计算机存储器发展史(三)
磁记录存储器(下)
2、硬盘
上世纪50年代,IBM基于磁鼓存储器技术,将鼓形外表面磁介质存储,发展为圆盘式磁介质存储,将单位面积和体积存储密度大大提高。
1956年,第一个硬盘驱动器型号350RAMAC,安装在IBM的RAMAC 305计算机上。RAMAC305也是第一台提供随机存取数据的计算机,同时还使用了磁鼓和磁芯存储器。这个驱动器约有两个冰箱大小,重达一吨,包含50个直径为24英寸的盘片,存储5M的信息,数据传输速度10Kb/s。

世界上第一个硬盘驱动器350RAMAC
以RAMAC为基础,IBM研发了温切斯特(Winchester)技术,于1973年研制成功了一种新型的硬盘IBM 3340,采用两片介质,每片存储容量30Mb。克服了RAMAC体积过于庞大,性能低效等缺点。
温切斯特(Winchester)技术:将磁头、盘组、定位机构以至主轴电机密封在一个盘盒内构成盘片+磁头与头臂组合件,大大减少灰尘污染,降低磁头浮动高度;采用小尺寸磁头,磁头与介质之间通过气垫小浮力浮动,将集中加载方式改为接触启停方式,介质涂覆润滑剂,消除了磁头加载对盘面可能造成的冲击,减少头面间隙而提高记录密度;将写放大器、读出前置放大器和磁头选择开关等集成化并前移安装在磁头臂上,改善了读写信号的高频传输特性。

温切斯特硬盘
IBM 3340温切斯特奠定了现代机械式硬盘的基础,现在的所有机械式硬盘都是从温切斯特硬盘技术衍生出来的。
1979年IBM发明了薄膜磁头技术,并推出了第一款采用薄膜磁头技术的硬盘IBM 3370。该技术显著地减小磁头和磁片的距离,增加数据密度。进一步减小硬盘体积,读写速度更快,容量更大。

应用了薄膜磁头技术的硬盘
IBM 3370使用了七个14英寸盘片,存储容量571Mb。
1980年Western Digital推出第一款5.25英寸的硬盘ST-506,硬盘容量为5MB,这是首款面向个人用户的硬盘产品,Western Digital前身为General Digital,由两位IBM的前员工于1970年创建,1971年更名为Western Digital。

首个5.25英寸温彻斯特硬盘
1982年Western Digital推出了业界首个单芯片"温彻斯特"磁盘控制器—WD1010,为现代商用硬盘的普及打下了基础。
1984年Western Digital为IBMPC/AT制造出首个温彻斯特磁盘控制卡,使个人电脑可以接入小型化的5.25英寸温彻斯特硬盘。
1991年IBM推出了0663Corsair硬盘,这是首款采用感应式薄胶片磁阻(MR)磁头的磁盘,有8个直径为3.5英寸的盘片,存储容量可达1Gb,是现在3.5英寸硬盘的先驱。0663Corsair是第一款突破1Gb容量的硬盘,从此单盘容量进入GB数量级。
1988年,法国格林贝格尔在尤利西研究中心研究并发现巨磁电阻效应,格林贝格尔因此获得2007年诺贝尔物理学奖。
1997年IBM推出首个采用巨磁阻磁头(GMR)的磁盘—Deskstar16G PTitan,在三个直径为3.5英寸的盘片上可达到16.8Gb的存储容量。巨磁磁头相比MR磁头更加敏感,相比MR磁头能够达到3~5Gb每平方英寸的存储密度,GMR存储密度可以达到10~40Gb每平方英寸,存储密度提高了8倍。

巨磁阻磁头组件
1998年IBM推出Microdrive(微磁盘),一个单一的1英寸盘片的容量可达340MB,这是当时世界上最小的磁盘。
在此之前,硬盘采用的都是LMR技术,称为水平磁记录技术。
超顺磁效应(Superparamagnetic Effect)限制了LMR技术下可用硬盘的大小,就是当磁盘存储介质表面上纵向的每个(沿着介质表面水平方向)磁颗粒区之间距离变得太小时,磁颗粒之间将相互影响,使之不能在室温下保持磁体区的正确方向,超顺磁效应是LMR(水平记录技术)表面磁介质记录难以突破的物理限制。

LMR和PMR记录技术
2004年年底东芝发布的1.8英寸MK4007GAL硬盘是业内首款采用PMR(垂直记录技术)的硬盘,存储密度为133Gb每平方英寸突破了到达LMR磁记录极限的技术。
2005年10月Seagate也发布了采用PMR技术的Barracuda 7200.9硬盘系列产品。
2007年,日立推出了全球第一款突破TB级容量的硬盘,采用5碟片,单碟容量200Gb, 转速7200rpm,缓存32Mb.2012年有了第一款4TB硬盘。同年,Western Digital和Seagate也相继推出1Tb硬盘,机械硬盘进入1Tb时代。
在此之后,Western Digital和Seagate均在研究如何在磁介质表面写入数据的时候降低矫顽力,进一步提高磁盘存储密度,HAMR热辅助写入是一个可用技术,而其实IBM早在1953年就对此有研究。HAMR就是利用一束接近居里点温度(138℃,磁性材料永久失去磁性的温度)的特定波长的激光,去加热磁存储介质,从而在写入数据的时候降低矫顽力。
Western Digital于2013年底展示过一块2.5寸的HAMR硬盘,2015年Seagate也有类似研究结果。
HAMR热辅助技术面临的问题是需要全新结构的磁头及激光辅助组件、新的存储介质材料、与现有磁盘标准的兼容性等等,由于采用电磁和激光技术,其实是磁光记录技术,几乎是全新架构的磁盘体系。
2017年10月Western Digital(西部数据)宣布了全新的革命性存储技术"微波辅助磁记录"(Microwave-Assisted Magnetic Recording),简称MAMR。
这是Western Digital多年来研发的(MAMR和HAMR)两种能量辅助存储技术之一,技术核心是"自旋扭转振荡器"(Spin Torque Oscillator),通过它产生微波,提高超高密度下数据存储的可靠性,同时能保证足够的稳定性。MAMR技术是利用微波取代HAMR里的激光来作为辅助媒介,可以承袭现有的PMR垂直记录存储技术,目标4Tb每平方英寸。
在MAMR和HAMR尚未商用之前,为了进一步提高PMR(垂直记录技术)硬盘的容量,各厂商陆续采用了SMR叠瓦式记录技术,就是将磁轨迹部分重叠,类似屋顶的瓦片相互之间搭边叠层。

SMR叠瓦式记录技术
随着半导体技术的发展,2010年SSD固态硬盘逐渐走向市场,容量不断上升,价格不断下降,已经可以在某些方面与机械式硬盘争锋。在移动设备上,已经是SSD固态硬盘的天下。
3、软盘
1967年,IBM公司推出世界上第一张软盘,直径32英寸。
1971年,IBM的Alan Shugart领导的小组开发了只读的8英寸软盘,存储79.5Kb的数据。1972年Alan Shugart帮助Memorex公司推出了第一款可读/写的软盘Memorex650,容量175Kb。1976年,该小组又开发出5.25英寸软盘。
1979年索尼开发了3.5英寸软盘,容量为875Kb,到1983年时容量达到1.44Mb,并成为市场标准。

8英寸、5.25英寸、3.5英寸软盘

3.5英寸软盘驱动器与软盘
从1971年直到20世纪90年代的近三十年内,软盘一直被用于存储和交换数据。
软盘是中最早使用的可移动存储介质。