得制表机在各个行业迅速普及。它标志着半自动化数据处理系统时代的开始。 打孔卡技术,直到1960年代都还在广泛使用 后来,1896年,赫尔曼·何乐礼创办了制表机器公司(Tabulating Machine Company)。这家公司,也就是大名鼎鼎的IBM公司的前身。 █ 磁存储时代 打孔卡和制表机属于机械式存储技术,虽然比传统人力有了大幅的效率提升,但仍然存在故障率高、存储量低的问题。 于是,在19世纪电信号技术的推动下,一种新型存储技术逐渐开始崛起,那就是——磁介质存储。 最早的磁介质的相关文章,发表在1888年9月8日的英国《电气世界》杂志上。在”一些可能形式的留声机”一文中,作者奥伯林·史密斯(Oberlin Smith)发表了最早的关于磁记录的观点,他建议:“采用磁性介质来对声音进行录制”。 奥伯林·史密斯(1840-1926) 1898年,丹麦工程师瓦蒂玛·保尔森(Valdemar Poulsen)将奥伯林·史密斯的想法付诸实施。 他在自己的电报机中首次采用了磁线技术,使之成为人类第一个实用的磁声记录和再现设备。 瓦蒂玛·保尔森的磁线电报机 这个磁记录设备的工作原理并不复杂:设备有一个磁头,声音的电信号传输到磁头,产生与信号相似的磁化模式,进行记录。读取时,磁头从磁线中获取磁场的变化,并将它们转换成电信号。 1928年,德国工程师弗里茨·普弗勒默(Fritz Pfleumer)发明了录音磁带,可以存储模拟信号,标志着磁性存储时代的正式开启。 这个录音磁带的工作原理也很简单:将粉碎的磁性颗粒用胶水粘在纸条上,制备成磁带。磁带在移动过程中,随着音频信号强弱,磁带被磁化程度也会发生变化,从而记录声音。 有趣的是,后来德国人之所以大力推动磁带技术的改进,是为了更好地传播希特勒的讲话。而美国人后来积极引进了这项技术,则是为了传播流行音乐。 1932年,磁存储技术再次有了重大突破。 这一年,奥地利工程师古斯塔夫·陶谢克(Gustav Tauschek)发明了磁鼓存储器。 磁鼓存储器 这个存储器有点像电动机。它包含一个大型金属圆柱体,外表面涂有铁磁记录材料。 在存储器外壳的内侧,有大量的静态磁头。这些磁头不寻找数据,而是等待磁扇旋转就位,进行读取。大家可以看到,磁线变成了磁面,越来越像后来的磁盘了。 当时,古斯塔夫·陶谢克的这个原始磁鼓存储器,容量约为500,000bit(62.5KB)。 进入20世纪40年代后,人类的电子数字计算机技术开始了大爆发。 1942年,美国爱荷华州立学院的约翰·文森特·阿塔纳索夫(John Vincent Atanasoff)教授和他的学生克利福特·贝瑞(Clifford Berry)发明了世界上第一台电子数字计算机(此前的都是机械式计算机)——ABC(Atanasoff–Berry Computer)。 ABC(复制品) ABC使用二进制数字来表示所有数字和数据,使用电子元件进行计算(而非机械开关),计算和内存分离……所有这些,这都是现代计算机的要素。 很多读者肯定会问:世界上第一台数字电子计算机,不是ENIAC吗? 其实不是的,ENIAC只能排第11。而且,ENIAC的设计者盗窃了Atanasoff的设计。1973年,美国法院裁定取消了ENIAC的专利。 ABC使用了IBM的80列穿孔卡,作为输入和输出,使用真空管处理二进制格式的数据。数据的存储,则是使用的再生电容磁鼓存储器(Regenerative Capacitor Memory)。 第一台电子计算机之后,美国科技管理体系的奠基人、IEEE爱迪生奖得主万尼瓦尔·布什(Vannevar Bush)放出预言: “人类终将发明存储书籍、记录、沟通等所有人类知识的机器”。 █ 点歪的科技树 除了磁存储之外,在20世纪40年代,人类还拓展了其它几条存储科技线。 1946年,波兰天才发明家扬·亚历山大·拉奇曼(Jan A. Rajchman)发明了一种选择性静电记忆管——Selectron Tube。 扬·亚历山大·拉奇曼和他的Selectron Tube 它是人类第一个真正的数字、随机存取高速存储器(RAM),使用静电荷存储数据在真空管内,能够短暂存储大约4000字节的数据。 1947年,弗雷迪·威廉姆斯(Freddie Williams)和汤姆·基尔伯恩(Tom Kilburn)发明了类似原理的威廉姆斯-基尔伯恩管(Williams–Kilburn tube)并商用。 IBM的第一台商用科学计算机701,就使用了72个该管,作为内存。 比上面两种存储器更知名的,是二战期间约翰·皮斯普·埃克特(J. Presper Eckert)发明的汞(水银)延迟线存储器(Delay Line Memory)。 这个延迟线存储器的原理,是通过用压力波的传播延迟来存储数据。 拿一个管子,装满汞(水银)。管子一端放扬声器,另一端放麦克风。 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,麦克风将压力波转换回电信号。 有压力波代表1,没有代表0。通过内部电路,连接麦克风和扬声器,再通过放大器来弥补信号衰弱,从而实现一个存储数据的循环。 研究出这个技术之后,埃克特和同事约翰·莫奇利(John Mauchly)一起设计了ENIAC。后来,他们又做了一个更大更好的计算机,叫EDVAC。 EDVAC(猜猜这个男人是谁?) EDVAC总共用了128条延迟线,每条能存352bit,总共能存45,000bit,是最早的“存储程序计算机”之一。 延迟线存储器有一个很大的缺点:每一个时刻只能读一位 (bit) 数据,并且只能顺序读取(所以又叫“顺序存储器”或“循环存储器”)。 因此,到1950年代中期,延迟线存储器基本就过时了。 一种新型存储技术的崛起,实现了对延迟线存储器的替代,那就是——性能、可靠性更高,而成本更低的“磁芯存储器”。 说白了,存储技术还是绕回了磁存储这条科技线。 1947年,美国工程师弗雷德里克·菲厄(Frederick Viehe)第一个申请了磁芯存储器的专利。 1948年,华裔传奇科学家王安发明了“脉冲传输控制装置(Pulse transfer controlling device)”,实现了对磁芯存储器的读后写(Write-after-Read)。1949年,王安申请了专利,并以50万美元的价格卖给了IBM。 大家应该听说过这个王安,他是后来传奇IT公司王安电脑的创始人。 磁芯存储器原理其实和磁鼓存储器类似,都是利用通电时磁化的变化来代表0和1,以此记录数据。 给磁芯绕上电线,并施加电流,可以将磁化在一个方向。如果关掉电流,磁芯保持磁化。如果沿相反方向施加电流,磁化的方向(极性)会翻转,这样就可以用来区别存储1和0。 磁芯存储器 磁芯存储器的第一次大规模运用,是1953年麻省理工学院的Whirlwind…