大科技杂志社官方网站

新浪微薄腾讯微薄

最新碎语:想象力比知识更重要

您的位置:大科技杂志社官方网站 >科学之谜> 信息存储的万年进化史

信息存储的万年进化史

信息存储对人类很重要。信息存储越发达,对我们认识周围的世界就越有帮助。自文明诞生以来,人类便开始想尽办法安全地存储信息,并且一直在进步,尤其是在最近一百年中,人类获取和存储信息的能力已经实现了巨大的飞跃,更多信息被数字化,大部分信息都被妥善地保存于各种存储设备里。

在我们的印象里,似乎纸张才是信息存储的开始。但实际上,信息存储的演变可以追溯得更远,甚至可以追溯到第一个开始思考的人类。

0.jpg

大脑:最原始、最强大的存储器

在各种存储设备没“出世”之前,大脑充当了最原始也是最强大的自然数据存储设备。我们的大脑不仅能够存储海量信息,而且还具有非常强的可塑性。至今在某些方面,仍没有一种存储设备能够与人类的大脑相媲美。可以说,大脑——“联合的数据宝库”,给时代之间的口耳相传提供了最佳的存储空间。

不过,大脑也有显而易见的缺点,那就是不大稳定。许多因素都可以影响到大脑的存储或者说记忆功能,比如身体状态、年龄,甚至周围的环境。所以,人类仍需要在发展存储设备的道路上不断前进。


岩画

在旧石器时期,也就是距今大约250万年的时候,人们开始利用天然的岩石作为载体来记录有用的信息。起初,祖先们只是在岩壁上记载所见到的动物形象,传递了相对简单的信息,但到了旧石器晚期和新石器时期,他们已经开始利用光滑的岩壁记录更为复杂、更为具体的信息,比如民族或者部落的生活场景、战斗场面、祭祀活动等。而且,这种利用岩石来储存信息的方式,几乎得到了史前时代各地区人民的积极响应,岩画遍及世界各地,哈萨克斯坦、西班牙、法国、英国、撒哈拉等地区都出现了含有珍贵史前信息的岩石壁画。

相比大脑,岩画存储具有更好的稳定性。由于洞穴内部的湿度、压力与温度等很少发生变化,所以,即使过了几千年,岩画也能保持完好。另外,利用大脑的记忆来存储信息,有时难免会发生信息中断的现象,一时想不起来是常有的事,但利用岩画,就不大会发生这种现象了。


泥板和石板

然而,岩画有个致命的弱点,就是移动起来十分困难。于是,人们又开始制造新的存储工具。

我们知道,两河流域的古文字是当今世界已知的最古老的文字之一,由古代的苏美尔人创造。而苏美尔人所居住的地区位于两河流域下游的冲积平原,那里盛产芦苇和黏土。很快,苏美尔人便发现,黏土制作的泥板是很好的书写工具。把芦苇杆削尖,就能随便在未干的泥板上写写画画。而且,他们还可以将泥板晒干或者烤干后保存起来。所以,泥板很快被大家所接受。这些刻有文字的泥板是人类历史上最早的“泥板之书”,而黏土泥板和芦苇笔是苏美尔人极富特色的古代文具。

除了泥板之外,平整的石板也是可用来存储信息的工具,像古埃及人就会将一些重要事件刻在石板上。纳美尔石板是埃及王朝一块著名的石板雕刻,它记录了埃及长老统一埃及的伟大业绩,是迄今为止所发现的人类最古老的历史纪实性石刻。因为泥板和石板都可以移动,所以,泥板和石板存储很快迎来了一个鼎盛时期。

不过,虽然比起岩石洞壁,泥板和石板更容易移动,但它们也不是十分理想的信息存储设备,因为它们还是过于沉重。所以,必须寻找其他方法来弥补泥板和石板的缺陷。

我国古代人民最早使用的是结绳记事法,即用绳子来记录有用的信息。文字发明出来之后,我国人民又利用甲骨作为记录信息的载体。后来也利用过竹片、木片、缣帛等。木片、竹片虽然比石板轻,但也比较笨重,而缣帛又太贵。于是,纸应运而生。


纸莎纸和白纸

在我国的造纸术传入西方之前,希腊人、腓尼基人、罗马人等用的是古埃及人发明的纸莎纸。这种纸的原料叫做纸莎草,是一种水生的植物,直立、坚硬、高大,像芦苇一样在浅水里生长。纸莎纸曾历经3000年而不衰,直到8世纪,我国造纸术传到西方,他们才开始使用白纸。

白纸一出现,便受到了众人的追捧。19世纪之前,它一直都是最主要的信息存储载体。同时,白纸也是人们最愿意接受的信息存储方式,因为它价格低廉,又便于携带。


穿孔卡片

穿孔卡片是一种由薄纸板制成,用孔洞位置或其组合表示信息,通过穿孔方式记录和存储信息的方形卡片。它的前身是1725年发明的用于纺织业的穿孔纸带,是一种打孔的条形纸带。1832年,穿孔卡片经过改进,第一次被用于信息存储。

1890年,因为美国的一次人口调查,穿孔卡片迎来了第二次转变。这是美国政府首次发起的人口调查,目的是为几千万美国人登记造册。当时,美国经济正处于飞速发展阶段,人口流动十分频繁,而且,普查项目繁多,统计手段还十分落后。各种不利状况导致此次普查花了7年半的时间。直到快第二次普查的时候,美国政府才知道第一次人口普查的结果。为了改变这种落后的状况,1890年,美国统计学家赫曼·霍列瑞斯首次发明了能被机器阅读的穿孔卡片。然后,他和其他合伙人一起创办了国际商业机器有限公司(IBM)。

在1890年代至20世纪初,穿孔卡片被广泛运用在商业领域。数字计算机出现以后,穿孔卡片又被用来处理计算机程序。可以说,穿孔卡片是早期数字计算机程序和数据的主要输入媒介。不久后一些投票机也逐渐开始使用穿孔卡片。


磁鼓存储器

计算机出现后,信息存储形式发生了很大变化。把信息数字化后再进行存储成为了信息存储的主要形式。1932年发明于奥地利的磁鼓内存是最早出现的一种依靠磁介质的资料存储装置,也是20世纪五六十年代计算机所用内存的早期形式。它利用电磁感应原理进行数字信息的读写。

磁鼓筒是一个高速旋转的精密非磁性材料圆柱,外表面涂抹了一层极薄的磁性记录媒体。按磁头与鼓筒外表面保持间隙的方式,可以将磁鼓分为固定头磁鼓和浮动头磁鼓两种类型,而后者又可以分为静压式浮动磁鼓和动压式浮动磁鼓。采用动压式浮动磁头的浮动磁鼓是磁鼓技术能达到的最先进的水平。

作为一种更新的存储设备,磁鼓“挺”到了20世纪60年代。当更好的存储设备出现后,磁鼓就逐渐退离了“存储舞台”。现在,只有在非常特殊的场合里,才能看到“古老”的磁鼓。


磁带

1951年,磁带第一次被投入使用。这是一种较为传统的存储和备份方式,由带有可磁化材料的塑料袋状物组成,通常被卷起来缠绕在塑料柱上。磁带的存储容量相当于1万张存储卡片。按用途来分的话,磁带可分成录音带、录像带、计算机带和仪表磁带4种。其中,20世纪30年代出现的录音带是用量最大的一种磁带。

因为磁带具有轻便、耐用、互换性强等优点,所以这种存储设备得到了迅速的发展。直到20世纪80年代,磁带都是社会上最流行的备份方式。人们听歌曲、听英语,都离不开磁带。磁带大大风光了一阵子。

不过,随着社会的发展,人们对信息存储的需求越来越多,磁带的存储容量就变成了它的一大“硬伤”。所以,当存储容量更强大的硬盘出现后,它的地位受到了前所未有的挑战。


硬盘和软盘

世界上第一块硬盘是IBM于1956年发明的。尽管这个硬盘的容量仅为5MB,可是它也比当时的主要存储设备磁带的存储量要大得多。不过,这些设备在20世纪六七十年代并不受欢迎,因为它们有着庞大的身躯和高昂的价格。后来随着科学技术的进步,硬盘体积缩小了,价格也变得低廉了,这才逐渐成为服务器及个人计算机的主要部件。20世纪90年代,硬盘成了磁带的可替代品,被用于数据备份。如今,生产硬盘的厂商超过200多家。每年硬盘的营业额能达到数百亿美元。

硬盘在不断缩小它的尺寸,在1998年就进化为早期的便携闪存。这种设备能够存储的数据量是软盘的数倍。并且,闪存不仅是一种寿命较长的存储设备,稳定性也比光盘强许多,更可贵的是,在断电的情况下,闪存仍能保存所存储的数据信息。正因为其断电时仍能保存数据,所以,闪存经常被用来保存设置信息,电脑的基本程序,数码相机都离不开闪存。闪存有许多种类,我们熟知的U盘、相机里的SD卡都属于闪存。

软盘是个人电脑设备里最早使用的可移动存储媒体,也是由IBM公司最先开发出来的,开发时间是1971年。刚开始,软盘还只是一种只读的二进制,大小为8英寸的磁盘,仅能存储80KB的数据。而到1981年,日本索尼公司开发出了3.5英寸,就能够存储1.44MB的数据了。这在当时是很大的一个飞跃。随着硬件加工技术的发展,软盘尺寸变得越来越小,容量也越来越大。之后,直到2000年,软盘一直是计算机必备的存储设备之一。软盘被认为是数据存储史上的一次革命。

不过,软盘的缺点也逐渐在使用中暴露出来。由于读取软盘时,磁头必须接触盘,而不是像硬盘那样悬空读写,软盘难以满足大量、高速的数据存储需要。而且,软盘的存储稳定性也较差,很容易受到外界环境影响,温度、湿度和使用次数都能影响到软盘的使用寿命。虽然科学家竭尽全力试图改变这种情况,但是却很难达到理想的效果。因此,开发新一代的存储设备势在必行。


各种各样的光盘

1980年飞利浦和索尼公司发明了CD,目的是为了取代老旧的软盘。这是一种用于存储数字资料的光盘,存储容量达700MB,相当于数百万字的书籍。

CD的第二次进化出现在1995年,数字多功能光盘DVD的问世震撼了世界市场,它能存储4GB的内容。流行的DVD技术通常采用波长为650纳米的红色激光来进行读写和输入数据。

蓝光,又称蓝光光盘,它利用波长较短的蓝色激光读取和写入数据,并因此得名。2000年,蓝光第一次进入市场,它的出现极大地提高了光盘的存储容量。到目前为止,蓝光都是最先进的大容量光盘,它的容量能达到25G或50G。并且它的记录速度也很快,能达到每秒钟54MB。另外,蓝光光碟还拥有非常坚固的层面,可以保护光碟里的记录层。所以,蓝光光碟既耐脏,又耐磨,可以经受住频繁使用。不仅如此,在技术上,蓝光系统还可以兼容此前出现的各种光盘产品。

蓝光的巨大容量为高清电影、游戏和大容量数据存储带来了可能,在很大程度上促进了高清娱乐的发展,成为了一种前途无量的数据存储设备。


万维网、云和固态硬盘

虽然因特网在20世纪60年代就被发明了出来,但直到20世纪90年代万维网的发明,才使得在线备份成为现实。万维网,又称环球信息网,它只是互联网所能提供的服务之一,是靠着互联网运行的一项服务。万维网让人类拥有了一个世界性的信息库。利用万维网的上网服务,我们能够调用世界上任何地方的信息,现在数据可以远程进行备份了。

尽管万维网已经能存储大量的数据信息,但是这还远远不够。当互联网和计算方法“相亲相爱”后,“云”就出现了,摇身一变成了当代最强大的一种信息存储方式。

这里的云,可不是天上飘的白白的云朵,而是对云服务的一种简称。云服务里的云是对网络和互联网的一种比喻说法。云存储类似于将数据存储在因特网的方式,使得数据能够存储在多台第三方运营的服务器上。简单地说,云存储就是将存储资源放到云上,供人使用的一种方式。使用者可以在任何时间,任何地方,利用联网的装置连接到云服务器上,方便地调用所需要的信息。

计算机和互联网联手打造了新一代强大的存储设备,这使强大的硬盘感觉“压力山大”。为了避免“落后就挨打”,硬盘也进化出了自己的“特种兵”——固态硬盘。

固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘,与传统硬盘技术不同,它通过电荷而非磁来存储数据,成本一般比普通硬盘高。这种硬盘在1978年就已取得了成功和广泛应用,现在又因为它的优点而卷土重来。

固态硬盘采用闪存作为存储介质,且不用磁头,寻道时间几乎为0,所以它的读写速度超快,甚至超过了每秒钟500MB。不仅如此,固态硬盘还防震抗摔,低能耗,无噪音,轻便,并且,它能适用于各种环境。普通的硬盘驱动器只能在5℃~ 55℃范围内工作,但大多数固态硬盘都能在10℃~ 70℃的环境里工作。所以,固态硬盘被广泛应用于军事、航空、医疗等领域。

这种硬盘非常完美吧?谦虚一点地讲,它除了有点贵,寿命也不是很长。


“神级”存储:全息层和量子存储

全息存储是利用光的干涉原理来实现数据记录的一种存储技术。全息存储技术不仅利用介质表面,而且它还利用介质的其他部分来记录,也就是说,它通过在整个介质内记录干涉图案来存储数据。这些干涉图案是由两束激光在特定晶体上相交来改变材料的光学特性所形成的。

与其他存储技术相比,全息存储在容量、速度和可靠性方面都具有非常大的潜力。目前,硬盘最大的容量可达到2TB,而未来,全息存储的容量可高达1000TB(1TB=1024GB),将是硬盘的500倍。而且,由于全息存储是以页作为读写单位,不同页面可以同时进行读写,所以,它的读取速度可能会出现新的突破。一些科学家估计,未来,全息存储可以实现每秒钟1GB的传输速度,以及小于1毫秒的随机访问时间!更吸引人的是,由于全息存储不需要任何移动部件,数据读写均为非接触式,所以其寿命、数据可靠性、安全性都能达到非常理想的程度。在理论上,全息存储几乎可以永久地保存数据。

全息存储看起来非常完美,但未来,在存储界,全息存储并不会“独霸天下”,渐渐兴起的量子存储也将占有一席之地。

量子存储设备主要用于存储量子态的信息,是远距离量子通信与量子计算中的关键部件,有点类似电脑的硬盘和内存条。未来有一天,数据存储设备将会小到连最精密的显微镜也看不到,单个的比特信息将被编码在一个量子级别的机械系统上,比如电子,它将能够被未来的电脑即量子电脑成功解读,而这将是量子存储带来的一场前所未有的革命。

虽然现在已经有许多存储设备值得我们期待了,但是,在社会的未来,存储设备可能会带给我们更多的惊喜。只要社会不断进步,存储设备的发展就一定不会停止,信息存储的进化,没有终点。



---

转载请注明本文标题和链接:《信息存储的万年进化史

分享到:

发表评论

路人甲 表情
Ctrl+Enter快速提交