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英特尔、IBM均靠它发家,存储技术是如何发展起来的?

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-06-11  来源:网络  作者:游客  浏览次数:664

今天,无处不在的科技,都离不开网络、计算和存储。其中信息存储的发展历史最悠久,堪称万年进化史。关于电脑三大件,人们总是在说“CPU主板显卡”,但是每个位置都是无可替代的,这也是不争的事实,存储文件的介质一直是机械硬盘作为主导,近几年慢慢变更为固态硬盘,那内存作为主板上一条插着的“电路板”,到底经历过什么样的发展呢?

今天,科技拾遗就带大家探寻内存的发展史。

2006年5月1日,德国半导体巨头英飞凌(Infineon)分拆了内存事业部在纽交所上市,股票代码叫做Qi。官方说Qi有两个意思,一个是中文的“气”,代表流动的能量(Energy Flow);另一个意思是它的发音,念作Key,表示开启世界的钥匙。

奇梦达内存芯片,图片来自网络

这家拥有如此哲学名称的公司叫做奇梦达(Qimonda),相信今天很多硬件爱好者都不知道这家公司,因为这家曾今位列世界第二的内存公司,仅仅存活了三年。

其实,各大半导体巨头拆分内存事业部在业内有着悠久的历史。从1999年开始,排名世界第三的韩国现代半导体强制收购了LG半导体;日立和NEC合并了其内存部门产生了尔必达(Elpida);IBM退出和东芝合资的Dominion从而退出内存业务;刚刚完成收购德州仪器(TI)内存部门的镁光(Micron)也是在1999年正式进入大陆市常

为什么各个电子巨头都纷纷剥离自己的内存业务呢?

因为内存价格波动巨大,而且经常是亏多赚少。上市母公司和投资者可不喜欢财报上面的盈亏幅度过大的。但是内存的核心技术和不定期的庞大利润,又让巨头们不愿意完全放弃这项技术,所以只能名义上剥离,但实际暗地控制。简单来说,内存芯片的性质和大宗商品类似,属于通用原材料,价格由供需决定。而内存就是电子行业的石油,几乎每个产品都需要。

从人类文明诞生以来,人类就一直在寻求能够更有效存储信息的方式,从4万年前的洞穴壁画、6000年前泥板上的楔形文字,到今天普及的SSD/闪存,再到对量子存储、DNA存储技术的探索,脚步从未停止。

远古时期的楔形文字,图片来自网络

那么,内存是如何发展到如今这个高度,导致所有电子产品都必须依赖它呢?它又是如何一步步走到现在的高度呢?

改变数据处理的第一步

在19世纪的英国,有位著名的数学家查尔斯巴贝奇,在1812年初次想到可以利用机械来计算数学表,也就是“可编程计算器”,于是在1834年到他去世的1871年期间,一直在试图建立一个叫“分析机(Analytical Engine)”的东西,而分析机实际上就是现代计算机的前身。就是利用打孔卡,作为分析机的只读存储器,而这种世界上最早的可编程计算器可储存相当于现在675个字节的信息。

而后一个名叫赫尔曼霍列瑞斯的教授想到,如果使用打孔技术进行数据统计,那么会节省非常多的时间和人力成本,并且这种方式相较于人为统计来说更加不容易出现失误。在美国人口局工作过的霍列瑞斯首先把穿孔纸带改造成穿孔卡片,以适应人口数据采集的需要。由于每个人的调查数据有若干不同的项目,如性别、籍贯、年龄等等。他把每个人所有的调查项目依次排列于一张卡片,然后根据调查结果在相应项目的位置上打孔。

例如,穿孔卡片“性别”栏目下,有“男”和“女”两个选项;“年龄”栏目下有从“0岁”到“70岁以上”等系列选项,如此等等。统计员可以根据每个调查对象的具体情况,分别在穿孔卡片各栏目相应位置打出小孔。每张卡片都代表着一位公民的个人档案。于是,1888年,世界上首个使用打孔卡技术的数据处理机器-自动制表机诞生了。

赫尔曼霍列瑞斯和他的自动制表机,图片来自网络

这项发明在1900年的美国第三次人口普查中获得了全面应用,平均每台机器可代替500人进行工作,仅耗时1年时间就完成了美国的人口普查工作,要知道在1880年的美国第一次人口普查可是耗费了七年半的时间。

虽然霍列瑞斯发明的并不是通用计算机,除了能统计数据表格外,它几乎没有别的什么用途,然而,制表机穿孔卡第一次把数据转变成二进制信息。在以后的计算机系统里,用穿孔卡片输入数据的方法一直沿用到20世纪70年代,数据处理也发展成为电脑的主要功能之一。

赫尔曼霍列瑞斯创立了IBM的前身,图片来自网络

而这台机器的发明者赫尔曼霍列瑞斯依托自己发明的制表机,“下海”创办了一家专业制表机公司,但不久就因资金周转不灵陷入困境,被另一家CTR公司兼并。1924年,CTR公司正式更名为“国际商业机器公司”,也就是我们现在所熟悉的IBM,专门生产打孔机、制表机一类产品。而诞生于1888年的这台机器则被后人称之为IBM机。

乔布斯只是站在了巨人的肩膀上

IBM机在全世界百货大楼、电气公司、药品公司、钢铁厂、铁路公司的大放异彩,人们开始意识到数据的储存和统计中蕴含着多大的商机。随着第二次技术革命落下帷幕,电磁技术得到广泛的应用。这也给储存技术带来了翻天覆地的变化。

1932年,奥地利IT工程师Gustav Tauschek发明了-“磁鼓存储器”。这也是世界上第一个被广泛使用的计算机存储器。虽然这种存储器在1932年被发明了出来,但是经过20多年的时间,这项技术才被广泛应用。在“磁鼓存储器”被发明的后十年中,还有一些其他类型的存储器被世界各地的科学家发明。

最早磁鼓存储器的模型,图片来自网络

比如德国工程师Konrad Zuse发明的Z3计算机,就使用了机械滑动金属存储器,而Z3则被称之为世界上第一台“图灵完全”的计算机(一种可不受存储容量限制的遐想计算机)。而被称之为世界上第一台计算机的阿塔纳索夫-贝瑞计算机,则使用电容器列阵配合两个旋转鼓,进行打孔计算,与打孔板相同存储解决方案。而著名的ENIAC计算机利用汞和镍构成水银延迟线存储器。

世界上第一台计算机阿塔纳索夫-贝瑞计算机(复刻版),图片来自网络

到了20世纪50年代,由水银延迟线、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓、磁芯等设备,构成了最早期的电子计算机的主存储器。

磁芯存储器是另外一个广泛采用的存储技术,也是现代计算机主存储器发展的第二个重要的里程碑式的技术。尽管大多数人认为,这项技术的所有关键部件直到1951年才被开发出来,但是实际上,这所有的想法都要追溯到1949年,麻省理工学院的Jay Forrester首先在他的硕士论文中首先提出了这项技术的构想。

与此同时,美籍华裔科学家王安博士,也提出对磁芯存储器的研究稍微不同的看法。磁芯存储器对核心的最基本的原理,就是使用了一个“磁芯”,磁芯在导线上流过一定电流下会被磁化或者改变磁化方向,就产生了两个完全不同的结果,这就可以作为0和1的状态来记录数据。在20世纪60年代到20世纪70年代初,全球90%以上的电脑都开始使用非易失性磁芯存储器技术。

最早的磁芯存储器都是以绳结形式呈现的,图片来自网络

这种磁芯存储器,可以在没有电源的情况下无限期的保存计算机上的数据内容,并且也相对不受EMP和辐射的影响。这个重要的特征构成了第一代工业可编程控制器,使其在军事装置和战斗机等航空航天领域得到广泛的应用。例如IBM AP-101B飞行计算机最初使用的磁芯存储器,即使在1986年挑战者发射失败解体后,其控制数据也能得以保存。这也就是我们现在所熟知安装在航天器上“黑匣子”的雏形。

磁芯存储器的应用催生了黑匣子的诞生,图片来自网络

而在家用电脑的应用上面,磁芯存储器的发挥同样优秀。早期的磁性存储器的在性能提升上的有着非常大的作用,就连苹果第一位员工Bill Fernandez在接受采访时说:“当时我和乔布斯的梦想就是得到一块老式磁芯存储器,那是最早的电子内存。如果我们得到它,那么我们就可以组装自己的计算机了!”

年轻的乔布斯和他的Apple I,图片来自网络

从上面的采访对话中我们可以看出,在那个年代,磁芯存储器对于乔布斯这样的创业者有多么的重要,他们想:谁能得到它就能得到全世界。

而事实也确实如此,在之后的个人电脑领域,苹果的好口碑和超高的性能得到市场的认可,时至今日它依旧是改变世界的科技公司,而乔布斯更是被科技圈的从业人士亲切的奉为“乔帮主”。但这一切的背后,全部都是因为受磁芯储存器而影响,而设计出来的Apple II的一炮而红,从而也彻底让千万家庭打开大门,迎接个人电脑的到来。

兵家必争之地

随着乔布斯和他的Apple II取得巨大的成功,让许多半导体制造商意识到了存储器技术对于个人电脑的重要性。作为存储器鼻祖的IBM自然不能让自己发家的战场让别人占据。Apple II的爆红则直接让后来的存储技术也从最开始偏重数据存储转向了提升计算机性能,也就是我们后来说的计算机内存技术

一炮而红的Apple II,图片来自网络

1966年IBM Thomas J. Watson 研究中心的Robert H. Dennard发明了动态随机存取存储器(DRAM),也就是我们现在所熟知内存条雏形。它可以与CPU直接交换数据,并且具备超快的读写速度,这在很大程度上提升了计算机实时运行的工作效率和运算量,与磁芯存储器不同的是,它无法在断电后继续保存数据,其设计的初衷就是为了提升计算机的实时读写速度。这项技术在1968年由IBM申请了专利。

虽然IBM将这项技术发明出来,可是其昂贵的成本是个人计算机用户无法承担的。就在这时,一个由四个仙童半导体的“叛逃者”创立的小公司跳了出来,凭借着每bit存储只要一美分的DRAM产品,从巨头IBM手中抢夺市常这个产品则是 i1103 1kb内存芯片,其背后的制造商就是我们现在所熟知的芯片巨头:Intel!而这款划时代的内存产品,则为Intel赚取了公司成立以后的第一桶金!

i1103内存芯片为Intel赚取了第一桶金,图片来自网络

后来随着时代的发展,三星、镁光、金士顿等新兴内存厂商不断涌现,加速了个人电脑内存发展,我们手中的电脑也从最开始的512M内存,变成了32GB和64GB。超大的内存容量使得个人PC和主机可以运行更多更复杂的运算任务和游戏,从而催生出了基于电脑的各行各业。

小探不禁在想,达尔文的进化论讲究生命为了适应环境而产生进化,那么科技是否如此呢?一百多年前的查尔斯巴贝奇和赫尔曼霍列瑞斯可能从未想过,自己基于统计学所研发出来的技术,在一百年后会彻底改变人类的时代进程,让科技随着时代的潮流自由“进化”或许也是大自然的抉择。

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