【数字存储完全指南系列】 01：储存设备的诞生与历史（上）

我们希望通过最简洁通俗的描述，带领大家了解信息储存设备的基本原理，知道那些复杂的参数，如何挑选购买适合自己的存储设备，又是如何更好地使用，更安全稳定地保存我们的数据，以及未来我们能够用上什么技术。 【另本系列虽然与 aigo 联合发起，但所有内容不涉及任何品牌指导或要求的商业营销】。

从宇宙大爆炸开始，信息不断产生而又转瞬即逝；当某个原始人将自己被火熏黑的手掌按在岩壁上，便主动存储下了属于人类的第一份信息。人类不断增速的发展，离不开越来越成熟的信息储存读取手段以及越来越先进的存储设备，它们让我们能够稳定地继承先人的知识，储存我们大脑放不下的信息，更好地工作、娱乐、生活，并将我们这一代的成果传承给下一代。随着数字时代进入成长期，与数字信息打交道占据了我们生活越来越多的百分比，而信息的储存设备也变得越来越复杂多样。

本系列文章就是为了帮助你了解信息世界的储存（亦作存储，下同）设备而生，系列将分成过去、现在、未来三部分，用大约十几篇文章，15 万字左右的篇幅，让你了解信息储存设备的基本原理，知道那些复杂的参数都是啥，如何挑选购买适合自己的存储设备，又是如何更好地使用，更安全稳定地保存我们的数据，以及未来我们能够用上什么技术。【我想实现的最好的目标就是，把这个系列打造成中文区想要了解购买使用储存设备的朋友必看，而且能够毫无难度地理解并打开整个储存设备的新世界大门】。

储存设备大合集

提示：本系列的内容老少皆宜，其中购买与使用部分以家用和小型商业用途为基础，大家可以根据自己的用途和侧重点来看相关的部分，而不用担心某些内容太复杂或者不适合自己，看自己想要知道的就行。部分页面失效可以复制网页链接去 Web Archive 查看历史版本。

感谢 aigo 爱国者为为本系列文章提供部分设备。未注释图片来源于 Unsplash 等免费图片分享网站。

好了，接下来我们即将开始正文内容，第一章我先带你来了解一下储存设备的基本历史进行热身，看看那些属于不同时代回忆的储存设备都是怎么工作的，又有哪些设备能勾起你的情怀追忆。

桌面上的磁带与 CD 机

■■ 从远古时期开始：挑选储存介质的原则

还记得我们开头说的岩壁上的手掌印吗？人类从远古到现在，除了数字设备以外常用的储存数据介质（石头、绳子、金属、动物骨头、竹子、蚕丝、纸张等），主要储存方式基本都是刻和印，这主要是时代技术的限制，不过也能看出即使条件简陋，人们对信息保存的要求都非常类似，即使到现在也差不多，根据实际经验我们可以总结一下通常挑选储存介质的原则：

材料坚固容易保存：身处信息大爆炸时代的我们可能不会想到，在储存设备和储存方式稀少的年代，一般人只有最重要的信息才会使用介质保存下去，所以通常人们都会选择身边最结实的东西，这也导致了直到纸张和墨水出现前，很长一段时间内储存介质的修改是比较困难的。

龟壳拓印下来的内容

▼ 储存信息鲁棒性强：鲁棒性其实就是健壮性，也就是储存介质将信息储存下来之后，能否在一定条件的干扰下保持信息的完整。以前的存储介质一般都不强调要反复修改，储存信息时就宏观改变了介质的性状，加上之前的储存介质一般都比较坚固，这样其实鲁棒性相对现在的设备来讲非常好，比如石头上的刻痕可以历经风霜千万年，即使是看起来脆弱的纸张，也能保持千年不腐。

甘肃天水放马滩 5 号墓出土的纸地图，来源：每日甘肃

后来随着时代的发展，信息的类型还有形式越来越多，所以对存储设备介质的要求也越来越多：

▼ 数据容量/材料性价比高：这点自不必说，随着数字信息的使用越来越广泛，只有容量/材料性价比足够高的储存介质，才能被更多人去使用，从而促进对应存储介质的研究发展，形成良性循环。近几年随着科学技术的发展，储存介质的性价比越来越高，从我们以前讨论的每 KB （使用）成本，每 MB 成本，到现在已经可以讨论每 GB 甚至每 TB 成本，都要归功于科学技术的飞速发展。

比如 aigo 爱国者这块 1T 的移动硬盘每 GB 成本只有 5 毛不到

▼ 可以反复修改数据/修改数据的成本低：这也是现在储存介质的基本要求，毕竟信息爆炸的时代已经不像从前，重要信息一次写入介质，其他人只能通过「只读」的方式「访问」信息。比如我们整个虚拟互联网世界，都是靠这些实体的储存设备来维持数据，互联网时代每个人每天都在产生修改删除大量的信息，一个修改数据成本低的储存介质，带来的好处是显而易见的。

▼ 维持数据完整性的成本低：反复擦写难度越低的储存介质，一般维持数据完整性的难度都会变高，比如我们常见的声音模糊不清的磁带、关机就会丢数据的内存、年代久远的软盘没有数据等等，所以现在很多储存介质都是在反复擦写难度和保存数据完整性难度之间取一个平衡。

512MB 的 U 盘已经没办法读取了

▼ 易读取/高随机读取性能：这也是数字时代对储存介质提出的新要求，毕竟之前人类对超出自己能力的信息读取性能要求不大，同时给书本加上目录这种方法也已经能够满足人类自己的随机读取要求，而计算机的出现在某种程度上碾压了人类的大脑，而处理器的速度越来越快，我们同时也需要不断寻找能够配得上处理器速度的储存介质。

运行内存 RAM 的速度，以后可能会变成我们的储存设备

等等等等……

其实储存介质的挑选原则用一句话来总结就是：便宜耐操可持续。由于时代科学技术的限制，以前的存储设备一般都只能满足小部分原则，而现在的储存设备，很多都已经能够满足上面提到的大部分原则。而除了储存介质，数据储存的方式也在不断的变化，从以前主要是实物上刻和印，到现在声、光、电、磁等多种方式应有尽有，未来甚至还能真正实现用生物的方式将信息真正「刻进 DNA 里」。

■■ 改变时代：打孔纸带出现

你或许见过网上卖的那种小玩具：一个可以换歌的八音盒，只需要插入不同的打孔纸带，就能演奏出不同的歌曲。就是这些不起眼的甚至有一些简陋的打孔纸带，却是人类迈入信息时代的一个里程碑。

可以换歌的八音盒

早在 17 世纪，第一次工业革命之前几十年的 1725 年，由于农业革命促进生产力的发展和市场的解放，人力的方式已经不能满足市场以及多种方面的需求，人们（主要是那个时候的资本家们）迫切需要让机器自己动起来。有需求自然就有人解决需求，1725 年一个纺织工人 Basile Bouchon 就天才般想到了可以把工作流程数据用打孔纸带记录，然后将纺织机的提针与一个读取结构连接，打孔纸带通过读取结构时，用纸带上有没有小孔来控制提针的提起和落下，从而实现半自动织布，这也是我们现在看到的织布机结构的最初原型。

现在看起来很容易懂，当时却是非常精妙，图片来源：Deutsches Technikmuseum Berlin

打孔纸带出现的意义非常巨大，虽然仍然是刻印类的储存方式，它不仅是人类第一次尝试将储存读取设备应用到工业化中，这种类状态机的思路也为后来设计信息储存设备的大佬们提供了思路，比如后面出现的打孔卡片甚至磁鼓储存器等，直到后面机械硬盘出现前还广泛用于各个行业。

相关文献：
[1]. 那个年代还没有现代专利系统，要了解更多相关知识的小伙伴可以看看这篇 ECMA 打孔带数据交换标准 查看链接。

■■ 硬盘的雏形：磁鼓储存器

接下来我们看看储存设备历史上另一个重要的发明。时间跳到 1932 年，Gustav Tauschek 在奥地利发明出了现代硬盘的前身：磁鼓储存器，利用我们初中就学过的磁生电与电生磁现象巧妙地实现了对数据的储存读取。
先来看一下它的结构：

磁鼓储存器的结构

如果之前已经了解过机械硬盘原理的小伙伴，就会发现磁鼓储存器的原理和机械硬盘已经非常相像了。中间那一条圆柱形就是储存数据的地方，周围那一圈圈的就是很多个磁头，圆柱形的外表有一层铁磁材料，圆柱体就是磁鼓筒（相当于机械硬盘上的盘片）会不断旋转。

想要读取或者写入某个数据的时候，只需要等待磁鼓筒对应区域转到对应磁头底下，磁头通过磁生电感应底下区域的磁性，或者通过不同电压改变底下区域的磁性来实现读取或写入信息。

看看实物的照片就更加容易理解了，原视频 Youtube@TilTuli

相比起之前刻和印的方式，磁鼓储存器创新性的采用了磁性的方式储存信息，比起之前的存储设备，由于磁头的顶端可以做到只有针尖般大小，磁化的区域非常小，所以整个磁鼓筒可以塞下密度非常高的数据。

高密度的存储磁鼓储存器的容量来到了惊人的 62.5KB，而且由于中间磁鼓筒可以转得很快，读取速度也非常可以（型号 USSC90，磁鼓筒每秒能转 300 圈，最高能够达到 60KB/s 的读写速度，相当于一秒就能够把自己全部的容量读一遍）。对比起之前出现的储存设备，这个简直可以说是质的飞跃，能够满足科技进一步发展的需求。也是因为如此，之后大部分储存设备的原理都向光、电、磁能够精确改变微小区域的方式发展。

其实，作为一项可以说是跨时代的发明，磁鼓储存器的出现其实是比较晚的，甚至晚于我们接下来介绍的磁带。这中间还有出现过水银延迟线、等其它储存设备。虽然速度很慢，容量很小，但是为人类科技发展的「飞轮效应」跨过了最初的困难。

相关文献：
[1]. 对这项改变世界的发明感兴趣的小伙伴可以阅读 Gustav Tauschek 本人 1932 年的磁鼓储存器专利 查看链接。
[2]. 一个很有代表的磁鼓储存器型号：USSC90，这是它的参数和原理介绍 查看链接。
[3]. 动图截取自 Youtube@TilTuli 的视频，大家可以看看完整版，点击「1950's Early mechanical "Direct Access" Drum Memory Storage」观看 查看链接

■■ 时代的记忆：磁带与黑胶唱片

前面所介绍的储存设备，可能我们都不是非常的熟悉，甚至于我们家里的长辈也都不太熟悉。但是接下来介绍的这两个设备，那一定是很多人青春的回忆了。它们都曾经是全世界音乐最流行的载体，但最后一个变为音乐爱好者的珍宝，一个却至今仍然是商业领域热门的储存设备。

■■ 黑胶唱片

作为一个 90 后，相信同龄人和我一样，通常只能在影视剧里面看到这些顶着大喇叭的留声机和黑胶唱片机。最近怀旧风潮兴起，可能大家也会在视频网站看到一些 UP 主分享一些新式的黑胶唱片机。

Victor 系列经典的造型与特色的大绿盘

唱片店里面的黑胶播放器

黑胶唱片作为最主要的储存介质，统治了整个 20 世纪的音乐界。留声机作为一种简单的机械设备，最初它不用插电（转盘转动的动力来自于上弦），通过震动直接将声音传导到喇叭放大发声，唱片本身也只是一个简单的塑料片，简直就是便宜耐操的典范。

▼ 黑胶唱片的原理也是一个学习模拟信号基础的经典例子：

▼ 保存声音：录制机器使用各种方法（振膜传递振动等）驱动一个录音头（就相当于一个小刻刀），录音头在平滑的旋转乙烯基盘片上根据声波振动不同左右震动，刻出一道道深浅不一的同心圆凹槽，直接代表连续的声音变化，凹槽左右边的不同波浪就代表了左右声道的声音变化。

这个录音设备一看就非常直接，图片来源 ：谷歌艺术

▼ 读取声音信息：唱头上面的针用一定的压力压在唱片的特定位置上，同心圆凹槽左右两边不同的起伏，会让整个唱臂左右摇摆不同的幅度，唱臂里面的电磁铁就会产生不同的电流，放大器放大声音信号并驱动喇叭发出声音。

显微镜可以看到唱针是怎么通过凹槽读取声音的来个动图，图片来源：Youtube@Applied Science

就是这么简单直接的一个模拟信息保存传输方式，让音乐不再是贵族们的私人专享，普罗大众从此也能够享受到音乐的愉悦，促进了流行音乐的发展，无数经典的歌曲通过黑胶唱片永久保存下来，让 21 世纪的我们也能够听到 20 世纪的天籁之音。

经典专辑的黑胶唱片

经过多年发展，黑胶唱片的材质，尺寸和录音读取方式越来越多样，音频质量也在不断提高，甚至索尼与铁三角等厂家还生产并不断更新数字黑胶播放器。直到现在，很多歌手也会为自己的专辑出一张黑胶唱片用作纪念，同时黑胶唱片仍然被部分音乐爱好者追捧（最近美国销量甚至超越 CD，2021.06，MRC Data），折腾不同的设备和唱针就是为了追求那充满时代特色的温暖声音和爆豆声。

索尼的数字黑胶播放器

周杰伦的专辑黑胶版