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磁存储技术发展简史

2024-10-1518

浅谈磁性存储的前世、今生和未来

自人类文明诞生以来，人类就一直在寻求信息存储的方法。从原始社会发展延续至今，存储在人类文明的发展和传承中发挥着重要作用。存储方式和技术，也随着时代发展而不断进步。

一、人类早期的信息存储

人类记忆过程主要由识记、保持和回忆三个环节组成。人类的信息记忆主要依赖于对原始信息的识别认知和回忆再认，在两者之间还需要克服遗忘。识记是保持的前提，保持是回忆的前提。以上三个步骤环环相扣、缺一不可。也正是由于生物记忆的相对短暂性和不稳定性，在一些特定场合下需要寻求生物体之外的信息存储方式。

原始社会人类便开始了对信息存储的探索和使用。根据考古发现，早期的人类采用了结绳记事的方法便是信息存储的一种方式。

此外，还有通过雕刻方式，将原始信息记录在石头、龟甲等坚硬的物体表面保存信息。例如：四万年前的（印度尼西亚）史前洞穴壁画，公元前1300年前商朝的甲骨文。这些原始方式对信息记录的能力非常有限。然而，仍然有少量内容历经千万年而流传至今，在考古发掘中被发现。这些远古人类祖先留给我们的只言片语，也成为当前研究早期人类历史的重要资料。

随着人类社会的进步，人类开始在陶器、金石、竹简、木牍、绢帛等物体表面记录信息。

特别地，西汉初期（公元前202年-8年）造纸术的发明，使得信息记录、传播和传承有了革命性的进步，这也极大促进了人类文明和文化传播。

二、近代存储技术

早期信息存储方式主要以纯手工为主。随着人类对工具掌握和发展，近代存储技术开始了自动化的尝试。

2.1 机械化存储

随着机械的发展，纸作为机械存储的重要介质，开始运用到信息存储中。

在人类很长的一段历史内，都是机械化生产。这些机械的操作也高度依赖于人类手工操作。对于机械参数设计往往需要手工设置调整。结合机械操作的存储开始出现在早期的机械结构设计中。纸作为机械存储的重要介质，开始运用到信息存储中。

1725年，法国人布乔（Basile Bouchon）发明了穿孔卡，并用于控制纺织机绘制图案。基本设计思路如下：在织布机在编织过程中，编织针往复滑动。根据打孔卡上小孔的存在与否，正对小孔穿孔的编织针可以通过钩起经线，反之编织针则被纸带挡住。因而，编织针就可以自动按照在打孔卡上预先设计的图案去挑选经线、编织图案。这种编织图案的“程序”也就“储存”在穿孔纸带的小孔之中。这种发展被认为是半自动化机械的第一个工业应用。

1801年，Joseph Marie Jacquard将这种设计的打孔卡按照一定顺序捆绑，应用于提花织机，这是打孔纸带（Punched Tape）的雏形。利用卡上不同位置孔的组合可以表示不同的信息，这种思想和方法在很长一段时间内得到广泛地使用。

例如，1846年传真机和电传电报机的发明人Alexander Bain也使用了穿孔纸带。穿孔纸带也叫指令带，使用于早期计算机的输入系统，也用于数控装置的控制介质。穿孔纸带上用规定代码，以规定格式排列，并代表规定的信息。纸带上每一行代表一个字符，利用二进制编码：带孔为1，无孔为0，经过光电扫描输入电脑。如下：

18世纪末期到19世纪后期，穿孔磁带和穿孔卡片被广泛用于“程序化”的织机和其他工业机器。例如：1890年，这项技术被赫尔曼·霍尔瑞斯（Herman Hollerith）用于人口普查中的数据存储中，他最初设计了数组圆孔阵列原型。随后，1896年，赫尔曼·霍尔瑞斯（Herman Hollerith）成立了制表机公司，这也是后来大名鼎鼎IBM公司的前身。

制表机穿孔卡技术第一次把数据转变成二进制信息。基于打孔卡和纸带的机械化存储技术，持续了两个多世纪，直到80年代还在使用。例如：近代早期计算机的Fortran程序也使用了打孔卡。

基于打孔卡的存储技术，开启了人类对自动化的尝试，也开创了半自动数据处理时代。这些设计也是早期编程思想的来源，具有广泛而长远的影响。

2.2 磁性存储

利用穿孔卡形式的机械存储，信息的读取和写入，都依赖于纸带上孔的设计。随着电磁学的发展，从机械自动化逐步发展到电气自动化。存储核心是利用两个状态二进制来表征数据信息。磁性材料，利用磁矩的取向，也可以实现两态，从而替代机械打孔。并且表征每个态的体积相对于机械孔而言，可以做到更小，从而可以实现更高的存储密度。后续出现的磁带存储技术，一定程度上还保留着打孔卡设计的影子。

1928年，德国德雷斯诺工程师Fritz Pfleumer 发明了“会发声的纸”——录音磁带。其基本工作原理是：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。利用该纸带可以存储模拟信号，这是利用磁性作为信息存储的最早记录。然而，纸条比较脆弱，当时无法实用化。

随后，基于纸条磁带的设计提出了复合材料式双层磁带结构。该结构由底层为30um厚度的醋酸纤维素薄膜和上层为20um厚的羟基铁粉和醋酸纤维素混合物组成，提高了磁带的机械强度，从而实现了真正的磁带。

1933年，Eduard Schueller发明了环形磁头，这是磁记录的一个重要进展。磁场可以被控制在很小范围内，从而实现了较高密度的信息存储。然而，磁带用于计算机则是从1951年开始的。

在磁带之后，新的磁性存储技术也层出不穷，在速度和容量上体现出巨大的优势。然而，磁带存储在历史上功绩依旧不可磨灭。磁带存储是当前存储器设备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，也是一些重要资料档案的首选存储介质之一。

2.3 光存储

除了上面提到的两种存储方式，利用激光与介质的相关作用，导致介质性质的变化，也可以实现信息存储功能。这种存储方式称之为光存储。常见的产品有：光盘（compact disc,CD）。

光盘技术提出较早，光盘的使用却相对较晚，直到1972年才出现视频光盘。在上世纪80年代，一张典型的光盘可以保存700M的数据，以相对低廉的价格占据了重要市场。

然而，受限于光学衍射极限定理，光盘的单数据点结构从CD时代的约800nm，缩小到DVD的400nm，再到蓝光DVD的150nm，单个尺寸结构便很难再进一步缩小。此时，相对于其他的当代存储器HDD、SSD、MRAM等，无论是在存储密度和速度上，都存在较大的差距。

三、现代磁性存储技术

磁性存储发展最早，历史最长。最早使用磁性材料作为存储介质开始于1928年，进一步发展成为后面广泛使用的磁带，完成了从全机械半自动化到机械和电结合的形式。

例如：下面的盒式磁带，在记录和播放的过程中，通过机械传动带动磁带运动，利用电学方式记录和读取信息。相对于全机械性质有了长足的进步。然而，这种依赖机械的形式，在一定程度上，转速较慢，对存储速度和密度存在明显的约束。

1953年，发明了第一台磁鼓存储器。磁鼓是利用铝鼓筒表面涂覆的磁性材料来存储数据的。由于鼓筒旋转速度很高，因此加快了存取速度。首台磁鼓存储器应用于IBM701，它是作为内存储器使用的。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。

随后，1956年，IBM完成了世界上的第一款硬盘设计。这款名为IBM350 RAMAC（Random Access Method of Accounting and Control）的硬盘产品体积十分庞大，总共使用了50张24英寸的碟片，但容量仅为5MB。磁盘两面都可以利用存储，利用率要高于磁鼓。因此，当磁盘出现后，磁鼓就被淘汰了。

在20世纪80年代末，IBM公司推出磁阻(Magneto Resistive,MR)技术。这种新型磁头采取磁感应写入、磁阻读取的方式，使得磁头的灵敏度大大提升，从而，大幅度提高了硬盘工作效率。同时，盘片的储存密度较之前的20Mbpsi (bit/每平方英寸)提高了数十倍，为硬盘容量的巨大提升奠定了基础，硬盘也发展成今天我们熟悉的模样。

硬盘发展上面的结构，虽然性能已经大大进步，然而依旧没能摆脱对机械的依赖。基于这种方式，也会存在体积、噪音、震动等性能上难以克服的困难。

此时，不得不提到另一种存储器——磁芯存储器。磁芯存储器是利用磁性材料制成，其基本工作原理：利用磁环（磁芯）不同磁化状态用来表示存储信息“1”或“0”。信息写入通过改变铁氧体磁性的磁化状态，当电流通过导线时会产生磁场，该磁场作用于磁芯使磁芯磁化，信息写入为“1”，当改变导线电流方向时，磁芯沿相反的方向磁化，信息写入为“0”。

磁芯存储器的设计采用正向相交的网格方式，保证了每次数据的写入可单独控制网格中唯一两个电流相交的地方，不影响其他地方数据，是一种随机存取存储器(Random Access Memory）。这种工作原理也是现代随机存储器技术的基本原理。

现代存储技术主要与CMOS工艺相结合，通过晶体管控制电流的流通，从而实现对任意位置单个器件的读写操作。

例如最新一代的磁性存储器STT-MRAM，其核心结构是磁性隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）可以将磁性结构缩小到17nm的尺寸。这极大地提高了存储的密度也降低了功耗。

此外，STT-MRAM还具备其他一些更优越性质，相对而言，其存取速度比当前的SSD大约快100倍，开始出现在一些最新的电子产品中。下一代的MRAM产品，相对于当前的STT-MRAM又将表现出更加强劲优越的性能，并有望逐步替代计算机系统中内存以及缓存等，实现更高速、节能的计算。

四、现代存储技术和数据存储现状

相对于近代信息存储技术，现代存储技术出现才历经了百年。然而，过去百年间的技术发展更迭突飞猛进，对数据存储和处理的需求和方式也发生了翻天覆地的变化。

4.1 信息系存储的方式和指标

当代存储器技术主要以电子计算机为核心。基于当前计算机信息技术，根据信息存储介质和方法，可以分为以下几类：

半导体存储：集成度高、容量大体积小、存储和读取速度快。例如：计算机内存、Flash等
磁性存储：存储密度更高，不易丢失。例如：磁盘存储器、磁带存储器
光存储：价格低廉、携带方便。例如：光盘、DVD等。

评价信息存储系统的三个重要评价指标为：存储速度、存储容量和单位价格。这也体现了现代人对数据信息的基本需求。

4.2数据存储量的爆炸式增长

我们生活在信息爆炸的时代，尤其是伴随着人工智能、云计算等技术的推动，全球数据量正在呈现出爆炸式扩展和增加。根据国际数据公司（International Data Corporation， IDC）的统计显示，全球90%的数据量将在这几年内产生。并预计到2025年，全球数据量将达到163 ZB。

如何快速稳定地存储和处理这些大量的数据，已经成为一个难题。

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