计算机速成课Crash Course - 19. 内存&储存介质

今天继续计算机速成课Crash Course的系列讲解。

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19. 内存 &储存介质

系列中我们多次谈到内存（Memory），甚至在第 6 集设计了一个简单内存。

通常情况下，在计算机系统中,"不可续保型"存储单元被定义为内存单元。当Xbox供电线意外拔出时,"可恢复型"存储单元中的数据将无法恢复地消失。因此,"可恢复型"存储单元被称为具有"易失去存特性"的存储器

我们还未讨论过的内容是存储器（Storage），存储器（Storage）与内存（Memory）有所不同。

任何放入存储器的数据（比如普通的硬盘设备），这些信息将长期保存直至被覆盖或删除而不受影响；即使断电也会保留。

早期采用"可恢复性"的系统运行速度快于"不可恢复性"的系统；而随着技术的发展，两者之间的性能差距逐渐缩小。

如今我们认识到常见技术如U盘不仅具有高效性而且具备高可靠性以及持久的存储能力能够存储多达GB的文件数据但在过去并非如此。

最早的存储介质包括打孔纸卡及其相关产品、打孔带等，在1940年代标准规定为80列×12行的规格。一张这样的卡片可存储960位数据（计算方式为80乘以12等于960）。

据我们所知的最大纸卡程序是美国军方开发并以其在1958年首次投入使用而闻名的'半自动地面防空系统'（SAGE）。该系统于1958年正式投入使用，并于62,500张纸卡片中包含了主要程序的信息编码存储（其存储容量大约为5MB左右），在那个时代相当于普通手机拍照照片的存储容量。

已经使用了近十年（1995至2005年间），主要得益于其无需电力供应以及价格低廉且耐用的优势。然而这一产品存在显著的缺点之一是读取速度较慢（相比现代电子设备而言），仅支持单次数据存储（难以覆盖动态更新需求）。此外其损坏或损坏的插槽难以修复（尤其在临时数据存储方面存在明显不足）。因此我们迫切需要一种更快捷、更大容量且更加灵活的数据存储解决方案。

计算机先驱J. Presper Eckert在其1944年的造访过程中设计出了革命性的技术方案——"延迟线存储器"（Delay Line Memory），该系统通过模拟电子波形实现了数据的持久保存。

放置一个充满液体（如水银）的管子，在其一端安装扬声器，在另一端安装麦克风。当扬声器发出脉冲时会释放出压力波。这些压力波需要一定的时间才能传播到距离其较远的那一端并被麦克风捕捉到。随后麦克夫将捕获到的压力波信号转化为电信号信号。

我们可以用压力波的传播延迟来存储数据！

假设有压力波的存在以二进制形式表示为'1'（即当有压力波时），无则表示为'0'（即无压力波时），其输出为二进制序列'1010''（即十进制中的十）和'0111''（即十进制中的七）。这些压力波沿着管子传递一段时间后会碰到麦克风装置并将其转换回二进制形式。为了实现这一过程中的信号完整性，在此基础之上建议增添一个包含麦克风与扬声器之间传输路径的电路系统，并加入一个放大器（Amplifier）以弥补因传输过程产生的信号衰减现象。这样一来便形成了一个用于存储数据的闭环系统。

信号几乎瞬间沿着导线传递，在任意时刻仅能呈现1个bit的数据量；然而，在管内却能够存储多个bit。

完成ENIAC后

对 1949 年来说还不错！

表明EDVAC作为其中一台具有存储程序概念的早期计算机，在之前的讨论中被提及。它所采用的一种称为"延迟线存储器"的技术存在一个显著的局限在于它只能按顺序访问单比特数据。要访问特定位置的数据（如第112位），则需等待该数据按顺序循环返回。因此被称为"顺序型存取设备"或"循环型存取设备"的技术无法满足实时随机存取的需求。相反我们关注的是能够实现任意位置快速随机存取的"随机存取存储器"技术

提升内存密度同样面临诸多挑战，在实际操作中将压力波变得更加紧密反而会导致它们更容易发生重叠；因此发展出了诸如 "延迟线存储器"等其他类型的技术，在其中一种实现方式是利用金属细丝的振动模式来编码数据信息。

通过缠绕一条线形成一个圆柱形，在一平方英尺（ft²）的空间内最多可存储约一千比特（bit），然而而早期的延迟线存储器技术早在20世纪50年代就已逐渐被淘汰

得益于新兴技术的出现,"磁芯存储器"在性能,可靠性和成本方面均有显著提升。它采用了环形小型磁圈设计,当通电时在其周围产生磁场。断开电源后,该区域仍能保持磁场;反向通电时,磁场极性会逆转,从而能够存储二进制数值0和1。

如果单个圆形磁头单元仅能存储一位信息，则显得效率低下。因此采用将小甜甜圈排列成网格的方式进行存储，并采用 dedicated wiring �红星线来选择行和列。每个单元带有微线并被编织成网状结构以实现并行数据传输的同时，在每个磁芯上还有一根连线贯穿其中用于读取或写入每一位(bit)的信息。

目前我的设备中有一个磁芯存储模块，其中每个黄区包含一个排列整齐的阵列。每位磁芯仅能存储一位数值。因此单个黄区能够支持总计1,024位的数据量（3.5×3.5毫米之间间距排列）。整个设备包含共有九个独立的黄区区域（每个区域由不同颜色区分），因此最大支持容量达到每块板子容纳九千二百一十六位数据量（约等于每块板子储存约九千二十一十六B）。经过计算后发现其理论最大存储空间约为九千二百一十六字节（约等于每块板子储存约九千二十一十六B）。

最初大规模应用即始于1953年开发并开始使用的Whirlwind I计算机。该设备采用了具有划时代意义的硬件配置：采用了一个32×32位阵列设计，并整合了16块芯片实现运算功能。其存储容量达到了约16,000个二进制位（bit），相较于延迟线存储技术而言其特点在于能够直接存取任意一个二进制位（bit）而不受位置限制。

这在当时具有里程碑意义。"磁芯存储器"自上世纪五十年代中段始行之有效，并持续时间长达20年。如今一般是通过手工制造完成的。

最初阶段的存储费用约为每个比特（bit）约需花费一美元，在上世纪七十年代末期时才降至每个比特仅值一分。遗憾的是即便如此每个比特一分也难以负担此前已提及如今智能手机随手一拍通常都能获取约5兆像素的照片其中约相当于4千万个比特（bit）的数据量。

你愿意花 40 万美元在"磁芯存储器"上存照片吗？

基于当时的存储技术研究背景，在20世纪40年代末（即1951年），Eckert和Mauchly创立了自己的公司，并开发出了UNIVAC系列电脑中的一部具有里程碑意义的产品

它推出了一种独特的数据存储系统：即利用一种称为"纤维式储存在装置"的新技术实现信息记录与检索功能。这种装置的核心组件包括一根细长的可弯曲材料，在其表面均匀分布着微小的永久 magnets（永久磁铁），这些magnets能够按特定轨道排列并随之旋转。当需要读取或写入数据时，在装置内部沿着固定轨道滑动位置，在驱动器内部配置了一个带有线圈的读写头装置（head），通电后会产生一个稳定的磁场区域。该区域会被局部地永久性地改变其导电特性——其方向将决定该区域的极性状态——从而分别对应二进制数值 1 和 0。

还有一个"读头"用于非破坏性极性检测功能UNIVAC设计采用了宽度仅占半个英寸的设计采用了半英寸宽设计UNIVAC采用了半英寸宽设计UNIVAC采用了半英寸宽设计采用半英寸宽结构UNIVAC采用了半英寸宽设计

接近2兆字节！（2 MB）

由于磁带驱动器价格昂贵, 尽管如此, 磁带有低廉的价格和较小的体积, 其特性使其得以在存储领域中持续应用. 磁带系统的主要缺陷在于数据访问速度较慢, 其数据在物理介质上是连续排列的, 寻找所需的数据可能需要跨越数百英尺的距离.

上世纪五十年代至六十年代初有一种类似于‘磁鼓存储器’的技术它由带有磁性材料的金属圆筒构成这些圆筒被覆盖着几十层带有磁性材料精密机械装置配置了数十个用于读写的精密机械装置当这些圆筒旋转至正确位置时精密机械装置就会驱动相应的读写头完成一个二进制位（bit）的数据记录或书写过程

为了最大限度地减少延迟时间, 核轮以每分钟数千转的速度运转!直至20世纪50年代末, 磁鼓技术取得了显著进展, 可以买到存8万位的'磁鼓存储器', 即10 KB.

然而，在20世纪70年代末期"磁鼓存储器"逐渐退出历史舞台。尽管如此这一技术进步最终促成了现代硬盘的发展。这些技术虽然在设计上有许多相似之处但与之不同的是现代硬盘采用盘状设计而非圆柱体结构因此得名这一特性使得它得以被命名。

原理相同的是基于相同的物理机制；磁盘表面具有的磁场特性允许记录头和读取头识别并处理数字信息中的二进制数据1和0。其厚度适中且整齐排列在一起的硬盘设备能够提供更大的存储表面积以存储更多的数据信息。

IBM采用了独特的技术方案来实现第一台磁盘计算机——RAMAC 305；该系统配备了一百张直径达二十四英寸的旋转磁盘；其存储容量约为五兆字节；这一壮举令人印象深刻！如今终于能够存储一张当代智能手机的照片！1956年这一年

为了访问特定的 bit, 一个读写头将上下移动以定位, 然后将对准目标盘的入口处. 类似于传统的磁鼓结构, 磁盘将快速旋转以提高数据传输速度. 这意味着读写头必须等待对应位置的数据对齐完成才能执行操作.

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。

尽管三分之一秒在存储器中还算可以，在内存中还不足以满足要求。RAMAC 305 包括「磁鼓存储器」和「磁芯存储器」作为其组成部分。这些内容作为实例说明了「内存层次结构」的概念。

一部分运行迅速且价格高昂的内存（高速、昂贵），另一部分运行较慢但较为经济的内存（稍慢、相对便宜些），还有一部分运行速度较慢且价格更为低廉的内存（更慢、更便宜），这些配置通过在成本与性能方面找到了平衡。

在1970年代初期至中期阶段（即从1971年到约1984年），个人电脑首次实现软盘驱动器的大规模普及。如今的硬盘系统能够轻松存储高达1TB的数据量，并且通过采用高效压缩算法和优化存储空间利用率的方法，在单个硬盘上可存储多达2 million张5MB的照片。

网上最低 40 美元就可以买到，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。

我想简单提一下硬盘的关联物——软盘。除了磁盘外的部分则是硬质材质。你或许已经了解过，在某些程序中保存图标被设计成软盘形状。作为曾经真实存在的存储介质之一，在技术发展的历史长河中扮演过重要角色！

软盘（floppy disk/diskette）因其便携性而广受欢迎，在20世纪70年代至90年代间成为主流存储介质。如今随着存储技术的进步，在20世纪90年代中期时，则逐渐被更高密度的软盘（如 Zip Disks）取代，并因技术发展不再适用于现代需求

光学存储器在 1972 年初诞生，并推出了十二英寸激光介质。你可能已经熟悉了其后的产品：光盘（简称 CD），这是一种高容量的数据存储介质，在计算机领域得到了广泛应用；而 DVD 则是基于光刻技术发展起来的一种多轨记录介质，在娱乐产业中大受欢迎。

其功能类似于软盘，在存储数据方面表现相同。然而它们采用的是不同的存储机制——软盘基于磁性介质而光盘则基于光存储技术。在光盘设计中存在许多微小的凹槽结构（即刻有微小的凹坑），这种设计使得光线在其表面产生不同的反射效果。这种变化被光学传感器精确捕捉并将其转换为二进制数字（1和0）。

如今存储技术朝着固态方向发展，在这一过程中没有机械活动部件的例子包括这个硬盘以及U盘，在这一阶段内部是由集成电路构成的，在第15集讨论过

第一款RAM集成电路诞生于1972年。成本每比特仅值美分一枚。然而，在此之前高速存取技术‘磁盘式 ROM’迅速被淘汰。现在已经大幅降低了成本。固态硬盘（SSD）如今正逐步取代传统的机械硬盘。这种新型存储设备被称为SSD

因为SSD不含可移动部件，使得磁头无需等待硬盘旋转。因此其读取速度达到或超过每秒一千次以上，并且读取过程极为迅速。

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。

我们自上世纪以来取得了重大的进展。如同我们在上一集探讨的那样，在晶体管数量与摩尔定律方面也经历了类似的变革。内存与存储技术同样遵循这一趋势：最初的时候每 MB 的成本高达数百万美元，在经历了技术革新后到了2000年代仅需几美分，并且如今的成本已经低至远低于一分钱。完全无需担心打孔式磁盘的问题。

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。

我们下节课见。

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