隨著更新、更好、更快的存儲(chǔ)介質(zhì)的到來，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)能夠以多種不同的方式進(jìn)行存儲(chǔ)。字節(jié)是數(shù)字信息的單位，通常指八位，比特位是一個(gè)信息單位，可以表示為0或1，表示邏輯狀態(tài)。讓我們跟隨時(shí)光的腳步簡(jiǎn)單地走一走，先了解一下比特和字節(jié)的起源。 關(guān)于比特和字節(jié)回到Babbage的分析機(jī)，可以看到一個(gè)比特位被存儲(chǔ)為一個(gè)機(jī)械齒輪或杠桿的位置。在紙質(zhì)卡片的時(shí)代，卡片中某個(gè)特定位置是否有孔代表一個(gè)比特位。對(duì)于磁帶和磁盤等磁性存儲(chǔ)設(shè)備，比特位表示為磁片某一區(qū)域的極性。在DRAM中，一個(gè)比特通常被表示為儲(chǔ)存在電容器中的兩級(jí)電荷，電容器是一種在電場(chǎng)中儲(chǔ)存電能的裝置。 1956年6月，Werner Buchholz創(chuàng)造了 byte 這個(gè)詞來指用于編碼單個(gè)文本字符的一組比特，后來演變?yōu)槲覀兪熘腁SCII編碼。ASCII 是基于英文字母的，因此，每個(gè)字母、數(shù)字和符號(hào)(A-Z、 A-Z、0-9、 + 、-、/！等)表示為一個(gè)介于32和127之間的7位整數(shù)。為了支持其他語言，Unicode 擴(kuò)展了 ASCII，以便將每個(gè)字符表示為一個(gè)編碼值。例如，小寫的 j 表示為 u + 006 a，其中 u 表示 Unicode，后跟十六進(jìn)制數(shù)字。 UTF-8是將字符表示為8位的標(biāo)準(zhǔn)，允許0到127之間的每個(gè)代碼點(diǎn)存儲(chǔ)在一個(gè)字節(jié)中。這對(duì)于英文字符來說沒有問題，但是其他語言中的字符通常表示為兩個(gè)或更多字節(jié)。UTF-16是將字符表示為16位的標(biāo)準(zhǔn)，UTF-32是32位的標(biāo)準(zhǔn)。在 ASCII 中，每個(gè)字符都是一個(gè)字節(jié)，但在 Unicode 中，一個(gè)字符可以是一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或更多字節(jié)。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的時(shí)光漫步一個(gè)字節(jié)中的比特?cái)?shù)隨過去存儲(chǔ)介質(zhì)的設(shè)計(jì)而變化，通過各種存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行時(shí)間旅行，可以了解數(shù)據(jù)在歷史中是如何存儲(chǔ)的。假設(shè)我們有一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)要存儲(chǔ): 字母 j，或者編碼的字節(jié)6a，或者二進(jìn)制01101010。穿越時(shí)光，讓這個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)貫穿于各種存儲(chǔ)技術(shù)之中。 1951年70年前，大約1951年在Univac 1 計(jì)算機(jī)上誕生了 Uniservo 磁帶驅(qū)動(dòng)器，這是第一臺(tái)商用計(jì)算機(jī)的磁帶驅(qū)動(dòng)器。這種磁帶有三磅重，半英寸寬，由被稱為 vicalloy 的鍍鎳磷青銅制成，長(zhǎng)1200英尺。字節(jié)數(shù)據(jù)可以以每秒7,200個(gè)字符的速度存儲(chǔ)在以每秒100英寸的速度移動(dòng)的磁帶上。這時(shí)候，我們可以通過磁帶走過的距離來測(cè)量存儲(chǔ)算法的速度。 1952年到了1952年5月21日，當(dāng)時(shí) IBM 發(fā)布了它的第一臺(tái)磁帶機(jī)——IBM 726。數(shù)據(jù)字節(jié)現(xiàn)在可以從 Uniservo 的金屬磁帶轉(zhuǎn)移到 IBM 的磁帶上了。這個(gè)新家非常舒適，磁帶是可以存儲(chǔ)高達(dá)200萬位的空間。這種七磁道磁帶每秒移動(dòng)75英寸，傳輸速率為12500位數(shù)字每秒或7500個(gè)字符每秒，當(dāng)時(shí)稱為拷貝組。 七磁道磁帶有六個(gè)磁道用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，一個(gè)磁道做奇偶校驗(yàn)。數(shù)據(jù)以每英寸100比特位的速度完成記錄。該系統(tǒng)采用真空通道的方法，使一圈膠帶在兩點(diǎn)之間循環(huán)。這允許磁帶驅(qū)動(dòng)器在瞬間啟動(dòng)和停止磁帶，是通過在磁帶卷盤和讀/寫磁頭之間放置長(zhǎng)的真空柱來實(shí)現(xiàn)的，以吸收磁帶中突然增加的張力，否則磁帶通常會(huì)斷裂。磁帶卷背面的可拆卸塑料環(huán)提供了寫保護(hù)，一卷磁帶大約可以儲(chǔ)存1.1 MB 數(shù)據(jù)。程序不能繞過磁帶，也不能隨機(jī)訪問數(shù)據(jù)ーー它們必須按順序讀寫。 1956年磁盤存儲(chǔ)時(shí)代始于1956年，當(dāng)時(shí) IBM 將 305 RAMAC 計(jì)算機(jī)交付給舊金山的 Zellerbach Paper 公司。這是第一臺(tái)使用移動(dòng)磁頭硬盤驅(qū)動(dòng)器(硬盤驅(qū)動(dòng)器)的計(jì)算機(jī)。RAMAC 磁盤驅(qū)動(dòng)器由50個(gè)直徑為24英寸的磁性金屬盤組成，能夠以每個(gè)字符7位的速度存儲(chǔ)大約500萬字符的數(shù)據(jù)，并以轉(zhuǎn)速1200轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，存儲(chǔ)容量約為3.75 MB。 與磁帶或穿孔卡不同，RAMAC 允許實(shí)時(shí)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器中的大量數(shù)據(jù)。IBM 宣傳 RAMAC 能夠存儲(chǔ)相當(dāng)于64,000張穿孔卡的數(shù)據(jù)。在此之前，事務(wù)需要數(shù)據(jù)累積到一定容量后通過批處理執(zhí)行。RAMAC 引入了連續(xù)處理事務(wù)的概念，以便數(shù)據(jù)能夠及時(shí)檢索。我們的那個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)j，現(xiàn)在可以在 RAMAC 中以每秒100,000位的速度訪問。在此之前，人們使用磁帶時(shí)，必須順序?qū)懭牒妥x取數(shù)據(jù)，而不能隨機(jī)跳轉(zhuǎn)到磁帶的各個(gè)部分，實(shí)時(shí)隨機(jī)訪問數(shù)據(jù)在當(dāng)時(shí)是真正的革命。 1963年DEC tape 于1963年推出，價(jià)格低廉，性能可靠，因此在很多代 DEC 計(jì)算機(jī)中都有使用。這卷3英寸的膠帶是夾層的，夾在兩層聚酯薄膜之間，放在一個(gè)4英寸的卷軸上?？梢杂檬?jǐn)y帶，而不像之前的那些重量級(jí)產(chǎn)品，這使得 DEC tape 對(duì)于個(gè)人電腦來說非常重要。與七軌磁帶相比，DECtape 有六個(gè)數(shù)據(jù)軌道、兩個(gè)標(biāo)記軌道和兩個(gè)時(shí)鐘軌道，數(shù)據(jù)以每英寸350位的速度記錄。數(shù)據(jù)字節(jié)是8位的，但可以擴(kuò)展到12位，以每秒8,325個(gè)12位字的速度傳輸?shù)?DEC tape，磁帶速度為每秒93 +/-12英寸，這比1952年的 Uniservo 金屬磁帶提升了8%。 1967年四年后的1967年，IBM 的一個(gè)小團(tuán)隊(duì)開始研究軟盤驅(qū)動(dòng)器，代號(hào)為 Minnow 。當(dāng)時(shí)，該團(tuán)隊(duì)的任務(wù)是開發(fā)一種可靠且成本低廉的方法，將微代碼加載到 IBM System/370主機(jī)中。然后，該項(xiàng)目被重新分配并用于將微代碼加載到代號(hào)為 Merlin 的 IBM 3330 Direct Access Storage Facility 的控制器中。 數(shù)據(jù)字節(jié)現(xiàn)在可以存儲(chǔ)在涂有磁性材料的八英寸柔性聚酯薄膜磁盤上，稱為軟盤。在發(fā)布時(shí)，該項(xiàng)目的結(jié)果被命名為 IBM 23FD 軟盤驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)。這些磁盤可以容納80 KB 的數(shù)據(jù)。與硬盤驅(qū)動(dòng)器不同，用戶可以很容易地將帶有保護(hù)外殼的軟盤從一個(gè)驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)移到另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。后來，在1973年，IBM 發(fā)布了一個(gè)讀/寫軟盤驅(qū)動(dòng)器，隨后成為了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 1969年1969年，AGC（阿波羅導(dǎo)航計(jì)算機(jī)）只讀繩索存儲(chǔ)器是在阿波羅11號(hào)上發(fā)射升空的，阿波羅11號(hào)將美國(guó)宇航員送上月球并返回。這種繩索存儲(chǔ)器是手工制作的，可以存儲(chǔ)72kb 的數(shù)據(jù)。制造繩索存儲(chǔ)器是緩慢而費(fèi)力的，類似于紡織工作，它可能需要幾個(gè)月編織一個(gè)程序到繩索存儲(chǔ)器，如下圖所示。 但在當(dāng)時(shí)，它是抵御嚴(yán)酷太空環(huán)境的最佳工具。當(dāng)一根導(dǎo)線穿過其中一個(gè)圓形核心時(shí)，它代表1。圍繞一個(gè)核心的電線代表0。我們的那個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)j，現(xiàn)在需要一個(gè)人花幾分鐘才能編織進(jìn)繩子里。 1977年1977年發(fā)布的Commodore PET是第一臺(tái)面向大眾市場(chǎng)成功的個(gè)人電腦。內(nèi)置的 PET 是一個(gè) Commodore 1530 數(shù)據(jù)套裝(數(shù)據(jù)及盒式磁帶)。PET 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬聲音信號(hào)，然后存儲(chǔ)在盒式磁帶上。這使得存儲(chǔ)解決方案具有成本效益和可靠性，盡管速度非常慢。小數(shù)據(jù)字節(jié)可以以每秒60-70字節(jié)的速度傳輸，盒式磁帶每30分鐘一面可容納100 KB，每卷磁帶有兩面。例如，可以在盒式磁帶的一側(cè)放入大約2張55kb 的圖像。這種數(shù)據(jù)套裝也出現(xiàn)在 Commodore VIC-20和 Commodore 64中。 1978年來到1978年， MCA 和飛利浦公司推出了“碟形光盤”?！洞蟀柞彙肥潜泵兰す獬举u出的第一部電影。LaserDisc 的音頻和視頻質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，但對(duì)大多數(shù)消費(fèi)者來說太貴了。與 VHS 磁帶相反，用戶可以用它來錄制電視節(jié)目，而 LaserDisc 則不能寫入。LaserDiscs 使用帶有模擬調(diào)頻立體聲和 PCM 數(shù)字音頻的模擬視頻。這些圓盤直徑為12英寸，由兩個(gè)塑料層的單面鋁制圓盤組成。如今，激光唱片被視為 DVD 制作的基石。 1979年一年后的1979年，Alan Shugart 和 Finis Conner 創(chuàng)立了希捷科技，他們的想法是縮小硬盤驅(qū)動(dòng)器的規(guī)模，使其與5.25英寸軟盤的大小一樣，這在當(dāng)時(shí)是標(biāo)準(zhǔn)配置。1980年，他們的第一款產(chǎn)品是希捷 ST506，是第一款微型計(jì)算機(jī)硬盤。 5.25英寸的磁盤容納了5MB的數(shù)據(jù)，這在當(dāng)時(shí)是標(biāo)準(zhǔn)軟盤的5倍。它是一個(gè)堅(jiān)硬的金屬盤子，兩面都涂上了一層薄薄的磁性材料來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。我們的數(shù)據(jù)字節(jié)可以以625 KB/s 的速度傳輸?shù)酱疟P上。 1981年隨后，索尼推出了第一個(gè)3.5英寸軟盤驅(qū)動(dòng)器。1982年，惠普推出 HP-150，成為第一家采用這項(xiàng)技術(shù)的公司。這使得3.5英寸軟盤在業(yè)界得到了廣泛的支持。磁盤是單面的，格式化容量為161.2 KB，非格式化容量為218.8 KB。1982年，一個(gè)由23家存儲(chǔ)公司組成的聯(lián)盟，根據(jù)索尼最初的設(shè)計(jì)，制作了一個(gè)3.5英寸的有了雙面軟盤。我們數(shù)據(jù)字節(jié)j現(xiàn)在可以存儲(chǔ)在早期廣泛應(yīng)用的存儲(chǔ)介質(zhì)中——3.5英寸的軟盤。 1984年1984年，索尼和飛利浦公司宣布推出了可存儲(chǔ)550MB預(yù)先錄制數(shù)據(jù)的CD-ROM。這種格式源于兩家公司在1982年開發(fā)的 CD-DA (光盤數(shù)字音頻)，用于分發(fā)音樂的 CD-DA 的容量為74分鐘。當(dāng)索尼和飛利浦就 CD-DA 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行談判時(shí)，傳說參與談判的四個(gè)人中有一個(gè)人堅(jiān)持認(rèn)為 CD-DA 能夠容納貝多芬《第九交響曲》的全部?jī)?nèi)容。第一個(gè)產(chǎn)品發(fā)布的 CD-ROM 是 Grolier 的電子百科全書，出版于1985年。這部百科全書包含900萬個(gè)單詞，僅占553兆字節(jié)可用空間的12%。百科全書和我們的數(shù)據(jù)字節(jié)將有足夠的空間。 此后不久，在1985年，經(jīng)過許多計(jì)算機(jī)和電子公司的共同努力，為CD-ROM制定了標(biāo)準(zhǔn)，以便任何計(jì)算機(jī)都能訪問這些信息。 也是在1984年，F(xiàn)ujio Masuoka 發(fā)表了他的關(guān)于一種新型浮柵存儲(chǔ)器的研究成果，這種存儲(chǔ)器被稱為閃存，它可以被多次擦除和重新編程。 首先回顧一下浮柵存儲(chǔ)器是如何工作的。它使用了晶體管，這是一種可以單獨(dú)開關(guān)的門電路。由于每個(gè)晶體管可以處于兩種不同的狀態(tài)(開或關(guān)) ，它可以存儲(chǔ)兩個(gè)不同的數(shù)字: 0和1。浮柵指的是添加到晶體管的第二柵極，這個(gè)第二個(gè)柵極由一層薄的氧化層絕緣。這些晶體管使用施加在晶體管柵極上的一個(gè)小電壓來表示它是開啟還是關(guān)閉，轉(zhuǎn)換成0或1。 對(duì)于浮柵，當(dāng)在氧化層上施加適當(dāng)?shù)碾妷簳r(shí)，電子穿過氧化層，卡在浮柵上。因此，即使斷開電源，電子仍然存在于浮柵上。當(dāng)浮柵上沒有電子時(shí)，它表示1; 當(dāng)電子被捕獲在浮柵上時(shí)，它表示0。反過來，在氧化層上施加相反方向的適當(dāng)電壓，使電子從浮柵中穿出，使晶體管恢復(fù)到原來的狀態(tài)。因此，這些單元可以編程，具有不易失性。我們的那個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)j，可以被編程為01001010個(gè)晶體管，浮柵中電子被捕獲則代表0。 Fujio Masuoka 的設(shè)計(jì)比 EEPROM稍微便宜一些，但是靈活性不如 EEPROM，因?yàn)樗枰嘟M單元一起擦除，但這也解釋了它的速度。當(dāng)時(shí)，Masuoka 在東芝工作，但不久后辭職，成為大學(xué)的一名教授。他對(duì)東芝公司沒有對(duì)自己的工作給予獎(jiǎng)勵(lì)感到不滿，于是起訴東芝公司，要求對(duì)他的工作給予補(bǔ)償。該案于2006年和解，一次性支付了8700萬美元，相當(dāng)于80年代的75.8萬美元?？紤]到閃存在行業(yè)中的影響力，這個(gè)數(shù)字仍然很低。 關(guān)于閃存，需要來看看 NOR 和 NAND 閃存之間的區(qū)別。閃存在由浮柵晶體管構(gòu)成的存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)信息，這些技術(shù)的名稱與存儲(chǔ)單元的組織方式直接相關(guān)。 在 NOR 閃存中，單個(gè)存儲(chǔ)單元并行連接，允許隨機(jī)訪問。這種體系結(jié)構(gòu)使隨機(jī)訪問的微處理器指令所需的短時(shí)間讀取成為可能。NOR 閃存是典型的低密度應(yīng)用程序，大多數(shù)應(yīng)用于只讀的場(chǎng)景。這就是為什么大多數(shù)CPU通常從 NOR閃存中加載固件。Masuoka 和他的同事在1984年發(fā)明了 NOR 閃存，在1987年發(fā)明了 NAND 閃存。 相比之下，NAND閃存設(shè)計(jì)者放棄了隨機(jī)訪問的能力，以換取更小的存儲(chǔ)單元，這也帶來了更小的芯片尺寸和每個(gè)比特位成本更低的好處。NAND 閃存的結(jié)構(gòu)是由八個(gè)存儲(chǔ)器晶體管組成的陣列串聯(lián)而成。這導(dǎo)致了高存儲(chǔ)密度，更小的內(nèi)存單元大小，更快的寫和擦除。當(dāng)數(shù)據(jù)不是按順序?qū)懭肭覊K中已存數(shù)據(jù)時(shí)，必須覆蓋數(shù)據(jù)。 1991年跑到1991年， IBM 評(píng)估了SanDisk 制作的一個(gè)SSD (固態(tài)硬盤)原型模塊，當(dāng)時(shí)被稱為 SunDisk。該設(shè)計(jì)將閃存陣列和非易失性存儲(chǔ)芯片與智能控制器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了缺陷單元的自動(dòng)檢測(cè)和修正。這張磁盤容量20MB，2.5英寸大小，售價(jià)約為1000美元。最終在 ThinkPad 筆記本電腦上使用了這個(gè)產(chǎn)品。 1994年在1994年， Lomega 發(fā)布的Zip磁盤，是一個(gè)100 MB的盒式磁帶，外形尺寸為3.5英寸，比標(biāo)準(zhǔn)的3.5英寸磁盤厚一點(diǎn)。后續(xù)版本的 Zip 磁盤最多可以存儲(chǔ)2 GB。這些磁盤的便利性在于它們只有軟盤那么小，但卻能夠容納大量的數(shù)據(jù)，使得引人注目。我們的數(shù)據(jù)字節(jié)可以寫在一個(gè)1.4 MB/s 的Zip磁盤上。在那個(gè)時(shí)候，1.44 MB 的3.5英寸軟盤寫速度為16 kB/s。在Zip驅(qū)動(dòng)器中，磁頭是非接觸式的讀/寫，并且在表面上飛行，這與硬盤相似，但不同于其他軟盤。由于可靠性問題和CD的經(jīng)濟(jì)性，Zip 磁盤最終被淘汰了。 也是在1994年，SanDisk 推出了 CompactFlash，它被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子設(shè)備，例如數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和視頻攝像機(jī)。 像CD-ROM一樣，CompactFlash 的速度是基于倍速的(8倍，20倍，133倍等等)。最大傳輸速率是根據(jù)原始音頻 CD 傳輸速率150 kB/s 計(jì)算出來的。這個(gè)結(jié)果看起來像 r = k × 150kb/s，其中 r 是傳輸速率，k 是速度等級(jí)。對(duì)于133x CompactFlash，我們的數(shù)據(jù)字節(jié)寫為133 × 150kb/s，或者大約19,950kb/s 或者19.95 MB/s。CompactFlash聯(lián)盟成立于1995年，目的是制定基于閃存存儲(chǔ)卡的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 1997年幾年后， CD-RW (可擦寫光盤）在1997年推出。這種光盤用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，備份以及在各種設(shè)備傳遞文件。CD-RW 只能被重寫大約1000次，這在當(dāng)時(shí)并不是一個(gè)限制因素，因?yàn)橛脩艉苌僭谝粋€(gè)磁盤上反復(fù)重寫數(shù)據(jù)。 CD-RW 是基于相變技術(shù)的。在給定介質(zhì)的相變過程中，介質(zhì)的某些性質(zhì)發(fā)生變化。在 CD-RW 的情況下，由銀、碲、銦組成的特殊化合物的相移會(huì)導(dǎo)致反射區(qū)和非反射區(qū)，每個(gè)區(qū)域代表0或1。當(dāng)這種化合物處于晶體狀態(tài)時(shí)，它是半透明的，這表明它是1。當(dāng)化合物熔化成非晶態(tài)時(shí)，它變得不透明和不反射，這代表是0。我們可以用這種方式將數(shù)據(jù)字節(jié)01001010寫成非反射區(qū)和反射區(qū)。后來，CD-RW 的市場(chǎng)份額最終還是被DVD占據(jù)了。 1999年1999年，IBM 推出了當(dāng)時(shí)世界上最小的硬盤驅(qū)動(dòng)器: 170MB和340 MB 容量的 IBM 微驅(qū)動(dòng)器。這些是小型硬盤，一英寸大小，設(shè)計(jì)用于可以插入 CompactFlash II 型插槽。其目的是創(chuàng)建一個(gè)類似 CompactFlash 但具有更大存儲(chǔ)容量的設(shè)備。然而，這些產(chǎn)品很快就被USB閃存驅(qū)動(dòng)器和更大的CompactFlash卡所取代了。像其他硬盤驅(qū)動(dòng)器一樣，微驅(qū)動(dòng)器是機(jī)械式的，包含小型的旋轉(zhuǎn)磁盤盤片。 2000年USB 閃存驅(qū)動(dòng)器于2000年推出，這樣的設(shè)備包括了一個(gè)外形小巧的帶有 USB 接口的閃存。根據(jù)所使用的 USB 接口的版本不同，速度也不同: USB 1.1的速度限制在1.5 Mbps，而 USB 2.0可以處理35Mbps，USB 3.0可以處理625Mbps。
第一個(gè) USB 3.1 Type C 驅(qū)動(dòng)器于2015年3月發(fā)布，讀寫速度達(dá)到530mbps。與軟盤以及光盤不同，USB 設(shè)備更不容易損壞，但仍然提供相同場(chǎng)景的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸和備份文件。正因如此，軟盤和光盤驅(qū)動(dòng)器的流行度已經(jīng)下降，取而代之的是 USB 端口。 2005年硬盤驅(qū)動(dòng)器制造商在2005年開始使用 PMR (垂直磁記錄)出貨產(chǎn)品。有趣的是，這發(fā)生在蘋果公司發(fā)布 iPod Nano 的同時(shí)，iPod Mini 使用的是閃存，而不是一英寸的硬盤，引起了業(yè)界的一片嘩然。 一個(gè)典型的硬盤驅(qū)動(dòng)器包含一個(gè)或多個(gè)硬盤，硬盤上涂有一層由微小的磁性顆粒組成的磁敏薄膜。當(dāng)磁頭在旋轉(zhuǎn)的磁盤上方飛行時(shí)，數(shù)據(jù)就會(huì)被記錄下來，就像電唱機(jī)和唱片一樣，只不過那些場(chǎng)景下的磁頭與唱片有物理接觸。當(dāng)盤片旋轉(zhuǎn)時(shí)，與盤片接觸的空氣會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)。就像機(jī)翼上的空氣產(chǎn)生升力一樣，空氣也會(huì)在磁頭上產(chǎn)生升力。磁頭快速翻轉(zhuǎn)一個(gè)晶粒磁化區(qū)域，使其磁極指向上或下，表示1或0。 PMR 的前身是 LMR (縱向磁記錄)，PMR 可以提供超過 LMR 三倍的存儲(chǔ)密度，兩者的關(guān)鍵區(qū)別在于 PMR 介質(zhì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的晶粒結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)方向是柱狀而非縱向。由于更好的粒子分離和均勻性，PMR 具有更好的熱穩(wěn)定性和信噪比的改善。它還受益于，因?yàn)楦鼜?qiáng)的磁頭磁場(chǎng)和更好的磁介質(zhì)可以對(duì)齊，進(jìn)而提供了更好的寫入性能。像 LMR 一樣，PMR 的基本限制是基于磁寫入數(shù)據(jù)位的熱穩(wěn)定性，以及需要有足夠的信噪比來讀取信息。 2007年日立公司在2007年發(fā)布了第一臺(tái)1 TB 硬盤， Deskstar 7K1000使用了5個(gè)3.5英寸200 GB 的盤片，每分鐘轉(zhuǎn)速為7200轉(zhuǎn)。這與世界上第一個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器 IBM RAMAC 350形成了鮮明的對(duì)比，后者的存儲(chǔ)容量大約為3.75 MB，這是51年來的變化。 2009年2009年，NVMe (nonvolatile memory express，非易失性存儲(chǔ)器)登上了科技的舞臺(tái)。NVM 是一種具有持久性的存儲(chǔ)器，而易失性存儲(chǔ)器需要恒定的能量來保存數(shù)據(jù)。NVMe 滿足了基于 PCIe (PCI Express)的 SSD對(duì)可伸縮性主機(jī)控制接口的需求。
超過90家公司參與了開發(fā)設(shè)計(jì)的工作組，這些都是基于先前定義的 NVMHCIS (非易失性存儲(chǔ)器/主機(jī)控制接口規(guī)范)。在一個(gè)現(xiàn)代服務(wù)器中可能會(huì)找到一些 NVMe 驅(qū)動(dòng)器，目前最好的 NVMe 硬盤可以達(dá)到3,500 MB/s 的讀和3,300 MB/s 的寫。對(duì)于我們使用的數(shù)據(jù)字節(jié)，字符 j，相對(duì)于“阿波羅”計(jì)算機(jī)手工編織繩索存儲(chǔ)器幾分鐘的時(shí)間來說，這是天壤之別。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的現(xiàn)在和未來我們希望存儲(chǔ)是持久化的，根據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的用途可以粗略地分為存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存和硬盤。 關(guān)于存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存如今，SCM (存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存)的最新技術(shù)狀態(tài)是怎樣的呢？ 像 NVM 一樣，SCM 是持久化的，但是它提供的性能比主內(nèi)存更好，或者可與主內(nèi)存相媲美提供字節(jié)可尋址性。SCM 旨在解決當(dāng)今緩存所面臨的一些問題，如 SRAM (靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)的低密度問題。DRAM提供了更好的密度，但這是以較慢的訪問時(shí)間為代價(jià)的。DRAM 還需要持續(xù)不斷的電源支持。分析一下，由于電容器上的電荷一點(diǎn)一點(diǎn)地泄漏，所以需要電力; 這意味著如果沒有干預(yù)，芯片上的數(shù)據(jù)很快就會(huì)丟失。為了防止這種泄漏，DRAM 需要一個(gè)外部存儲(chǔ)器刷新電路，定期重寫電容器中的數(shù)據(jù)，恢復(fù)它們的原始電荷。 為了解決密度和功率泄漏的問題，一些正在發(fā)展中的技術(shù)有 PCM (相變化內(nèi)存) ，STT-RAM (自旋轉(zhuǎn)移力矩隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)和 ReRAM (電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)。所有這些技術(shù)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它們作為 MLC (多級(jí)單元)的功能。這意味著它們可以存儲(chǔ)多于一位的信息，而 SLC (單級(jí)單元)只能在每個(gè)內(nèi)存單元存儲(chǔ)一位的信息。通常，一個(gè)存儲(chǔ)單元是由一個(gè) MOSFET (金屬氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)組成的。MLC 減少了存儲(chǔ)與 SLC相同數(shù)量數(shù)據(jù)所需的 MOSFET數(shù)量，使其密度更高或更小，以提供與使用 SLC技術(shù)相同數(shù)量的存儲(chǔ)。下面看一下這些 SCM 技術(shù)是如何工作的。 相變化內(nèi)存PCM 類似于先前描述的CD-RW的相變。它的相變材料通常是 GST，或 GeSbTe (鍺銻碲) ，它可以存在于兩種不同的狀態(tài): 非晶態(tài)和晶態(tài)。非晶態(tài)的電阻比晶態(tài)的電阻高，用于表示0和1。通過將數(shù)據(jù)值分配給中間電阻，PCM 可以用來存儲(chǔ)多個(gè)狀態(tài)作為一個(gè) MLC。 自旋轉(zhuǎn)移力矩隨機(jī)存取存儲(chǔ)器STT-RAM 由兩層鐵磁性的永磁體組成，中間隔著一層絕緣體，這種絕緣體可以在不傳導(dǎo)的情況下傳遞電力。它根據(jù)磁場(chǎng)方向的不同存儲(chǔ)數(shù)據(jù)位。一個(gè)磁層，稱為參考層，具有固定的磁方向，而另一個(gè)磁層，稱為自由層，具有通過電流控制的磁方向。對(duì)于1，兩層的磁化方向是一致的。對(duì)于0，這兩個(gè)層有相反的磁方向。 電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器ReRAM 由兩個(gè)金屬電極組成，兩個(gè)金屬電極被金屬氧化物層隔開。這與 Masuoka 最初的閃存設(shè)計(jì)類似，電子會(huì)穿過氧化層，卡在浮柵上，反之亦然。然而，對(duì)于 ReRAM，單元的狀態(tài)是由金屬氧化物層中氧空位的濃度決定的。 存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存的缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)雖然這些SCM技術(shù)很有前途，但它們也有缺點(diǎn)。PCM 和 STT-RAM 具有較高的寫延遲。PCM 的延遲是 DRAM 的10倍，而 STT-RAM 的延遲是 SRAM 的10倍。PCM 和 ReRAM 在出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤之前對(duì)寫的持續(xù)時(shí)間有限制，這意味著內(nèi)存元素被卡在一個(gè)特定的值上。 2015年8月，英特爾發(fā)布了基于3DXPoint 的產(chǎn)品 Optane，發(fā)音為3D cross-point 。Optane 聲稱性能比 NAND 固態(tài)硬盤快1000倍，性能是閃存的1000倍，而價(jià)格是閃存的4到5倍。Optane 證明了SCM不僅僅是實(shí)驗(yàn)性的，觀察這些技術(shù)是如何發(fā)展的將是一件有趣的事情。
關(guān)于硬盤存儲(chǔ)不論是海量存儲(chǔ)還是便攜式存儲(chǔ)， 我們的IT系統(tǒng)都是以硬盤存儲(chǔ)為基石的。 氦磁盤驅(qū)動(dòng)器(HHDD)HHDD（氦硬盤驅(qū)動(dòng)器）是一種高容量的硬盤驅(qū)動(dòng)器，在制造過程中充滿氦并密封。像其他硬盤類似，它很像一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁涂層的磁盤唱機(jī)。典型的硬盤驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部只有空氣，但空氣會(huì)對(duì)盤片的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定的阻力。 氦比空氣輕，是漂浮著的，事實(shí)上氦的密度是空氣的七分之一，因此減少了盤片旋轉(zhuǎn)時(shí)的阻力，導(dǎo)致盤片旋轉(zhuǎn)所需的能量減少，但這這實(shí)際上是一個(gè)次要特性。氦氣的主要優(yōu)勢(shì)在于，它可以以通常只能容納五個(gè)盤片的外觀規(guī)格包裝七個(gè)盤片，而用充滿空氣的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行這種嘗試會(huì)引起湍流。如果還記得之前關(guān)于飛機(jī)機(jī)翼的比喻，那么這個(gè)比喻就非常貼切了。氦可以減少阻力，從而消除湍流。
然而，眾所周知的是，氦氣球在幾天后就會(huì)開始下沉，因?yàn)楹鈺?huì)從氣球中逸出。這些驅(qū)動(dòng)器也無法避免氦氣的逃逸。制造商們花了好幾年時(shí)間才發(fā)明出一種容器，在驅(qū)動(dòng)器的使用壽命內(nèi)防止氦氣逸出。Backblaze 發(fā)現(xiàn) HHDD的年錯(cuò)誤率較低，為1.03% ，而標(biāo)準(zhǔn)硬盤驅(qū)動(dòng)器的年錯(cuò)誤率為1.06% 。當(dāng)然，這個(gè)差別很小，很難從中得出什么結(jié)論。 一個(gè)充滿氦氣的驅(qū)動(dòng)器規(guī)格可以使用一個(gè) PMR 的硬盤封裝，或它可以包含一個(gè) MAMR (微波輔助磁記錄)或者 HAMR (熱輔助磁性錄寫)驅(qū)動(dòng)器。任何磁存儲(chǔ)技術(shù)都可以用氦來替代空氣。2014年，日立將兩種尖端技術(shù)結(jié)合到其10TB HHDD 中，使用了主機(jī)管理的 SMR (疊瓦式磁記錄)。 疊瓦式磁記錄PMR 是 SMR 的前身。與 PMR 不同的是，SMR 記錄了新的軌道，這些軌道重疊了以前記錄磁軌的一部分，這反過來又使之前的軌道變窄，允許更高的軌道密度。這項(xiàng)技術(shù)的名字來源于這樣一個(gè)情景，即重疊的軌道類似于屋頂上的瓦。
由于寫入一個(gè)軌道會(huì)覆蓋相鄰的軌道，所以 SMR 會(huì)導(dǎo)致一個(gè)更加復(fù)雜的寫入過程。當(dāng)磁盤盤片是空的而數(shù)據(jù)是順序的時(shí)候，這就不起作用了。然而，一旦您寫入一系列已經(jīng)包含數(shù)據(jù)的軌道，這個(gè)過程就會(huì)破壞現(xiàn)有的相鄰數(shù)據(jù)。如果相鄰磁道包含有效數(shù)據(jù)，則必須重寫該磁道，這非常類似于 NAND flash。 擁有設(shè)備管理的 SMR 設(shè)備通過設(shè)備固件管理來隱藏這種復(fù)雜性，從而產(chǎn)生與任何其他硬盤一樣的接口。另一方面，主機(jī)管理的 SMR 設(shè)備依賴于操作系統(tǒng)來處理驅(qū)動(dòng)器的復(fù)雜性。希捷公司于2013年開始發(fā)布 SMR 驅(qū)動(dòng)器，聲稱其密度比 PMR 高出25% 。 微波輔助磁記錄MAMR 是一種能量輔助磁存儲(chǔ)技術(shù)，與 HAMR 類似，它使用20到40GHz 的頻率以圓形微波場(chǎng)覆蓋磁盤盤片。這降低了磁碟的矯頑力，這意味著磁碟的磁性材料對(duì)磁化強(qiáng)度變化的阻力較低。磁盤區(qū)域的磁化強(qiáng)度變化用來表示0或1，因此磁盤對(duì)磁化強(qiáng)度變化的阻力較低，所以可以更密集地寫入數(shù)據(jù)。這項(xiàng)新技術(shù)的核心是自旋轉(zhuǎn)矩振蕩器，用于產(chǎn)生微波場(chǎng)而不犧牲可靠性。
西部數(shù)碼在2017年發(fā)布了這項(xiàng)技術(shù)，東芝在2018年緊隨其后推出了類似的產(chǎn)品。當(dāng) 西部數(shù)碼和東芝正忙于追求 MAMR 的時(shí)候，希捷正押注于 HAMR。 熱輔助磁記錄HAMR 也是一種能量輔助磁存儲(chǔ)技術(shù)，利用激光發(fā)熱幫助磁盤表面寫入數(shù)據(jù)，從而大大增加了硬盤等磁性設(shè)備上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量。熱量使得磁盤上的數(shù)據(jù)位之間的距離更近，從而提高了數(shù)據(jù)密度和容量。 這項(xiàng)技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)。在寫入數(shù)據(jù)之前，一個(gè)200毫瓦的激光器把該區(qū)域的一小部分快速加熱到750華氏度(400攝氏度) ，同時(shí)不干擾或損壞磁盤上的其余數(shù)據(jù)。加熱、寫入數(shù)據(jù)和冷卻的過程必須在一納秒內(nèi)完成。這些挑戰(zhàn)需要開發(fā)納米級(jí)表面等離子體激光單元，也稱為表面導(dǎo)向激光，而不是直接基于激光的加熱，還需要開發(fā)新型的玻璃盤片和熱控涂層，以容忍快速點(diǎn)加熱而不損壞記錄頭或任何附近的數(shù)據(jù)，還需要克服各種其他技術(shù)挑戰(zhàn)。
希捷在2013年第一次展示了這項(xiàng)技術(shù)，盡管有很多人對(duì)此持懷疑態(tài)度，但是，希捷仍然在2018年開始發(fā)布第一批基于這項(xiàng)技術(shù)的設(shè)備。 結(jié)束語本文從1951年存儲(chǔ)介質(zhì)的發(fā)展?fàn)顩r入手，展望了存儲(chǔ)技術(shù)的未來。隨著時(shí)間的推移，存儲(chǔ)方式發(fā)生了很大變化，從紙帶到金屬帶、磁帶、繩索存儲(chǔ)器、旋轉(zhuǎn)磁盤、光盤、閃存等等，每一個(gè)進(jìn)步都為了帶來更快、更小、更高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。對(duì)比NVMe 和1951年 Uniservo 金屬磁帶， NVMe 可以比Uniservo 每秒多讀取486,111% 的數(shù)據(jù)。對(duì)比NVMe 和1994年的 Zip 磁盤，可以看到 NVMe 每秒可以多讀213,623%的數(shù)據(jù)。 存儲(chǔ)0和1的方法仍然是正確的，但做到這一點(diǎn)的方法千差萬別。
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