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存储器的过去、现在和将来

[日期:2017-12-29] 来源:21IC  作者: [字体: ]

  如今,我们电脑上常用的存储设备容量基本都是几百G。即便是小巧的MP3播放器和其他手持设备,通常都是好几G。但在几十年前,这么大的存储量只能在科幻小说中出现。有时候,我们会理所当然地认为当今的硬盘存储量就应该这么大,其实不然。下面我们将向大家介绍早期、现在和未来可能普及的存储设备。

  汞延迟线

  1950年,世界上第一台具有存储程序功能的计算机EDVAC由冯.诺依曼博士领导设计。它的主要特点是采用二进制,使用汞延迟线作存储器,指令和程序可存入计算机中。

  1951年3月,由ENIAC的主要设计者莫克利和埃克特设计的第一台通用自动计算机UNIVAC-I交付使用。它不仅能作科学计算,而且能作数据处理。

  选数管

  选数管是20世纪中期出现的电子存储装置,是一种有直观存储转为机器存储的装置。其实在19世纪出现的穿孔纸带存储就是一种由直观存储转向机器存储的产物,他对19世纪西方某国的人口普查起到了关机的加速作用。

  选数管的容量从256~4096bit不等,其中4096bit的选数管有10inch长,3inch宽,最初是1946年开发的,因为成本太高,并没有获得广泛使用。

  穿孔卡片/穿孔纸带

  打孔卡是早期计算机的信息输入设备,通常可以储存80列数据。打孔卡盛行于20世纪70年代中期。我们应当注意的是:打孔卡比计算机更在出现。其历史可以追溯到1725年的纺织品行业,用于机械化的织布机。

  说到打孔卡,不得不说到IBM的创始人赫尔曼·霍尔瑞斯教授,他于1888年发明自动制表机——首个使用打孔卡技术的数据处理机器。自动制表机用于1890年以及后续的美国人口普查,并获得巨大成功

  图2-7a是一个穿孔卡片的示意图,卡片中某些位置有穿透的孔,通过光电转换设备可读出穿孔卡片中所存的数据。穿孔纸带类似于穿孔卡片,但更易于保存。穿孔纸带的存储方式跟穿孔卡片类似,每一排可以存储一个字符。图2-7b中是一个每一行8个孔的纸带。

  磁鼓存储器

  20世纪50年代,磁鼓作为内存储器应用于IBM 650。在后续的IBM 360/91和DEC PDP-11中,磁鼓也用作交换区存储和页面存储。磁鼓的代表性产品是IBM 2301固定头磁鼓存储器。

  磁鼓是利用铝鼓筒表面涂覆的磁性材料来存储数据的。鼓筒旋转速度很高,因此存取速度快。它采用饱和磁记录,从固定式磁头发展到浮动式磁头,从采用磁胶发展到采用电镀的连续磁介质。这些都为后来的磁盘存储器打下了基础。

  磁鼓最大的缺点是存储容量太小。一个大圆柱体只有表面一层用于存储,而磁盘的两面都可用来存储,显然利用率要高得多。因此,当磁盘出现后,磁鼓就被淘汰了。

  下图是一个磁鼓的图片。IBM 650计算机上使用的磁鼓长度为16英寸,有40个磁道,每分钟可旋转12500转,可存储10KB数据。

  磁带存储器

  UNIVAC-I第一次采用磁带机作外存储器,首先用奇偶校验方法和双重运算线路来提高系统的可靠性,并最先进行了自动编程的试验。

  磁带是所有存储器设备发展中单位存储信息成本最低、容量最大、标准化程度最高的常用存储介质之一。

  它互换性好、易于保存,近年来,由于采用了具有高纠错能力的编码技术和即写即读的通道技术,大大提高了磁带存储的可靠性和读写速度。

  根据读写磁带的工作原理可分为螺旋扫描技术、线性记录(数据流)技术、DLT技术以及比较先进的LTO技术。

  磁带库是基于磁带的备份系统,它能够提供同样的基本自动备份和数据恢复功能,但同时具有更先进的技术特点。

  它的存储容量可达到数百PB,可以实现连续备份、自动搜索磁带,也可以在驱动管理软件控制下实现智能恢复、实时监控和统计,整个数据存储备份过程完全摆脱了人工干涉。

  磁带库不仅数据存储量大得多,而且在备份效率和人工占用方面拥有无可比拟的优势。在网络系统中,磁带库通过SAN(Storage Area Network,存储区域网络)系统可形成网络存储系统,为企业存储提供有力保障,很容易完成远程数

  据访问、数据存储备份或通过磁带镜像技术实现多磁带库备份,无疑是数据仓库、ERP等大型网络应用的良好存储设备。

  动态随机存取内存DRAM

  动态随机存取内存(DRAM)是在1966年发明,是以电容来储存信息;带电的电容代表1、未带电的则代表0,而所谓的“动态“并非意味着内部的什么功能,而是指电容终究会丧失电荷,并必须定期刷新(refreshed)。

  同步动态随机存取内存SDRAM

  同步动态随机存取内存(SDRAM)在1970年代的应用很有限,但在1993年时开始被广泛采用──在那之前,RAM虽然能尽可能快速变更已输入资料,SDRAM则是采用计算机的时脉,在资料被储存时进行调节,这让资料能被分配至不同的区域(bank),好一次同步执行数个内存任务。

  可抹除式可编程只读存储器EPROM

  可抹除式可编程只读存储器(EPROM)是在1971年由英特尔(Intel)的Dov Frohman 所开发,该种内存是非挥发性的,也就是说尽管关闭电源,内存的状态不会改变。这种内存芯片是电气可编程,信息在暴露在紫外线下时可抹除。

  英特尔在1971年开发的第一款EPROM  Source:Wikipedia

  软盘存储器

  软盘也是由IBM发明于1969年,流行于20世纪70年代中期到21世纪初。首款软盘是8英寸的,后续又有5.25英寸和3.5英寸的。第一块软盘于1971年面世,容量为79.7KB,是只读型的。读写型软盘于次年才问世。

  软盘的发展趋势是盘片直径越来越小,而容量却越来越大,可靠性也越来越高。下图是三种典型的软盘,其中a为不同外观尺寸的软盘,b中3.5英寸软盘的容量为1.44MB,曾经作为主要的移动存储介质被广泛使用。

  到了20世纪90年代后期,出现了容量为250MB的3.5英寸软盘产品,但由于兼容性、可靠性、成本等原因,并未被广泛使用,如今已难寻踪迹。

  硬盘存储器

  世界第一台硬盘存储器是由IBM公司在1956年发明的,其型号为IBM 350 RAMAC(Random Access Method of Accounting and Control)。这套系统的总容量只有5MB,共使用了50个直径为24英寸的磁盘。

  1968年,IBM公司提出“温彻斯特/Winchester”技术,其要点是将高速旋转的磁盘、磁头及其寻道机构等全部密封在一个无尘的封闭体中,形成一个头盘组合件(HDA),与外界环境隔绝,避免了灰尘的污染,并采用小型化轻浮力的磁头浮动块,盘片表面涂润滑剂,实行接触起停,这是现代绝大多数硬盘的原型。

  1979年,IBM发明了薄膜磁头,进一步减轻了磁头重量,使更快的存取速度、更高的存储密度成为可能。20世纪80年代末期,IBM公司又对存储器设备发展作出一项重大贡献,发明了MR(Magneto Resistive)磁阻磁头,这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感,使得盘片的存储密度比以往提高了数十倍。1991年,IBM生产的3.5英寸硬盘使用了MR磁头,使硬盘的容量首次达到了1GB,从此,硬盘容量开始进入了GB数量级。

  IBM还发明了PRML(Partial Response Maximum Likelihood)的信号读取技术,使信号检测的灵敏度大幅度提高,从而可以大幅度提高记录密度。

  目前,硬盘的面密度已经达到每平方英寸100Gb以上,是容量、性价比最大的一种存储设备。因而,在计算机的外存储设备中,还没有一种其他的存储设备能够在最近几年中对其统治地位产生挑战。

  硬盘不仅用于各种计算机和服务器中,在磁盘阵列和各种网络存储系统中,它也是基本的存储单元。值得注意的是,近年来微硬盘的出现和快速发展为移动存储提供了一种较为理想的存储介质。

  在闪存芯片难以承担的大容量移动存储领域,微硬盘可大显身手。目前尺寸为1英寸的硬盘,存储容量已达4GB,10GB容量的1英寸硬盘不久也会面世。微硬盘广泛应用于数码相机、MP3设备和各种手持电子类设备。

  希捷在1980年生产第一款5.25寸硬盘机(HDD),这种储存装置的长相其实与我们现在所看到的相去不远;

  不过同样在1980年由IBM所推出的第一款1GB硬盘机则是个庞然大物,重达550磅。

  电气可抹除式可编程只读存储器EEPROM

  电气可抹除式可编程只读存储器(EEPROM)是在1978年诞生,它胜过电气可编程只读存储器(EPROM)的优势,就是除了在使用中可编程、也能抹除;EEPROM的唯一缺点就是可重复编程的次数有限,但其读写性能在今日已经越来越有进步。

  光盘存储器

  光盘主要分为只读型光盘和读写型光盘。只读型指光盘上的内容是固定的,不能写入、修改,只能读取其中的内容。读写型则允许人们对光盘内容进行修改,可以抹去原来的内容,写入新的内容。用于微型计算机的光盘主要有CD-ROM、CD-R/W和DVD-ROM等几种。

  上世纪60年代,荷兰飞利浦公司的研究人员开始使用激光光束进行记录和重放信息的研究。1972年,他们的研究获得了成功,1978年投放市场。最初的产品就是大家所熟知的激光视盘(LD,Laser Vision Disc)系统。

  从LD的诞生至计算机用的CD-ROM,经历了三个阶段,即LD-激光视盘、CD-DA激光唱盘、CD-ROM。下面简单介绍这三个存储器设备发展阶段性的产品特点。 LD-激光视盘,就是通常所说的LCD,直径较大,为12英寸,两面都可以记录信息,但是它记录的信号是模拟信号。

  模拟信号的处理机制是指,模拟的电视图像信号和模拟的声音信号都要经过FM(Frequency Modulation)频率调制、线性叠加,然后进行限幅放大。限幅后的信号以0.5微米宽的凹坑长短来表示。

  CD-DA激光唱盘 LD虽然取得了成功,但由于事先没有制定统一的标准,使它的开发和制作一开始就陷入昂贵的资金投入中。1982年,由飞利浦公司和索尼公司制定了CD-DA激光唱盘的红皮书(Red Book)标准。

  由此,一种新型的激光唱盘诞生了。CD-DA激光唱盘记录音响的方法与LD系统不同,CD-DA激光唱盘系统首先把模拟的音响信号进行PCM(脉冲编码调制)数字化处理,再经过EMF(8~14位调制)编码之后记录到盘上。数字记录代替模拟记录的好处是,对干扰和噪声不敏感,由于盘本身的缺陷、划伤或沾污而引起的错误可以校正。

  CD-DA系统取得成功以后,使飞利浦公司和索尼公司很自然地想到利用CD-DA作为计算机的大容量只读存储器。但要把CD-DA作为计算机的存储器,还必须解决两个重要问题,即建立适合于计算机读写的盘的数据结构,以及CD-DA误码率必须从现有的10-9降低到10-12以下,由此就产生了CD-ROM的黄皮书(Yellow Book)标准。

  这个标准的核心思想是,盘上的数据以数据块的形式来组织,每块都要有地址,这样一来,盘上的数据就能从几百兆字节的存储空间上被迅速找到。为了降低误码率,采用增加一种错误检测和错误校正的方案。

  错误检测采用了循环冗余检测码,即所谓CRC,错误校正采用里德-索洛蒙(Reed Solomon)码。黄皮书确立了CD-ROM的物理结构,而为了使其能在计算机上完全兼容,后来又制定了CD-ROM的文件系统标准,即ISO 9660。

  在上世纪80年代中期,光盘存储器设备发展速度非常快,先后推出了WORM光盘、磁光盘(MO)、相变光盘(Phase Change Disk,PCD)等新品种。20世纪90年代,DVD-ROM、CD-R、CD-R/W等开始出现和普及,成为计算机的标准存储设备。

  光盘技术进一步向高密度发展,蓝光光盘、多层多阶光盘和全息存储光盘正陆续在短期内推向市场。

  闪存

  闪存是在1980年左右被开发出来,但直到1988年才正式问世;这种内存在技术上算是一种EEPROM,不过在速度上则是大幅超越。目前市面上有两种闪存,其一是NAND、其二是NOR,主要差异在于逻辑闸的不同;这种内存催生了小巧的随身碟、记忆卡。

  图左边的芯片是闪存,右边的是内存控制芯片

  JDEC在2012年发表了通用闪存储存(universal flash storage,UFS)规格。新规格除了具备省电功能,资料吞吐量也能达到上行/下行同步300 Mbit/s。

  采用UFS规格的东芝(Toshiba)闪存芯片

  DDRSDRAM

  产业标准组织JEDEC在2000年定义出了双倍资料速率同步动态随机存取内存(DDR SDRAM)规格,如其名称所点出的特性,在特定情况下,这种RAM能达到比一般SDRAM两倍的资料速率。DDR SDRAM规格后来演进到第二代、即2003年的DDR2,速度再加倍;2007年则又把速度加快一倍,即 DDR3。

  如果速度提高了八倍你还嫌不够,最新的DDR4资料存取速度再加倍,而且创新的架构设计也预期将可降低功耗。

  整合散热片的Corsair DDR-400内存模块

  纳米存储器

  1998年,美国明尼苏达大学和普林斯顿大学制备成功量子磁盘,这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系。一个量子磁盘相当于我们现在的10万~100万个磁盘,而能源消耗却降低了1万倍。

  1988年,法国人首先发现了巨磁电阻效应,到1997年,采用巨磁电阻原理的纳米结构器件已在美国问世,它在磁存储、磁记忆和计算机读写磁头等方面均有广阔的应用前景。

  2002年9月,美国威斯康星州大学的科研小组宣布,他们在室温条件下通过操纵单个原子,研制出原子级的硅记忆材料,其存储信息的密度是目前光盘的100万倍。这是纳米存储材料技术研究的一大进展。

  该小组发表的研究报告称,新的记忆材料构建在硅材料表面上。研究人员首先使金元素在硅材料表面升华,形成精确的原子轨道;然后再使硅元素升华,使其按上述原子轨道进行排列;

 

  最后,借助于扫瞄隧道显微镜的探针,从这些排列整齐的硅原子中间隔抽出硅原子,被抽空的部分代表“0”,余下的硅原子则代表“1”,这就形成了相当于计算机晶体管功能的原子级记忆材料。

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