隨著電腦在容量上的發展，卡片本身的存儲能力與速度都成為一個問題，更不用說還存在容易被損壞的問題了。紙帶卷成為了替換品，特別是可應用于第一代微型電腦，如Digital Equipment PDP-8。

紙帶的推出

紙帶的行和列都是連續的，每一列也是以孔洞的形式表示二進制數值。紙帶從電傳打字機進入電腦，數據采用ASCII編碼。

它被保存到紙袋卷或是以復寫紙的形式保存，被傳送到光學讀取器處，且是用帶穿孔機寫入。當存儲介質通過讀取器時，系統要知道它位于紙帶的哪個位置，這樣才能完成讀取。也就是說，紙帶要準確移動到讀取位置，這樣才能順利讀取紙帶的信息。鏈輪齒可以確保紙帶處于正確位置。

Digital Equipment DEC Type PC09C紙帶讀取器每秒讀取300個字符，相當于每分鐘18kb。

紙帶更小，而且比穿孔卡更方便，但缺陷是容易被撕破。隨著電腦容量的發展，人們需要更多紙帶來保存較大的程序和更多數據——PDP-8逐步被16位PDP-12取代，而后又被32位VAX取代。

數據量的增加提升了電腦的處理能力，這意味著系統內存可允許更大的電腦程序和更多數據。第一款VAX是11/780系統，有4G處理能力，比PDP 11的64KB要大得多。12位的PDP-8有4KB的主存儲器。

紙帶速度不能和這些較大型的電腦匹配，所以就出現了數字磁帶。

磁帶的魅力

磁帶是德國Fritz Pfleumer公司在1928年發明的錄音介質。1951年它被首次被用作UNIVAC 1電腦上的數字存儲介質。

磁帶仍然是連續的，現在被稱為磁道。數字信號仍然行和列交叉處，但是現在是用磁場方向來記錄；北或南；正或負；1或0.記錄密度比遠遠優于紙帶和穿孔卡；在UNIVAC 1上，每英寸128個字符使用八個磁道。

磁帶被保存在圓卷上，從一個卷傳遞到另一個卷的時候，由磁頭讀取。

 
10.5英寸，9磁道的磁帶卷

磁帶提供了很重要的新特性。由于所保存信號，數據量都日漸減少，所以同一地區可保存更多數據，從而增加了區域密度。再者，磁帶比紙帶通過讀取頭的速度要快，因此這也增加了數據的訪問速度。

讀寫數據的進程也可在單獨的讀取頭執行。這可以加快數據寫入的速度，這樣一來，電腦更快地把信息輸出到存儲，使其可以把數據備份到磁帶，作為長時存儲。

與此同時，磁帶驅動由于具備磁性，所以也可以收縮，這樣最初的落地式元件被安裝在電腦前的驅動所取代。

后來人們研發出了用于大型機和個人PC的各種磁帶型號和格式，逐漸淘汰了紙帶。盡管如此，數據訪問速度仍然有限，因為磁帶驅動只有一個讀取頭。要想在磁帶上獲取某個文件時，必須把這個文件放到讀取頭下；磁帶是按順序通過讀取頭的。

為了解決這個問題，人們最先是想到了聯網式或共享式存儲。磁帶庫中收集了一組驅動和一套磁帶卷，供若干電腦共享，從而成就了SAN和NAS的輝煌。

還不止這些。用磁帶的時候，錯誤檢測和糾正都變得更為重要，因為二進制的信號可能被減弱，于是人們想出了各種辦法來保障二進制數值的確定性。這類辦法隨著位存儲介質越變越小因而越來越復雜。

磁帶技術穩步發展，數據容量和傳輸速度都在提升。下圖顯示了LTO格式容量和速度的發展情況，從2000年的LTO-1到去年年底的LTO-6：

隨著電腦處理器的速度越來越快，它在磁帶上定位和寫入數據的時長成為了一個問題。但是處理器速度和數據存儲速度的不協調一直存在，而這也刺激了主要存儲技術的發展。

電腦數據存儲技術的每一次革新都解決了此前存儲技術中存在的一些問題，但是新問題又接踵而至，如此循環往復，技術不斷推陳出新。正是在磁帶的基礎上，IBM才制造出了磁盤。

磁盤將存儲帶入旋轉時代

IBM在1956年發布350 RAMAC（會計與控制的隨機存取方法）磁盤系統。用一個扁平的磁盤平面來作為記錄媒介是劃時代的，不過它還需要另一個重要的方法來實用化。我們用移動的讀取/寫入頭和旋轉式磁盤平面取代了固定式的讀取/寫入頭和移動式的磁帶。

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The IBM 350 RAMAC磁盤系統

突然間，數據的訪問速度大幅提升。過去我們要等待磁帶順序地移動到指定的數據位置，然后才能將讀取頭移動到正確的軌道上。新的方法可以隨機地快速訪問任何數據，無論在哪里。我們實現了隨機訪問。

RAMAC有兩個讀取/寫入頭，可以在堆棧內上下移動來選擇磁盤，然后內外移動來選擇磁道。然后磁盤技術發展到每個記錄平面都有讀取/寫入頭，從而避免了磁盤磁片的尋找時間延遲。多個移動的讀取-寫入頭帶來了隨機的數據讀取功能，一下子解決了磁帶的I/O等待問題。在數據存儲技術領域，它是一個非常大的進步。讓一個磁頭在非常近的距離內在磁盤平面上來回移動相當于讓一架大型噴氣式飛機離地幾米飛行而不墜毀。

RAMAC使用6位字符和50個24寸磁盤，提供5MB的容量。這些磁盤的兩面都可以作為記錄面。磁盤驅動器很快地越變越小，記錄密度飛快提升到如今的水準?，F在我們可以在一個差不多4個CD盒大小的機盒內配置4TB 4磁片驅動器，讓驅動器一個挨一個地堆在各自上面。

一個重要的發展就是軟盤。軟盤是一個放在一個盒子里的一個可扭彎的磁片，可以插入到軟盤驅動器。它讓人想起磁帶，不過它們非常便宜。個人電腦先驅們在數據存儲上選擇了軟盤，不過軟盤只是中間過渡產品，因為一旦3.5英寸硬盤驅動器格式和SCSI（小型計算機系統接口）訪問協議出現，個人電腦和工作站的擁有者們就傾向后面的這些技術來獲得更高的數據訪問速度、可靠性和容量。

配置2個軟盤驅動器的Apple II

3.5英寸格式成為主流，在如今所有的電腦上都可以看到，包括大型機、服務器、工作站和臺式機。
個人電腦擁有率的快速增長推動了磁盤制造業的擴張，而網絡磁盤存儲陣列的崛起更推動了這一進程。服務器中的應用程序被誘導為認為它們正在訪問的是本地的直連式磁盤，雖然它們實際上是在一個共享式的磁盤驅動器陣列上讀取和寫入數據。

應用程序，比如數據庫，通過文件協議（文件系統設備或NAS）來訪問陣列或將陣列看作SAN（存儲局域網）陣列——裸磁盤塊——來訪問。通常，SAN是通過專門的光纖通道鏈接來訪問的，而文件系統設備是通過以太網或局域網（LAN）來訪問的。

隨著讀寫頭技術越來越復雜，磁盤驅動器制造逐漸變得越來越昂貴。能在這個行業中獲取利潤并支持營運的是那些善于組織它們的組件供應鏈、制造高成本經濟性和高可靠性產品并能夠有效管理成本和銷售產品的公司。

其他公司的利潤減少，陷入負債深淵，或破產或被收購。曾經市場上有超過200家磁盤驅動器制造商?，F在只有三家了：希捷、東芝和西數/HGST。

Seagate的ST-412磁盤driveE

磁盤驅動器陣列的崛起以及單位GB成本的下降意味著它們可以承擔備份數據存儲責任，尤其是如果備份數據集中的重復數據可以被重復數據刪除技術所移除的話。這對磁帶備份業是一個沉重的打擊，帶來了快速的格式合并浪潮?，F在，實際上我們只有兩家擁有專有數據格式的大型機磁帶供應商，即IBM和Oracle，然后只剩下一個服務器計算機磁帶格式，LTO。LTO指的是線性磁帶開放格式，現在已經發展到第六代。LTO格式是由一個三家廠商所組成的聯盟開發的：惠普、IBM和Quantum。

雖然磁盤可以承載越來越多的數據并且技術發展使得磁盤可以更快地讀取和寫入數據，一個很大的問題仍然存在。磁盤可能會發生故障，導致所有被存儲的數據丟失。這個問題可以通過制作額外的數據備份來避免。RAID技術——獨立磁盤冗余陣列——可以算術式地處理數據，使得數據所需要的磁盤數量減少，從而降低數據保護成本。不同的RAID框架包括RAID 0、1、2、4、5、20，每個框架都可以對數據訪問速度、數據保護可靠性和容量需求進行優化。

在RAID框架下，故障磁盤中的內容可以通過正常驅動器上的RAID數據來重建。不過這個RAID重建過程所需要的時間隨著驅動器容量的增長而增長。

HGST 7K500 3.5英寸硬盤驅動器

隨著陣列中驅動器的數量增加到數百個，隨后又超過1000個的門檻，很有必要在第一個驅動器故障還未恢復而第二個驅動器發生故障的時候擁有能夠恢復數據的能力，因此RAID 6就被開發出來。
磁盤驅動器的增長快速提高了被存儲的數字信息的總量，研究者認為數字存儲容量在2002年超過了模擬存儲容量，而這個增長速度仍在繼續加快。

IDC數字世界增長（按EB計算）（IDC/EMC 2011年6月）

由于磁盤中的轉速對數據讀取訪問速度非常重要，因此制造商們度在努力提高每分鐘轉速（RPM）。磁盤速度在不斷提高，直到觸及到1.5萬轉的門檻。轉速更高的話，磁盤磁片有可能因為離心力和振動而解體。較低轉速的驅動器可以保存更多的數據，轉速保持在5400轉就可以了。這意味著隨著驅動器容量的不斷提高，從磁盤中讀取和寫入數據的速度卻沒有變化，這越來越成為一個制約因素。

另一個問題是隨著摩爾定律下的計算機處理器速度不斷提高，磁盤I/O速度已經遠遠落后。遷移到2.5英寸驅動器意味著磁盤驅動器機箱可以提高整體I/O速度，但是幅度并不大。

在磁盤無法跟上主機速度的背景下，我們看到NAND固態閃存存儲的快速崛起。閃存沒有移動的磁頭，實際上完全沒有任何讀取/寫入頭。

NAND閃存

NAND閃存是東芝的Fujio Masuoka博士在1980年發明的。NAND閃存的形式是一個個塊中的單元，必須被同時寫入。因此，嚴格地說，NAND閃存不是隨機訪問設備。

閃存記憶體單元的示意圖

作為閃存的一種類型，NOR在手機和其他設備中作為只讀記憶體的一種形式被使用。NAND在照相機、U盤、平板電腦、筆記本電腦和各種需要小尺寸、低能耗和超越磁盤訪問速度的持續數據存儲的設備中作為數據存儲被使用。

閃存是一個半導體技術，不包含任何機械部件，同樣容量下的體積要遠遠小于磁盤。一個1TB的U盤可以就放在你手心上，而且比4CD盒裝的3.5英寸磁盤驅動器要輕得多。

光學存儲的快速回顧

CD和DVD也被用于歸檔數據存儲，不過由于它們本身存在的缺陷，它們沒有被廣泛使用。與磁盤驅動器相比，光盤的容量低，寫入速度慢，而磁帶在存儲大容量數據上的價格又低于磁盤和CD/DVD。磁盤在寫入和讀取備份數據上的速度也更快。所有這些都意味著光盤只能在如今小眾市場上找到。

同時，廠商們也在努力開發全息存儲技術來提供更長的歸檔期和更高的容量。他們失敗了?，F在，我們甚至可以考慮在歸檔存儲上使用非常便宜的閃存記憶體，TLC閃存。

閃存有三種類型。單層單元（SLC）閃存的每個單元存儲1比特，是最快也是最貴的閃存。它的問題在于在它的PE（編程/擦除）周期次數有限。

每單元2比特的閃存被稱為MLC（多層單元）閃存。它的容量比SLC閃存高，但是速度慢，盡管價格更便宜些，而且工作壽命也更短。三比特的閃存被稱為TLC（三層單元閃存）。TLC比MLC更便宜、更慢，壽命也更短。TLC用于數碼相機以及類似的PE周期在2500次以下也可以接受的場合。

過量配置可以延長閃存的耐久性，可以將空閑的未使用的單元代替已經損耗殆盡的單元。我們還有一個問題。提高閃存單位密度的唯一方式就是縮小單元尺寸。不過，隨著我們這樣做，從40納米單元尺寸（49-40納米范圍）到30納米范圍到20納米范圍以至更小，閃存單元的耐久度也隨之下降。如今最新的閃存是16納米制程。也許廠商會推出更小的迭代，但是某種形式的NAND晶圓堆棧，也就是一個堆一個，將有它的必要性。三星已經宣布自己的3D V-NAND驅動器。

閃存記憶體晶圓

臺式機和服務器的閃存記憶體一般是封裝在磁盤驅動器大小的機盒內——通常是2.5英寸——并被稱為SSD（固態驅動器）。它使用磁盤的訪問接口，SATA或SAS。

使用閃存記憶體的計算機可以在數毫秒時間內訪問數據，而磁盤驅動器需要數微秒，因為磁盤的讀取頭必須先被移動到正確的軌道。因此，使用閃存的計算機可以更快地運行應用程序，在虛擬化的服務器中支持更多的虛擬機。

另一個提供閃存的方式是將它直接連到內部的PCIe插槽，這可以提供更快的數據訪問速度，因為不需要磁盤I/O轉換。這種PCIe閃存卡記憶體正在快速發展。鎂光將在明年推出16TB版本。

SSD或卡形式的閃存，比如Violin Memory的VIMM，可以被用于創建網絡純閃存陣列。這種陣列的訪問速度比硬盤驅動器更快，只需要后者十分之一或者更少的物理空間，耗電也只有后者的十分之一。系統可以用重復數據刪除技術來提高有效容量，并提供媲美磁盤驅動器陣列的單位GB成本。

磁盤驅動器陣列制造商們現在使用SSD來存儲最活躍的數據，在控制器中使用閃存高速緩存來加快數據訪問。有可能目前存儲在磁盤驅動器陣列中的主數據將來會慢慢遷移到純閃存陣列。

磁盤驅動器將用于存儲二級或近線數據。將閃存用于主數據并將磁盤用于二級數據的復合式陣列可以在純閃存陣列和純磁盤陣列之間提供一個過渡點。這種陣列的價格低于純閃存陣列，速度快于純磁盤那陣列，同時仍然提供磁盤級的容量。

隨著時間流逝，閃存技術也將退出主流并被其他技術所取代。目前，相變記憶體和電阻式RAM（隨機存取記憶體）都被看作是潛在的候選技術。這兩種技術都提供接近DRAM（動態隨機存取記憶體）的速度，完全的隨機訪問和非易失性。

過去，磁帶是在相當于紙上打一個孔的面積上承載一個比特，現在同樣的面積可以承載MB或GB的數據。存儲過去需要英寸級或厘米級的面積來存儲看得見的比特數據?，F在，它在納米級的范圍內存儲看不見的比特，而且速度快到我們幾乎無法理解它們。

如果我們要繼續推動計算機的使用，存儲就必須更快、更小、更便宜和更可靠。我們現在既是處在計算機時代，也是處在存儲時代。

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