数据存储设备的发展历史

Posted 2020-10-26

2.3.1　数据存储设备的发展历史

《海量数据存储》第2章数据存储的基本原理，本章从数据存储的基本原理入手，介绍数据存储的实现、数据的写入与读出、数据存储设备与系统以及多级存储技术等。本节为大家介绍数据存储设备的发展历史。

• 作者：方粮来源：机械工业出版社

2.3.1　数据存储设备的发展历史

数据存储设备的发展历史始终贯穿着“应用的需求”和“技术发展的推动”两条主线。存储设备随计算机技术的演变而迅速发展，并独立于计算机系统而不断扩大应用领域。

1.穿孔卡片

穿孔卡片是始于20世纪的主要存储方法，进入20世纪60年代后，逐渐被其他存储手段取代。目前穿孔卡片已经极少使用，除非用于读出当年存储的历史数据。

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。

2.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。

图2-8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。

3.磁带存储器

磁带是所有存储媒体中单位存储成本最低、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，磁带存储的可靠性和读写速度大大提高了。

磁带存储器从早期的盘式磁带机（如图2-9a所示）发展到盒式磁带机（如图2-9b所示），单元容量从百MB提高到GB甚至TB级别，可靠性和读写速度显著提高，维护成本大大下降。而磁带库（如图2-9c所示）通常内置数百至数千盒磁带，并可更换，理论上容量可无限扩展。磁带库内有机械手用于取出和放回磁带，有多台磁带读写机构用于读出和写入数据。磁带库是超大容量、低成本、低功耗的后备存储系统的首选。

4.软盘存储器

第一张软盘发明于1969年，直径是8英寸，单面容量80KB。4年后，5.25英寸、容量为320KB的软盘诞生了。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。图2-10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。

5.硬盘存储器

磁盘表面的磁记录介质薄膜受外磁场的磁化，在去掉外磁场后仍能保持剩余磁化状态，从而存储数据。磁盘存储器由主轴、固定在主轴上的盘片、磁头和磁头臂、磁头定位系统、控制与接口电路等构成。它的规格从14英寸、8英寸、5.25英寸开始，一直发展到目前用得最多的3.5英寸、2.5英寸和1.8英寸。此外，市场上还出现过1英寸的微型磁盘，但CF、SD等闪存卡出现后，微型磁盘在成本、性能上不堪一击，很快就销声匿迹了。到2014年年初，3.5英寸磁盘的容量可达1～4TB，由于技术的进步，更大容量的磁盘（如10TB）仍值得期待。

世界上能够称得上第一块现代意义上的磁盘是由IBM公司于1956年推出的IBM 350磁盘驱动器。IBM公司从1956年开始生产磁盘存储设备，直到2003年把硬盘业务出售给日立。硬盘驱动器（HDD）和软盘驱动器（FDD）均由IBM公司发明，因此IBM公司的雇员拥有这些产品及其技术的大多数发明权。硬盘驱动器的基本机械结构自IBM 1301后并没有改变。现在仍然使用与20世纪50年代相同的标准来衡量磁盘驱动器的性能和特征。历史上几乎找不出任何一个其他产品能像磁盘一样，在享受容量和性能显著改善的同时，成本和尺寸却同时在明显缩小。

IBM公司从20世纪70年代到80年代中期生产了8英寸软盘驱动器，但并不是小尺寸的软盘驱动器的最大制造商。直到1981年，IBM公司始终自己发售磁盘驱动器，而没有按原始设备制造商（OEM）的条款和条件供货。到1996年，IBM公司不再只给自己的系统生产硬盘驱动器，而是以OEM方式提供其所有的硬盘驱动器。

IBM公司使用了许多术语来描述它的各种磁盘驱动器，如直接访问存储设备（Direct Access Storage Device）、磁盘文件和软盘文件；然而，当前业界使用的标准术语是硬盘驱动器和软盘驱动器。

作为第一个磁盘驱动器，IBM 350磁盘存储单元由IBM公司于1956年9月13日发布，作为IBM 305 RAMAC计算机系统的一个组成部分。同时，一个非常类似的产品IBM 355发布用于IBM 650 RAMAC计算机系统。RAMAC代表“计费和控制随机存取方法”。它的设计是出于实时计费的业务需求。IBM 350可存储500万个6位字符（3.75MB），它有50个直径为24英寸（610毫米）的圆盘，共100个记录面，每面有100个磁道，磁盘片的转速是1200RPM，数据传输速率为每秒8800个字符。一个存取机构上下移动一对磁头，选择一对磁盘面（一个向下表面和一个向上表面），并移进和移出磁头，以选择两个盘面的记录磁道。20世纪50年代也提出了几种改进的模型。带IBM 350磁盘存储的IBM RAMAC 305系统，每月租金3200美元。IBM 350于1969年正式停用。

来自RAMAC项目的美国专利（专利号：3，503，060）通常被认为是用于磁盘驱动器的基本专利。此首个磁盘驱动器计划最初曾被IBM董事局取消，原因是它威胁到IBM打孔卡的业务，但IBM圣何塞实验室持续开发，直至该项目被IBM公司的总裁批准。

IBM 350的箱体为60英寸（152厘米）长、29英寸（74厘米）宽、68英寸（171厘米）高。该RAMAC单位重量超过一吨，必须用铲车来回移动，并通过大型货运飞机运输。据称，该驱动器的存储容量本来是可以超过500万个字符的，但当时IBM公司的市场部反对更大容量的驱动器，因为他们不知道如何销售存储容量更大的存储产品。

1984年，RAMAC 350磁盘文件由机械工程师协会指定为国际历史古迹。在2002年，磁盘遗产中心与圣克拉拉大学合作，开始修复一台IBM 350 RAMAC。2005年，RAMAC修复工程搬迁到位于加州山景城的计算机历史博物馆，现在已在该博物馆的“变革展览”中向公众展示。图2-11为IBM 350磁盘驱动器的核心部件，左侧是可上下移动的导轨和磁头，右侧是50个盘片。

IBM 1301磁盘存储单元于1961年6月2日公布。它是专为IBM 7000系列大型计算机和IBM 1410所设计的。IBM 1301在一个单一的模块存储28MC（百万字符）（1410为25MC）。每个模块有20个大的磁盘片、40个记录表面，每面有250条磁道。IBM 1301 Model 1有一个模块，Model 2有两个模块，垂直堆叠。该盘转速为1800RPM，数据传输率为每秒9万个字符。

相比IBM 350和IBM 1405，IBM 1301的一个主要进展是为每个记录的表面单独使用磁头臂和磁头，所有的磁头臂一起移入或移出，像一个大梳子。这消除了磁头臂从一盘面拉出、再向上或向下移动到一个新的磁盘所需的时间。寻找所需磁道的时间也由于新的设计加快，磁头通常会处在盘中间的某个地方，而不是从外边缘启动。最大访问时间减少到180毫秒。

IBM 1301是第一个采用浮动磁头的硬盘驱动器，该磁头使用空气动力学原理设计，飞行在磁盘表面上方一层薄薄的空气上，这使磁头更接近记录面，从而大大提高了性能。

IBM 1301通过IBM 7631文件控制连接到计算机。不同型号的IBM 7631允许IBM 1301用于IBM 1410或7000系列计算机，或由7000和1410，或两个7000共享IBM 1301。

IBM 1301 Model 1每月租金2100美元，售价115?500美元；对应Model 2的价格是每月租金3500美元和售价185?000美元。IBM 7631控制器的租金是每月1185美元或售价56?000美元。这些型号都在1970年停用。

表2-1比较了IBM的第一个HDD（RAMAC 350）和最后三款型号中Star系列中的OEM HDD。该表显示出了HDD在成本与尺寸显著减小的同时，相应的容量和性能却有巨大的改善。从表2-1可知，46年来改进最大的是体积密度，达到622?100?131倍；改进最小的是访问延迟，只有8倍。

表2-1　IBM HDD性能比较

注： 1.in为长度单位英寸，1in=0.0254m。由于历史原因和使用上的习惯，存储相关的许多地方仍使用英制单位。