数据存储的趣事

た入场券 2023-01-04 14:56 193阅读 0赞

> 引：本来想系统学习整理一下文件系统的体系，一不小心发现了一个关于存储的趣文，Jessie Frazelle 的 “The Life of a Data Byte”（https://queue.acm.org/detail.cfm?id=3419941，2020-8）。为什么像物理和化学这样基础学科如此重要呢？这篇文章或许可以给出一些答案。

随着更新、更好、更快的存储介质的到来，一个字节的数据能够以多种不同的方式进行存储。字节是数字信息的单位，通常指八位，比特位是一个信息单位，可以表示为0或1，表示逻辑状态。让我们跟随时光的脚步简单地走一走，先了解一下比特和字节的起源。

![format_png][]

## 关于比特和字节 ##

回到Babbage的分析机，可以看到一个比特位被存储为一个机械齿轮或杠杆的位置。在纸质卡片的时代，卡片中某个特定位置是否有孔代表一个比特位。对于磁带和磁盘等磁性存储设备，比特位表示为磁片某一区域的极性。在DRAM中，一个比特通常被表示为储存在电容器中的两级电荷，电容器是一种在电场中储存电能的装置。

1956年6月，Werner Buchholz创造了 byte 这个词来指用于编码单个文本字符的一组比特，后来演变为我们熟知的ASCII编码。ASCII 是基于英文字母的，因此，每个字母、数字和符号(A-Z、 A-Z、0-9、 + 、-、/！等)表示为一个介于32和127之间的7位整数。为了支持其他语言，Unicode 扩展了 ASCII，以便将每个字符表示为一个编码值。例如，小写的 j 表示为 u + 006 a，其中 u 表示 Unicode，后跟十六进制数字。

UTF-8是将字符表示为8位的标准，允许0到127之间的每个代码点存储在一个字节中。这对于英文字符来说没有问题，但是其他语言中的字符通常表示为两个或更多字节。UTF-16是将字符表示为16位的标准，UTF-32是32位的标准。在 ASCII 中，每个字符都是一个字节，但在 Unicode 中，一个字符可以是一个、两个、三个或更多字节。

## 数据存储介质的时光漫步 ##

一个字节中的比特数随过去存储介质的设计而变化，通过各种存储介质进行时间旅行，可以了解数据在历史中是如何存储的。假设我们有一个字节的数据要存储: 字母 j，或者编码的字节6a，或者二进制01101010。穿越时光，让这个数据字节贯穿于各种存储技术之中。

![format_png 1][]

### 1951年 ###

70年前，大约1951年在Univac 1 计算机上诞生了 Uniservo 磁带驱动器，这是第一台商用计算机的磁带驱动器。这种磁带有三磅重，半英寸宽，由被称为 vicalloy 的镀镍磷青铜制成，长1200英尺。字节数据可以以每秒7,200个字符的速度存储在以每秒100英寸的速度移动的磁带上。这时候，我们可以通过磁带走过的距离来测量存储算法的速度。

### 1952年 ###

到了1952年5月21日，当时 IBM 发布了它的第一台磁带机——IBM 726。数据字节现在可以从 Uniservo 的金属磁带转移到 IBM 的磁带上了。这个新家非常舒适，磁带是可以存储高达200万位的空间。这种七磁道磁带每秒移动75英寸，传输速率为12500位数字每秒或7500个字符每秒，当时称为拷贝组。

![format_png 2][]

七磁道磁带有六个磁道用于数据存储，一个磁道做奇偶校验。数据以每英寸100比特位的速度完成记录。该系统采用真空通道的方法，使一圈胶带在两点之间循环。这允许磁带驱动器在瞬间启动和停止磁带，是通过在磁带卷盘和读/写磁头之间放置长的真空柱来实现的，以吸收磁带中突然增加的张力，否则磁带通常会断裂。磁带卷背面的可拆卸塑料环提供了写保护，一卷磁带大约可以储存1.1 MB 数据。程序不能绕过磁带，也不能随机访问数据ーー它们必须按顺序读写。

### 1956年 ###

磁盘存储时代始于1956年，当时 IBM 将 305 RAMAC 计算机交付给旧金山的 Zellerbach Paper 公司。这是第一台使用移动磁头硬盘驱动器(硬盘驱动器)的计算机。RAMAC 磁盘驱动器由50个直径为24英寸的磁性金属盘组成，能够以每个字符7位的速度存储大约500万字符的数据，并以转速1200转的速度旋转，存储容量约为3.75 MB。

![format_png 3][]

与磁带或穿孔卡不同，RAMAC 允许实时随机访问存储器中的大量数据。IBM 宣传 RAMAC 能够存储相当于64,000张穿孔卡的数据。在此之前，事务需要数据累积到一定容量后通过批处理执行。RAMAC 引入了连续处理事务的概念，以便数据能够及时检索。我们的那个数据字节j，现在可以在 RAMAC 中以每秒100,000位的速度访问。在此之前，人们使用磁带时，必须顺序写入和读取数据，而不能随机跳转到磁带的各个部分，实时随机访问数据在当时是真正的革命。

### 1963年 ###

DEC tape 于1963年推出，价格低廉，性能可靠，因此在很多代 DEC 计算机中都有使用。这卷3英寸的胶带是夹层的，夹在两层聚酯薄膜之间，放在一个4英寸的卷轴上。可以用手携带，而不像之前的那些重量级产品，这使得 DEC tape 对于个人电脑来说非常重要。与七轨磁带相比，DECtape 有六个数据轨道、两个标记轨道和两个时钟轨道，数据以每英寸350位的速度记录。数据字节是8位的，但可以扩展到12位，以每秒8,325个12位字的速度传输到 DEC tape，磁带速度为每秒93 +/-12英寸，这比1952年的 Uniservo 金属磁带提升了8%。

### 1967年 ###

四年后的1967年，IBM 的一个小团队开始研究软盘驱动器，代号为 Minnow 。当时，该团队的任务是开发一种可靠且成本低廉的方法，将微代码加载到 IBM System/370主机中。然后，该项目被重新分配并用于将微代码加载到代号为 Merlin 的 IBM 3330 Direct Access Storage Facility 的控制器中。

![format_png 4][]

数据字节现在可以存储在涂有磁性材料的八英寸柔性聚酯薄膜磁盘上，称为软盘。在发布时，该项目的结果被命名为 IBM 23FD 软盘驱动器系统。这些磁盘可以容纳80 KB 的数据。与硬盘驱动器不同，用户可以很容易地将带有保护外壳的软盘从一个驱动器转移到另一个驱动器。后来，在1973年，IBM 发布了一个读/写软盘驱动器，随后成为了行业标准。

### 1969年 ###

1969年，AGC（阿波罗导航计算机）只读绳索存储器是在阿波罗11号上发射升空的，阿波罗11号将美国宇航员送上月球并返回。这种绳索存储器是手工制作的，可以存储72kb 的数据。制造绳索存储器是缓慢而费力的，类似于纺织工作，它可能需要几个月编织一个程序到绳索存储器，如下图所示。

![format_png 5][]

但在当时，它是抵御严酷太空环境的最佳工具。当一根导线穿过其中一个圆形核心时，它代表1。围绕一个核心的电线代表0。我们的那个数据字节j，现在需要一个人花几分钟才能编织进绳子里。

### 1977年 ###

1977年发布的Commodore PET是第一台面向大众市场成功的个人电脑。内置的 PET 是一个 Commodore 1530 数据套装(数据及盒式磁带)。PET 将数据转换成模拟声音信号，然后存储在盒式磁带上。这使得存储解决方案具有成本效益和可靠性，尽管速度非常慢。小数据字节可以以每秒60-70字节的速度传输，盒式磁带每30分钟一面可容纳100 KB，每卷磁带有两面。例如，可以在盒式磁带的一侧放入大约2张55kb 的图像。这种数据套装也出现在 Commodore VIC-20和 Commodore 64中。

### 1978年 ###

来到1978年， MCA 和飞利浦公司推出了“碟形光盘”。《大白鲨》是北美激光唱片公司卖出的第一部电影。LaserDisc 的音频和视频质量远远好于竞争对手，但对大多数消费者来说太贵了。与 VHS 磁带相反，用户可以用它来录制电视节目，而 LaserDisc 则不能写入。LaserDiscs 使用带有模拟调频立体声和 PCM 数字音频的模拟视频。这些圆盘直径为12英寸，由两个塑料层的单面铝制圆盘组成。如今，激光唱片被视为 DVD 制作的基石。

### 1979年 ###

一年后的1979年，Alan Shugart 和 Finis Conner 创立了希捷科技，他们的想法是缩小硬盘驱动器的规模，使其与5.25英寸软盘的大小一样，这在当时是标准配置。1980年，他们的第一款产品是希捷 ST506，是第一款微型计算机硬盘。

![format_png 6][]

5.25英寸的磁盘容纳了5MB的数据，这在当时是标准软盘的5倍。它是一个坚硬的金属盘子，两面都涂上了一层薄薄的磁性材料来存储数据。我们的数据字节可以以625 KB/s 的速度传输到磁盘上。

### 1981年 ###

随后，索尼推出了第一个3.5英寸软盘驱动器。1982年，惠普推出 HP-150，成为第一家采用这项技术的公司。这使得3.5英寸软盘在业界得到了广泛的支持。磁盘是单面的，格式化容量为161.2 KB，非格式化容量为218.8 KB。1982年，一个由23家存储公司组成的联盟，根据索尼最初的设计，制作了一个3.5英寸的有了双面软盘。我们数据字节j现在可以存储在早期广泛应用的存储介质中——3.5英寸的软盘。

### 1984年 ###

1984年，索尼和飞利浦公司宣布推出了可存储550MB预先录制数据的CD-ROM。这种格式源于两家公司在1982年开发的 CD-DA (光盘数字音频)，用于分发音乐的 CD-DA 的容量为74分钟。当索尼和飞利浦就 CD-DA 标准进行谈判时，传说参与谈判的四个人中有一个人坚持认为 CD-DA 能够容纳贝多芬《第九交响曲》的全部内容。第一个产品发布的 CD-ROM 是 Grolier 的电子百科全书，出版于1985年。这部百科全书包含900万个单词，仅占553兆字节可用空间的12%。百科全书和我们的数据字节将有足够的空间。

![format_png 7][]

此后不久，在1985年，经过许多计算机和电子公司的共同努力，为CD-ROM制定了标准，以便任何计算机都能访问这些信息。

也是在1984年，Fujio Masuoka 发表了他的关于一种新型浮栅存储器的研究成果，这种存储器被称为闪存，它可以被多次擦除和重新编程。

首先回顾一下浮栅存储器是如何工作的。它使用了晶体管，这是一种可以单独开关的门电路。由于每个晶体管可以处于两种不同的状态(开或关) ，它可以存储两个不同的数字: 0和1。浮栅指的是添加到晶体管的第二栅极，这个第二个栅极由一层薄的氧化层绝缘。这些晶体管使用施加在晶体管栅极上的一个小电压来表示它是开启还是关闭，转换成0或1。

对于浮栅，当在氧化层上施加适当的电压时，电子穿过氧化层，卡在浮栅上。因此，即使断开电源，电子仍然存在于浮栅上。当浮栅上没有电子时，它表示1; 当电子被捕获在浮栅上时，它表示0。反过来，在氧化层上施加相反方向的适当电压，使电子从浮栅中穿出，使晶体管恢复到原来的状态。因此，这些单元可以编程，具有不易失性。我们的那个数据字节j，可以被编程为01001010个晶体管，浮栅中电子被捕获则代表0。

Fujio Masuoka 的设计比 EEPROM稍微便宜一些，但是灵活性不如 EEPROM，因为它需要多组单元一起擦除，但这也解释了它的速度。当时，Masuoka 在东芝工作，但不久后辞职，成为大学的一名教授。他对东芝公司没有对自己的工作给予奖励感到不满，于是起诉东芝公司，要求对他的工作给予补偿。该案于2006年和解，一次性支付了8700万美元，相当于80年代的75.8万美元。考虑到闪存在行业中的影响力，这个数字仍然很低。

关于闪存，需要来看看 NOR 和 NAND 闪存之间的区别。闪存在由浮栅晶体管构成的存储单元中存储信息，这些技术的名称与存储单元的组织方式直接相关。

在 NOR 闪存中，单个存储单元并行连接，允许随机访问。这种体系结构使随机访问的微处理器指令所需的短时间读取成为可能。NOR 闪存是典型的低密度应用程序，大多数应用于只读的场景。这就是为什么大多数CPU通常从 NOR闪存中加载固件。Masuoka 和他的同事在1984年发明了 NOR 闪存，在1987年发明了 NAND 闪存。

![format_png 8][]

相比之下，NAND闪存设计者放弃了随机访问的能力，以换取更小的存储单元，这也带来了更小的芯片尺寸和每个比特位成本更低的好处。NAND 闪存的结构是由八个存储器晶体管组成的阵列串联而成。这导致了高存储密度，更小的内存单元大小，更快的写和擦除。当数据不是按顺序写入且块中已存数据时，必须覆盖数据。

### 1991年 ###

跑到1991年， IBM 评估了SanDisk 制作的一个SSD (固态硬盘)原型模块，当时被称为 SunDisk。该设计将闪存阵列和非易失性存储芯片与智能控制器相结合，实现了缺陷单元的自动检测和修正。这张磁盘容量20MB，2.5英寸大小，售价约为1000美元。最终在 ThinkPad 笔记本电脑上使用了这个产品。

### 1994年 ###

在1994年， Lomega 发布的Zip磁盘，是一个100 MB的盒式磁带，外形尺寸为3.5英寸，比标准的3.5英寸磁盘厚一点。后续版本的 Zip 磁盘最多可以存储2 GB。这些磁盘的便利性在于它们只有软盘那么小，但却能够容纳大量的数据，使得引人注目。我们的数据字节可以写在一个1.4 MB/s 的Zip磁盘上。在那个时候，1.44 MB 的3.5英寸软盘写速度为16 kB/s。在Zip驱动器中，磁头是非接触式的读/写，并且在表面上飞行，这与硬盘相似，但不同于其他软盘。由于可靠性问题和CD的经济性，Zip 磁盘最终被淘汰了。

也是在1994年，SanDisk 推出了 CompactFlash，它被广泛应用于消费电子设备，例如数字摄像机和视频摄像机。

![format_png 9][]

像CD-ROM一样，CompactFlash 的速度是基于倍速的(8倍，20倍，133倍等等)。最大传输速率是根据原始音频 CD 传输速率150 kB/s 计算出来的。这个结果看起来像 r = k × 150kb/s，其中 r 是传输速率，k 是速度等级。对于133x CompactFlash，我们的数据字节写为133 × 150kb/s，或者大约19,950kb/s 或者19.95 MB/s。CompactFlash联盟成立于1995年，目的是制定基于闪存存储卡的行业标准。

### 1997年 ###

几年后， CD-RW (可擦写光盘）在1997年推出。这种光盘用于数据存储，备份以及在各种设备传递文件。CD-RW 只能被重写大约1000次，这在当时并不是一个限制因素，因为用户很少在一个磁盘上反复重写数据。

CD-RW 是基于相变技术的。在给定介质的相变过程中，介质的某些性质发生变化。在 CD-RW 的情况下，由银、碲、铟组成的特殊化合物的相移会导致反射区和非反射区，每个区域代表0或1。当这种化合物处于晶体状态时，它是半透明的，这表明它是1。当化合物熔化成非晶态时，它变得不透明和不反射，这代表是0。我们可以用这种方式将数据字节01001010写成非反射区和反射区。后来，CD-RW 的市场份额最终还是被DVD占据了。

### 1999年 ###

1999年，IBM 推出了当时世界上最小的硬盘驱动器: 170MB和340 MB 容量的 IBM 微驱动器。这些是小型硬盘，一英寸大小，设计用于可以插入 CompactFlash II 型插槽。其目的是创建一个类似 CompactFlash 但具有更大存储容量的设备。然而，这些产品很快就被USB闪存驱动器和更大的CompactFlash卡所取代了。像其他硬盘驱动器一样，微驱动器是机械式的，包含小型的旋转磁盘盘片。

### 2000年 ###

USB 闪存驱动器于2000年推出，这样的设备包括了一个外形小巧的带有 USB 接口的闪存。根据所使用的 USB 接口的版本不同，速度也不同: USB 1.1的速度限制在1.5 Mbps，而 USB 2.0可以处理35Mbps，USB 3.0可以处理625Mbps。

![format_png 10][]

第一个 USB 3.1 Type C 驱动器于2015年3月发布，读写速度达到530mbps。与软盘以及光盘不同，USB 设备更不容易损坏，但仍然提供相同场景的数据存储、传输和备份文件。正因如此，软盘和光盘驱动器的流行度已经下降，取而代之的是 USB 端口。

### 2005年 ###

硬盘驱动器制造商在2005年开始使用 PMR (垂直磁记录)出货产品。有趣的是，这发生在苹果公司发布 iPod Nano 的同时，iPod Mini 使用的是闪存，而不是一英寸的硬盘，引起了业界的一片哗然。

一个典型的硬盘驱动器包含一个或多个硬盘，硬盘上涂有一层由微小的磁性颗粒组成的磁敏薄膜。当磁头在旋转的磁盘上方飞行时，数据就会被记录下来，就像电唱机和唱片一样，只不过那些场景下的磁头与唱片有物理接触。当盘片旋转时，与盘片接触的空气会产生流动。就像机翼上的空气产生升力一样，空气也会在磁头上产生升力。磁头快速翻转一个晶粒磁化区域，使其磁极指向上或下，表示1或0。

PMR 的前身是 LMR (纵向磁记录)，PMR 可以提供超过 LMR 三倍的存储密度，两者的关键区别在于 PMR 介质存储数据的晶粒结构和磁场方向是柱状而非纵向。由于更好的粒子分离和均匀性，PMR 具有更好的热稳定性和信噪比的改善。它还受益于，因为更强的磁头磁场和更好的磁介质可以对齐，进而提供了更好的写入性能。像 LMR 一样，PMR 的基本限制是基于磁写入数据位的热稳定性，以及需要有足够的信噪比来读取信息。

### 2007年 ###

日立公司在2007年发布了第一台1 TB 硬盘， Deskstar 7K1000使用了5个3.5英寸200 GB 的盘片，每分钟转速为7200转。这与世界上第一个硬盘驱动器 IBM RAMAC 350形成了鲜明的对比，后者的存储容量大约为3.75 MB，这是51年来的变化。

### 2009年 ###

2009年，NVMe (nonvolatile memory express，非易失性存储器)登上了科技的舞台。NVM 是一种具有持久性的存储器，而易失性存储器需要恒定的能量来保存数据。NVMe 满足了基于 PCIe (PCI Express)的 SSD对可伸缩性主机控制接口的需求。

![format_png 11][]

超过90家公司参与了开发设计的工作组，这些都是基于先前定义的 NVMHCIS (非易失性存储器/主机控制接口规范)。在一个现代服务器中可能会找到一些 NVMe 驱动器，目前最好的 NVMe 硬盘可以达到3,500 MB/s 的读和3,300 MB/s 的写。对于我们使用的数据字节，字符 j，相对于“阿波罗”计算机手工编织绳索存储器几分钟的时间来说，这是天壤之别。

## 数据存储介质的现在和未来 ##

我们希望存储是持久化的，根据存储介质的用途可以粗略地分为存储级内存和硬盘。

### 关于存储级内存 ###

如今，SCM (存储级内存)的最新技术状态是怎样的呢？

像 NVM 一样，SCM 是持久化的，但是它提供的性能比主内存更好，或者可与主内存相媲美提供字节可寻址性。SCM 旨在解决当今缓存所面临的一些问题，如 SRAM (静态随机存取存储器)的低密度问题。DRAM提供了更好的密度，但这是以较慢的访问时间为代价的。DRAM 还需要持续不断的电源支持。分析一下，由于电容器上的电荷一点一点地泄漏，所以需要电力; 这意味着如果没有干预，芯片上的数据很快就会丢失。为了防止这种泄漏，DRAM 需要一个外部存储器刷新电路，定期重写电容器中的数据，恢复它们的原始电荷。

为了解决密度和功率泄漏的问题，一些正在发展中的技术有 PCM (相变化内存) ，STT-RAM (自旋转移力矩随机存取存储器)和 ReRAM (电阻式随机存取存储器)。所有这些技术的一个优势是它们作为 MLC (多级单元)的功能。这意味着它们可以存储多于一位的信息，而 SLC (单级单元)只能在每个内存单元存储一位的信息。通常，一个存储单元是由一个 MOSFET (金属氧化物-半导体场效应管)组成的。MLC 减少了存储与 SLC相同数量数据所需的 MOSFET数量，使其密度更高或更小，以提供与使用 SLC技术相同数量的存储。下面看一下这些 SCM 技术是如何工作的。

#### 相变化内存 ####

PCM 类似于先前描述的CD-RW的相变。它的相变材料通常是 GST，或 GeSbTe (锗锑碲) ，它可以存在于两种不同的状态: 非晶态和晶态。非晶态的电阻比晶态的电阻高，用于表示0和1。通过将数据值分配给中间电阻，PCM 可以用来存储多个状态作为一个 MLC。

#### 自旋转移力矩随机存取存储器 ####

STT-RAM 由两层铁磁性的永磁体组成，中间隔着一层绝缘体，这种绝缘体可以在不传导的情况下传递电力。它根据磁场方向的不同存储数据位。一个磁层，称为参考层，具有固定的磁方向，而另一个磁层，称为自由层，具有通过电流控制的磁方向。对于1，两层的磁化方向是一致的。对于0，这两个层有相反的磁方向。

#### 电阻式随机存取存储器 ####

ReRAM 由两个金属电极组成，两个金属电极被金属氧化物层隔开。这与 Masuoka 最初的闪存设计类似，电子会穿过氧化层，卡在浮栅上，反之亦然。然而，对于 ReRAM，单元的状态是由金属氧化物层中氧空位的浓度决定的。

#### 存储级内存的缺点和优点 ####

虽然这些SCM技术很有前途，但它们也有缺点。PCM 和 STT-RAM 具有较高的写延迟。PCM 的延迟是 DRAM 的10倍，而 STT-RAM 的延迟是 SRAM 的10倍。PCM 和 ReRAM 在出现严重错误之前对写的持续时间有限制，这意味着内存元素被卡在一个特定的值上。

2015年8月，英特尔发布了基于3DXPoint 的产品 Optane，发音为3D cross-point 。Optane 声称性能比 NAND 固态硬盘快1000倍，性能是闪存的1000倍，而价格是闪存的4到5倍。Optane 证明了SCM不仅仅是实验性的，观察这些技术是如何发展的将是一件有趣的事情。

![format_png 12][]

### 关于硬盘存储 ###

不论是海量存储还是便携式存储， 我们的IT系统都是以硬盘存储为基石的。

#### 氦磁盘驱动器(HHDD) ####

HHDD（氦硬盘驱动器）是一种高容量的硬盘驱动器，在制造过程中充满氦并密封。像其他硬盘类似，它很像一个旋转磁涂层的磁盘唱机。典型的硬盘驱动器内部只有空气，但空气会对盘片的旋转产生一定的阻力。

氦比空气轻，是漂浮着的，事实上氦的密度是空气的七分之一，因此减少了盘片旋转时的阻力，导致盘片旋转所需的能量减少，但这这实际上是一个次要特性。氦气的主要优势在于，它可以以通常只能容纳五个盘片的外观规格包装七个盘片，而用充满空气的驱动器进行这种尝试会引起湍流。如果还记得之前关于飞机机翼的比喻，那么这个比喻就非常贴切了。氦可以减少阻力，从而消除湍流。

![format_png 13][]

然而，众所周知的是，氦气球在几天后就会开始下沉，因为氦气会从气球中逸出。这些驱动器也无法避免氦气的逃逸。制造商们花了好几年时间才发明出一种容器，在驱动器的使用寿命内防止氦气逸出。Backblaze 发现 HHDD的年错误率较低，为1.03% ，而标准硬盘驱动器的年错误率为1.06% 。当然，这个差别很小，很难从中得出什么结论。

一个充满氦气的驱动器规格可以使用一个 PMR 的硬盘封装，或它可以包含一个 MAMR (微波辅助磁记录)或者 HAMR (热辅助磁性录写)驱动器。任何磁存储技术都可以用氦来替代空气。2014年，日立将两种尖端技术结合到其10TB HHDD 中，使用了主机管理的 SMR (叠瓦式磁记录)。

#### 叠瓦式磁记录 ####

PMR 是 SMR 的前身。与 PMR 不同的是，SMR 记录了新的轨道，这些轨道重叠了以前记录磁轨的一部分，这反过来又使之前的轨道变窄，允许更高的轨道密度。这项技术的名字来源于这样一个情景，即重叠的轨道类似于屋顶上的瓦。

![format_png 14][]

由于写入一个轨道会覆盖相邻的轨道，所以 SMR 会导致一个更加复杂的写入过程。当磁盘盘片是空的而数据是顺序的时候，这就不起作用了。然而，一旦您写入一系列已经包含数据的轨道，这个过程就会破坏现有的相邻数据。如果相邻磁道包含有效数据，则必须重写该磁道，这非常类似于 NAND flash。

拥有设备管理的 SMR 设备通过设备固件管理来隐藏这种复杂性，从而产生与任何其他硬盘一样的接口。另一方面，主机管理的 SMR 设备依赖于操作系统来处理驱动器的复杂性。希捷公司于2013年开始发布 SMR 驱动器，声称其密度比 PMR 高出25% 。

#### 微波辅助磁记录 ####

MAMR 是一种能量辅助磁存储技术，与 HAMR 类似，它使用20到40GHz 的频率以圆形微波场覆盖磁盘盘片。这降低了磁碟的矫顽力，这意味着磁碟的磁性材料对磁化强度变化的阻力较低。磁盘区域的磁化强度变化用来表示0或1，因此磁盘对磁化强度变化的阻力较低，所以可以更密集地写入数据。这项新技术的核心是自旋转矩振荡器，用于产生微波场而不牺牲可靠性。

![format_png 15][]

西部数码在2017年发布了这项技术，东芝在2018年紧随其后推出了类似的产品。当 西部数码和东芝正忙于追求 MAMR 的时候，希捷正押注于 HAMR。

#### 热辅助磁记录 ####

HAMR 也是一种能量辅助磁存储技术，利用激光发热帮助磁盘表面写入数据，从而大大增加了硬盘等磁性设备上存储的数据量。热量使得磁盘上的数据位之间的距离更近，从而提高了数据密度和容量。

这项技术很难实现。在写入数据之前，一个200毫瓦的激光器把该区域的一小部分快速加热到750华氏度(400摄氏度) ，同时不干扰或损坏磁盘上的其余数据。加热、写入数据和冷却的过程必须在一纳秒内完成。这些挑战需要开发纳米级表面等离子体激光单元，也称为表面导向激光，而不是直接基于激光的加热，还需要开发新型的玻璃盘片和热控涂层，以容忍快速点加热而不损坏记录头或任何附近的数据，还需要克服各种其他技术挑战。

![format_png 16][]

希捷在2013年第一次展示了这项技术，尽管有很多人对此持怀疑态度，但是，希捷仍然在2018年开始发布第一批基于这项技术的设备。

## 结束语 ##

本文从1951年存储介质的发展状况入手，展望了存储技术的未来。随着时间的推移，存储方式发生了很大变化，从纸带到金属带、磁带、绳索存储器、旋转磁盘、光盘、闪存等等，每一个进步都为了带来更快、更小、更高效的数据存储设备。对比NVMe 和1951年 Uniservo 金属磁带， NVMe 可以比Uniservo 每秒多读取486,111% 的数据。对比NVMe 和1994年的 Zip 磁盘，可以看到 NVMe 每秒可以多读213,623%的数据。

存储0和1的方法仍然是正确的，但做到这一点的方法千差万别。

![format_png 17][]

【关联阅读】

*  [难以捉摸？机器学习模型的可解释性初探][Link 1]
 *  [五年了，红取风霜实,青看雨露柯][Link 2]
 *  [AI 语音交互开放平台的构建与演进][AI]
 *  [微服务的隐性收益][Link 3]
 *  [华为数据之道：数据分类管理框架和经验][Link 4]
 *  [行业规模的知识图谱——经验和挑战][Link 5]
 *  [“从数学到机器的故事”读后][Link 6]
 *  [声如其闻，DuerOS中的声音播放][DuerOS]
 *  [没有被了解的API？一个老码农眼中的API世界][API_API]
 *  [性能，10点系统性思考][10]
 *  [读书:《电路与系统简史》][Link 7]

[format_png]: /images/20221119/95723aba833146ad8b6ead6f5075e6c2.png
[format_png 1]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X2pwZy9ERTJkazFHamN6cmlhZmdlbWlhY0F0WUdjNXVOaWFVUnBVbWsyY0FJWUtHY0xNcTZ0Z3ByeWZPTlZMWDdlTzR5Vjllb0lhaWJhSkJ4TlU0TGt1MEVIMUxvMVEvNjQw?x-oss-process=image/format,png
[format_png 2]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X2pwZy9ERTJkazFHamN6cmlhZmdlbWlhY0F0WUdjNXVOaWFVUnBVbWV1b3RuWGlhQTFHcDF0YVBSbmdoUVl2STZ2QXpueGdrVDExNHZYV09xb3ZSYWhRWVQ4U1lENVEvNjQw?x-oss-process=image/format,png
[format_png 3]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X2pwZy9ERTJkazFHamN6cmlhZmdlbWlhY0F0WUdjNXVOaWFVUnBVbWdYM2hFY1oxaEQ4VVFoVW1VTmozUnY4VWlicHU0bXhaczRQQjR0TkxTWUQ2MWlhUDJNZjZ5MFlBLzY0MA?x-oss-process=image/format,png
[format_png 4]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X2pwZy9ERTJkazFHamN6cmlhZmdlbWlhY0F0WUdjNXVOaWFVUnBVbUxQQmlhSnFtYUJCbGhxTDBPcXgyUWJ2ODdmS0VKakpaMTROcWRjWDE3YjNsMVU0dU5ESm9UbUEvNjQw?x-oss-process=image/format,png
[format_png 5]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X3BuZy9ERTJkazFHamN6cmlhZmdlbWlhY0F0WUdjNXVOaWFVUnBVbXBlb1VQejlhcUxGUnpDY1NqVXBoQlk4TlFLdVk1NmU4aWEzZ05nbWZBRDFzaWNGZURsZndVd1VRLzY0MA?x-oss-process=image/format,png
[format_png 6]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X3BuZy9ERTJkazFHamN6cmlhZmdlbWlhY0F0WUdjNXVOaWFVUnBVbVB3VmdwQ2lhMlR2bFFJSmxPb2R0aWJmdUpINTZBUVdvaWFNMkpnUG5nWDFhQWliUEdnQnZ2ejdwb1EvNjQw?x-oss-process=image/format,png
[format_png 7]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X2pwZy9ERTJkazFHamN6cmlhZmdlbWlhY0F0WUdjNXVOaWFVUnBVbTE0b21BbDZRTEQ1MnFnQmoyamE0OE9LRnF4aE5rRTV4RElTTzZSbzhaR2x4MHVKcTdhZFV4QS82NDA?x-oss-process=image/format,png
[format_png 8]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X2pwZy9ERTJkazFHamN6cmlhZmdlbWlhY0F0WUdjNXVOaWFVUnBVbThGNFVqZ0pXeDBlbzRHS3VCZnI4bGNmaks2NEw1c2NOUlB1aWNVSE5uRWZ6RDFKYVBIN2VMYVEvNjQw?x-oss-process=image/format,png
[format_png 9]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X2pwZy9ERTJkazFHamN6cmlhZmdlbWlhY0F0WUdjNXVOaWFVUnBVbXNpYm5vajJ4TWozSnFadWZCYnV6WnJ2cnUzOWZzUnpCUXI0ckUwVWRHMjVLaWI0d0JZUFBEOVlnLzY0MA?x-oss-process=image/format,png
[format_png 10]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X2pwZy9ERTJkazFHamN6cmlhZmdlbWlhY0F0WUdjNXVOaWFVUnBVbUtzaDZtNzBYNHIwVncweHRzR0dUZmRqWTFEZ3h1Z29zd2VoWmJpYnh0VTVkSTlaanJzSUQwRncvNjQw?x-oss-process=image/format,png
[format_png 11]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X3BuZy9ERTJkazFHamN6cmlhZmdlbWlhY0F0WUdjNXVOaWFVUnBVbUZFVEsydWFMQ05KMHoxaWJicEZuY2EyV2ljWFkyRVlYaWNaRW84ZVl4SWRWTmljck9iUVBRRW1VVncvNjQw?x-oss-process=image/format,png
[format_png 12]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X2pwZy9ERTJkazFHamN6cmlhZmdlbWlhY0F0WUdjNXVOaWFVUnBVbVE1SDAzN0R5dUZJNUhwWHpzYmRtRWFDRXJwRVY3TEE0S0tHaWFOV2xpYkpLNUJodUdXTW5XRE1BLzY0MA?x-oss-process=image/format,png
[format_png 13]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X2pwZy9ERTJkazFHamN6cmlhZmdlbWlhY0F0WUdjNXVOaWFVUnBVbVN5VzVUWFY2RkVNdnVhZm1zQU9SN25pY0ZsMHREeHRLZlRlS2liNEtDcFdDeXhCWFlaaWFMQm55Zy82NDA?x-oss-process=image/format,png
[format_png 14]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X2pwZy9ERTJkazFHamN6cmlhZmdlbWlhY0F0WUdjNXVOaWFVUnBVbVBuUHppY3lOc2ljZmtlM2VuTzBTd0laaWJidVA1a1hWaDJQMVIwenBGTHV2c0NBVUlrU3FTY25vZy82NDA?x-oss-process=image/format,png
[format_png 15]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X2pwZy9ERTJkazFHamN6cmlhZmdlbWlhY0F0WUdjNXVOaWFVUnBVbU05bUNINkxpYVBCcWliaWI4cWljbmtZSmhhbU9NVEYxeTN4WFN2UUY2MEJXNDhGeno1aDBCWE1VaWJBLzY0MA?x-oss-process=image/format,png
[format_png 16]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X2pwZy9ERTJkazFHamN6cmlhZmdlbWlhY0F0WUdjNXVOaWFVUnBVbWljMkRYR0htVDkzd2dPcnA2NHIyMUFvVzJpYm9JdFFCclk1REt3eWtoNE5rb1VVVVpoQzBwYnNRLzY0MA?x-oss-process=image/format,png
[format_png 17]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X2pwZy9ERTJkazFHamN6cmlhZmdlbWlhY0F0WUdjNXVOaWFVUnBVbWI0SkZVTVpRa3AwUmliWE5GeDRZUG51d1I0azZIQXpXMlJOWWJBRjd2am8yb3FHeFFPd1dpYVNRLzY0MA?x-oss-process=image/format,png
[Link 1]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwOTcyNzA0OQ%3D%3D&chksm=80d35f70b7a4d6667500cdca89848bdc2e16a62ef5d82df5bfa9c4ba9d57eee624efa46a8ff7&idx=1&mid=2658976342&scene=21&sn=4326b14c9fd95866049f484ad38a3968#wechat_redirect
[Link 2]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwOTcyNzA0OQ%3D%3D&chksm=80d35f62b7a4d6743528aba8656cb7005638149f7324d0c48881888d1b140c2c7773ff53da2f&idx=1&mid=2658976324&scene=21&sn=0675b029c6d8d3b31dbf79ee150c2502#wechat_redirect
[AI]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwOTcyNzA0OQ%3D%3D&chksm=80d35f28b7a4d63ee4453178e0820139f5a96df7110b21bb28d8fd35521d68e2510fa4076cd1&idx=1&mid=2658976270&scene=21&sn=9428898959142e4448bf63fdc211f66c#wechat_redirect
[Link 3]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwOTcyNzA0OQ%3D%3D&chksm=80d35cc0b7a4d5d65de91290011a2fb0501db4a41ecb42a35e789c1acec966cd3aba82020994&idx=1&mid=2658976230&scene=21&sn=782c2cd623ed9efe33ef48b8c6b7b8b5#wechat_redirect
[Link 4]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwOTcyNzA0OQ%3D%3D&chksm=80d35cf2b7a4d5e467a6f8d7ddad3afaf13dd24fff9b2cf73b7c50ab9ed9c1d68d26b225628e&idx=1&mid=2658976212&scene=21&sn=b94b653c98252ee30c23c2a1395a5ad7#wechat_redirect
[Link 5]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwOTcyNzA0OQ%3D%3D&chksm=80d35ce5b7a4d5f3bdc708ca842b7c18cda4707904e7e18e0ea0ef2fed17e1338f9dfb529089&idx=1&mid=2658976195&scene=21&sn=dd246732302c54c733ff53762c453ae5#wechat_redirect
[Link 6]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwOTcyNzA0OQ%3D%3D&chksm=80d35c0bb7a4d51d82da473a26ee993e054ed7ff36225b9c75eb08796a5ed969eeb72e945300&idx=1&mid=2658976045&scene=21&sn=005db1dae63ebf32629a368c2837013f#wechat_redirect
[DuerOS]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwOTcyNzA0OQ%3D%3D&chksm=80d35df2b7a4d4e4248bf13d04826720b490e01fc960ec3b29a86c29a829213cb4bad3184883&idx=1&mid=2658975956&scene=21&sn=6ae2a39e1b0a88e8268510f4ec3ce175#wechat_redirect
[API_API]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwOTcyNzA0OQ%3D%3D&chksm=80d323d2b7a4aac476e2582c6521da4a0f089aba147874898b842e1d63d3c3ca43bd0850e019&idx=1&mid=2658975476&scene=21&sn=6b912551bddce66214a80987042fe963#wechat_redirect
[10]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwOTcyNzA0OQ%3D%3D&chksm=80d323b5b7a4aaa3cb87d890c4d4c2175c24e67a091fa911b002f9069299f147856532ff5c28&idx=1&mid=2658975379&scene=21&sn=e931610ee8e2ef865518a177f91e4869#wechat_redirect
[Link 7]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwOTcyNzA0OQ%3D%3D&chksm=80d32026b7a4a9307215ed58b8f68fbf89774fb61ee6a20b37b29b847e40c1bd389b75b70ffe&idx=1&mid=2658974976&scene=21&sn=989b677f4865551c0ea90748e1e3c219#wechat_redirect