计算机存储技术入门

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磁带

对存储技术进行了大量的研究，到 1951 年，Eckert 和 Mauchly 创立了自己的公司，设计了一台叫 UNIVAC 的新电脑，最早进行商业销售的电脑之一。它推出了一种新存储：磁带。磁带是纤薄柔软的一长条磁性带子 卷在轴上，磁带可以在"磁带驱动器"内前后移动，里面有一个"写头"绕了电线，电流通过产生磁场，导致磁带的一小部分被磁化。电流方向决定了极性，代表 1 和 0，还有一个"读头"，可以非破坏性地检测极性。

UNIVAC 用了半英寸宽，8条并行的磁带，磁带每英寸可存 128 位数据，每卷有 1200 英尺长，意味着一共可以存 1500 万位左右，接近2兆字节！（2 MB）。

虽然磁带驱动器很贵，但磁带又便宜又小，因此磁带至今仍用于存档。磁带的主要缺点是访问速度，磁带是连续的，必须倒带或快进到达特定位置，可能要几百英尺才能得到某个字节(byte)，这很慢。

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磁鼓存储器

1950,60年代，有个类似技术是 "磁鼓存储器"，有金属圆筒，盖满了磁性材料以记录数据，滚筒会持续旋转，周围有数十个读写头，等滚筒转到正确的位置读写头会读或写 1 位(bit) 数据。为了尽可能缩短延迟, 鼓轮每分钟上千转。

到 1953 年，磁鼓技术飞速发展，可以买到存 80,000 位的"磁鼓存储器"，也就是 10 KB。

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硬盘

但到 1970 年代 "磁鼓存储器" 不再生产，然而，磁鼓导致了硬盘的发展 硬盘和磁鼓很相似，不过硬盘用的是盘，不像磁鼓用圆柱体，因此得名。原理是一样的，磁盘表面有磁性，写入头和读取头 可以处理上面的 1 和 0。硬盘的好处是薄，可以叠在一起，提供更多表面积来存数据。

IBM 对世上第一台磁盘计算机就是这样做的（RAMAC 305），它有 50 张 24 英寸直径的磁盘，总共能存 5 MB 左右，太棒啦! 终于能存一张现代手机的照片了！这年是 1956 年。

要访问某个特定 bit，一个读/写磁头会向上或向下移动，找到正确的磁盘，然后磁头会滑进去。就像磁鼓存储器一样，磁盘也会高速旋转，所以读写头要等到正确的部分转过来。RAMAC 305 访问任意数据，平均只要六分之一秒左右，也叫寻道时间，虽然六分之一秒对存储器来说算不错，但对内存来说还不够快，所以 RAMAC 305 还有"磁鼓存储器"和"磁芯存储器"。

这是"内存层次结构"的一个例子，一小部分高速+昂贵的内存，一部分稍慢+相对便宜些的内存，还有更慢+更便宜的内存这种混合在成本和速度间取得平衡。

1970 年代，硬盘大幅度改进并变得普遍，如今的硬盘可以轻易容纳 1TB 的数据，能存 20 万张 5MB 的照片。网上最低 40美元左右就可以买到，每 bit 成本 0.0000000005 美分，比磁芯内存 1 美分 1 bit 好多了。另外，现代硬盘的平均寻道时间低于 1/100 秒。

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软盘

我简单地提一下硬盘的亲戚，软盘，除了磁盘是软的，其他基本一样。你可能见过某些程序的保存图标是一个软盘，软盘曾经是真实存在的东西！软盘是为了便携，在 1970~1990 非常流行，如今当杯垫挺不错的。密度更高的软盘，如 Zip Disks，在90年代中期流行起来，但十年内就消失了。

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光盘

光学存储器于 1972 年出现，12 英寸的"激光盘"，你可能对后来的产品更熟：光盘（简称 CD）。以及 90 年代流行的 DVD，功能和硬盘软盘一样，都是存数据。但用的不是磁性，光盘表面有很多小坑，造成光的不同反射，光学传感器会捕获到，并解码为 1 和 0。

如今，存储技术在朝固态前进，没有机械活动部件。比如这个硬盘，以及 U 盘，里面是集成电路，我们在前面讨论过。第一个 RAM 集成电路出现于 1972 年 成本每比特 1 美分，使"磁芯存储器"迅速过时。

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SSD

如今成本下降了更多机械硬盘被固态硬盘逐渐替代，简称 SSD，由于 SSD 没有移动部件，磁头不用等磁盘转，所以 SSD 访问时间低于 1/1000 秒，这很快！但还是比 RAM 慢很多倍，所以现代计算机 仍然用存储层次结构。

我们从 1940 年代到现在进步巨大，就像在前面讨论过的 晶体管数量和摩尔定律，内存和存储技术也有类似的趋势，从早期每 MB 成本上百万美元，下滑到，2000 年只要几分钱，如今远远低于 1 分钱。完全没有打孔纸卡，你能想象 SEGA 的纸卡房间风一吹会怎样吗？62,500 张卡，我想都不敢想。