数字存储,一段悠久的创新历...

数字存储,一段悠久的创新历史

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文:汤姆.库夫林 (Tom Coughlin) 译:张军

人人都是说书者。

每天我们都在为自己以及我们的后代记录和传播所产生的信息、人生观和各种感知,这是人类本性中的一个重要组成部分。随着数字存储(Digital Storage)技术的出现,这些故事已逐渐成为数字故事,包括我们的个人信息、回忆和与他人的互动。但是,除了人和人之间的沟通之外,故事有了新的变化,这包括人与机器之间以及机器与机器之间的相互沟通和持续的对话。

物联网的发展带动了人工智能、工程和科学方面的数据以及其他大数据源的快速增长,使得现在和未来对数字存储出现了惊人的需求。这些新的故事,无论是来自人类还是机器,都在推动我们对数字存储的需求。

同时,人类处理数据能力的增长,也带动对数字存储的需求也随之增长。数字存储技术及产品的开发和制造已经成为一项国际化的行动,而曾经作为世界现代数字存储行业尤其是硬盘驱动器(硬盘驱动器)制造中心的国家,新加坡发挥了举足轻重的重要作用。

伴随硬盘发展的记录历史

数字磁存储技术始于1951年的Univac计算机和1952年的IBM首个型号为726的数字磁带产品。磁带是很好的存储介质,可是数据只能在磁带经过读/写磁头时按顺序被访问。

有别于按记录时间顺序的数据访问,随机数据访问会大大改善计算机的工作效率,从而使它们能够更快地运行。 因此,IBM创建了其第一台硬盘驱动器IBM 350-1,该硬盘驱动器于1955年发布,并于1956年开始供货。该驱动器装有50个 24英寸磁盘,访问时间为600毫秒,容量为若干兆字节。IBM 350磁盘存储是IBM 305 RAMAC系统的主要组件,该系统还包括处理单元,打印机和打孔卡设施。 这台机器占据了一个很大的房间。

从1950年代到1970年代中期,硬盘驱动器只被用于存储在大型昂贵的专用计算机系统中,其价格比主存储器(最初是磁芯或磁鼓存储器,之后为半导体存储器)便宜,但运行速度慢,比磁带机贵但运行速度快。 1973年,IBM推出了IBM-3340 “Winchester” 磁盘驱动器和3348数据模块,其在磁头和磁盘方面的重大改进,影响了之后的许多代 硬盘驱动器。同年, Control Data 推出了使用磁盘组的存储模块设备 (SMD) 磁盘驱动器,该磁盘组迅速成为上世纪八十年代微型计算机市场上使用的主力产品,在这个期间,生产制造硬盘驱动器的公司数目已经增加到40余家。

随着大众化的Intel8080微处理器芯片的问世,个人电脑于七十年代进入市场,由此导致牛郎星(Altair)8800系统和之后的苹果-I、苹果-II、Commodore PET、Atari和TRS-80等电脑的推出。到了20世纪末,尺寸更小的硬盘,如5.25英寸硬盘已推出。 这主要为小型和微型电脑(也称为个人电脑或PC)而设计。

IBM于1981年8月推出其个人电脑产品 IBM PC,它具有将电路板卡插入标准接口 的开放式体系结构,允许第三方创建支持各种附加功能的插卡。IBM第一个型号的个人电脑使用了盒式录音带做为外部存储和昂贵的5.25英寸软盘驱动器。1983年,IBM又推出PC/XT,这台电脑采用了一个10MB的硬盘驱动器来代替其中的一个5.25英寸软盘驱动器,其硬盘驱动器便是希捷(Seagate)制造的ST412。

从1980年代至1990年代,各种接口和尺寸的硬盘驱动器产品层出不穷,以满足更小型电脑以及最终的数字消费产品的市场需求。1983年,苏格兰Rodime公司推出了首个3.5英寸硬盘,这使得人们能够组装出更小的台式计算机。1988年,PrairieTek又推出了专门为笔记本电脑设计的硬盘驱动器,1991年,IntegralPeripherals推出了首个1.8英寸硬盘驱动器,这款产品则被用于超轻型笔记本电脑,并在后来被用于消费电子领域,包括苹果公司2001年推出的首款iPod。1992年,HP推出了1.3英寸硬盘驱动器,用于运气不佳的AppleNewton个人数字助理。1998年,IBM推出了用于移动电子产品的1英寸硬盘驱动器。

在硬盘驱动器的漫长演变中,行业从1950年代后期,售价高达2,057美元/MB,每年数千个磁盘驱动器的行业产量,已发展到2010年每年约6.5亿个硬盘驱动器的高峰。如今,大容量客户在硬盘驱动器上的存储成本已不到0.02美元/GB(20美元/TB)。

图一:市场需求预测

硬盘驱动器存储成本的下降,归功于硬盘驱动器技术的快速发展,这促使单个硬盘驱动器上的数据量不断增加,实现量产规模经济(Economy of Scale)。直到2010,硬盘记录密度(可在磁盘表面的单位面积上写入的数据量)的增加,在很大程度上推动了硬盘驱动器存储容量的增加。2015年和2016年又一次记录密度爆发式提高。这次的记录容量提高是通过更先进的读写头和记录介质技术以及更先进的磁头定位和数据恢复技术所实现的。

不断提升3.5英寸硬盘驱动器记录容量,成为当今硬盘驱动器制造业中最显著的增长领域,硬盘驱动器公司中,西部数据(WD, Western Digital) 于2013年首先采用充满氦气的密封硬盘驱动器的技术。如今,其他两家公司也都将此项充氦技术用于其最高容量的硬盘驱动器产品。与空气相比,氦气中高速旋转的磁盘颤动减少,从而可以使用更薄的磁盘,每个驱动器可以使用更多的磁盘和磁头。

图二:2000-2020年,面记录密度的增长及其年复合增长率

正是在行业高度竞争和整合下,到2021年之前,只剩下3家公司(希捷技术公司,西部数据公司和东芝公司)从事硬盘驱动器的生产制造。希捷、西部数据和东芝2021年初之前,相继推出了通过能量辅助提供更高面记录密度的先进磁记录硬盘驱动器产品。希捷推出20TB的热辅助磁记录硬盘驱动器,西部数据和东芝公司则推出18TB的微波辅助磁记录硬盘驱动器。2021年初,希捷预测将在2026年推出存储容量为50TB的硬盘驱动器。

图三:希捷(Seagate)基于实验室结果的记录密度的预测(2016-2026年)

除了利用能量辅助磁记录来提高容量外,硬盘驱动器公司还计划在2022年至2023年之间将开发双读写臂产品 (Dual Actuator product)用于其最大容量产品,以提高 其性能-容量比。

新加坡推动了硬盘产业的高速发展

硬盘驱动器开始时的产量较小,在欧洲、日本,特别是美国生产。最初,硬盘驱动器的生产是由像IBM那样创建了能够连接硬盘驱动器的大型计算机的公司所制造。到1980年中期,已有80多家公司生产用于大型计算机、小型计算机和个人电脑的硬盘驱动器。特别是在个人电脑行业中,许多公司为满足个人电脑硬盘驱动器不断增长的需求而展开激烈竞争。

在1980年代,由于新加坡政府给予业者具有吸引力的税收补贴和工厂建设的资金补贴,硬盘驱动器制造业开始在新加坡设厂。希捷是第一家将生产转移到新加坡的硬盘驱动器公司,该公司到1982年开启零部件的组装,1983年开始完整的硬盘组装生产。在两年的搬迁中,希捷成为领先的硬盘制造商,大量的来自美国的小型硬盘驱动器公司跟随希捷来到新加坡,开始在新加坡生产驱动器产品,包括1983年的Tandon和ComputerMemories,1984年的Maxtor和MiniScribe,1986年的Micropolis,1987年的Conner Peripherals 和 Cybernex Advanced Storage Technology,以及和1988年的Western Digital。

除了硬盘驱动器公司外,大批零部件公司不断将生产转移到新加坡。可是,新加坡在几轮成功的经济转型中,也带动了劳动力成本和运营成本增长,于是这些公司又陆续从新加坡搬离,而转向具有更便宜劳动力市场的国家泰国、马来西亚、中国和其他亚洲地区开拓业务。

振兴亚洲制造业的前提条件,需要综合政府补贴、受过良好教育的人工、廉价劳动力以及该国基础设施等多方面考虑,以保证零部件产品均由合格的本地公司所生产。在新加坡,由大学和政府支持的实验室以及研发机构形成了先进的教育培训体系,为公司培养满足实现生产目标的合格求职者。因此,到2010年,新加坡的科研机构一直不遗余力地为硬盘驱动器产业提供重要的研究与分析测试方面的强力支持。时至今日,希捷的所有磁盘生产仍然放在位于新加坡兀兰的三个工厂生产,供应全球的市场需求。

新存储技术与磁记录技术的并行发展

如前所述,Univac和IBM在1951至1952年期间开发了磁带式数字存储技术,许多机构仍将磁带存储作为长期保存数据,并作为防止恶意软件攻击的数字存储技术。目前最受欢迎的磁带格式是线性磁带开放协议(Linear Tape-Open,LTO),该磁带现已进入其第9代产品,其原生(未压缩)存储容量高达18TB。这项拥有70多年历史的技术是目前最便宜的存储介质,成本不到0.01美元/GB (<$ 10/TB)。

1987年,东芝发布了NAND闪存。多年来,NAND闪存的价格越来越便宜,假以时日,已逐渐成为消费电子设备中占主导地位的数字存储技术,广泛使用在笔记本和台式电脑中。手机中的非易失性数字存储使用NAND闪存。如同硬盘驱动器一样,NAND闪存必须与管理闪存操作的控制器结合使用,这个组合配置就是通常看到的SSD。

1990年开始,NAND闪存卡带动了消费电子相机行业的发展。到本世纪末,NAND闪存已进入更多应用,包括基于USB的手持存储设备的开发,这项技术迅速取代了曾经无处不在的软盘。新加坡公司Trek 2000 International在2000 CEBIT 国际贸易博览会上推出了其ThumbDrive产品。刚好一家总部位于以色列的M-Systems公司在1999年申请了该产品的美国专利后,也于2000年与IBM合作推出了其USB闪存驱动器。由于闪存价格的下降,人们便开始更换早期音乐播放器中使用的1英寸和1.8英寸硬盘驱动器,并推动了之后智能电话的快速成长。

2000年,基于NAND的固态驱动器(SSD)问世,这款产品采用与硬盘驱动器相同接口,能同时满足消费电子和企业用户的应用。这类设备具有比硬盘驱动器更高的性能,随着SSD容量的增加以及控制器算法的改进,SSD在更多的的应用得到发挥。

到2010年中期,SSD已具有足够大的存储容量来满足付费用户的需求,于是,SSD开始大举进军笔记本和台式电脑这一当时最大的硬盘驱动器市场。

SSD普及流行后,又启发了人们对新型存储设备接口NVMe的开发,由于这种接口消除了SATA接口和通信协议的各种瓶颈,NVMe 技术利用 PCIe 总线,而不是 SATA总线,可为存储设备释放巨大的带宽潜能,从而提供了更好的SSD性能。三星于2013年发布了其首款NVMe固态存储器产品。近年来,只为SSD的系统设计开始变得流行起来,由此产生了设计更新和更为紧凑的SSD产品。

如今,大多数笔记本电脑中的数据存储已采用SSD,在台式机中也越来越占主导地位。而在企业级存储系统和大型数据中心,SSD现在主要用于动态处理所需的存储,而高容量的近线硬盘驱动器(nearline HDDs)是主要用于较少活动的数据存储,磁带则用于非活动或归档存储以及提供重要数据的离线副本。

图4显示了对磁带,硬盘驱动器和SSD的交货量的预测。

图四:2012-2026年,磁带,硬盘驱动器和SSD的交货量的预测

尽管硬盘驱动器到2026年将继续存储全球大部分数据,但存储在SSD上的数据份额将增加。当今的存储技术,其性能和存储成本的组合在不断改善,以满足和适应处理由IoT传感器和摄像头生成的数据、科学和工程数据以及人工智能技术中的大数据所带来的数据爆炸的需求。

关于作者:

Tom Coughlin 博士,现任库夫林协会(Coughlin Associates)主席。Coughlin博士拥有逾40年的存储技术经验,是国际知名数字存储分析师和技术顾问。他是Storage Visions Conference和Creative Storage Conference的创始人,曾担任IEEE前美国区主席,以及十届年度闪存峰会主席。他受邀为Forbes.com定期撰稿,并出版《消费类电子产品中的数字存储:基本指南》、《数字存储技术通讯》、《新兴非易失性存储器报告》等著作和行业报告。