數字儲存完全指南 01:儲存裝置的誕生與歷史

語言: CN / TW / HK

這是少數派與 國民好物 aigo 聯合推出的資訊儲存裝置的科普系列文章。作為國內早期的儲存裝置製造商及佼佼者,感謝 aigo 對本文提供的一系列支援,包括但不限於技術知識指導、市場難尋的老物件以及作者用於拆解介紹的最新產品等。

我們希望通過最簡潔通俗的描述,帶領大家瞭解資訊儲存裝置的基本原理,知道那些複雜的引數,如何挑選購買適合自己的儲存裝置,又是如何更好地使用,更安全穩定地儲存我們的資料,以及未來我們能夠用上什麼技術。 另本系列雖然與 aigo 聯合發起,但所有內容不涉及任何品牌指導或要求的商業營銷。

從宇宙大爆炸開始,資訊不斷產生而又轉瞬即逝;當某個原始人將自己被火燻黑的手掌按在巖壁上,便主動儲存下了屬於人類的第一份資訊。人類不斷增速的發展,離不開越來越成熟的資訊儲存讀取手段以及越來越先進的儲存裝置,它們讓我們能夠穩定地繼承先人的知識,儲存我們大腦放不下的資訊,更好地工作、娛樂、生活,並將我們這一代的成果傳承給下一代。隨著數字時代進入成長期,與數字資訊打交道佔據了我們生活越來越多的百分比,而資訊的儲存裝置也變得越來越複雜多樣。

本系列文章就是為了幫助你瞭解資訊世界的儲存 (亦作儲存,下同) 裝置而生,系列將分成過去、現在、未來三部分,用大約十幾篇文章,15 萬字左右的篇幅,讓你瞭解資訊 儲存裝置的基本原理 ,知道那些 複雜的引數都是啥如何挑選購買 適合自己的儲存裝置,又是如何 更好地使用,更安全穩定地儲存我們的資料 ,以及未來我們能夠用上什麼技術。我想實現的最好的目標就是,把這個系列打造成中文區想要了解購買使用儲存裝置的朋友必看,而且能夠毫無難度地理解並開啟整個儲存裝置的新世界大門。

儲存裝置大合集

提示:本系列的內容老少皆宜,其中購買與使用部分以家用和小型商業用途為基礎,大家可以根據自己的用途和側重點來看相關的部分,而不用擔心某些內容太複雜或者不適合自己,看自己想要知道的就行。部分頁面失效可以複製網頁連結去 Web Archive 檢視歷史版本。

感謝 aigo 愛國者為為本系列文章提供部分裝置。未註釋圖片來源於 Unsplash 等免費圖片分享網站。

好了,接下來我們即將開始正文內容,第一章我先帶你來了解一下儲存裝置的基本歷史進行熱身,看看那些屬於不同時代回憶的儲存裝置都是怎麼工作的,又有哪些裝置能勾起你的情懷追憶。

桌面上的磁帶與 CD 機

從遠古時期開始:挑選儲存介質的原則

還記得我們開頭說的巖壁上的手掌印嗎?人類從遠古到現在,除了數字裝置以外常用的儲存資料介質(石頭、繩子、金屬、動物骨頭、竹子、蠶絲、紙張等),主要儲存方式基本都是 刻和印 ,這主要是時代技術的限制,不過也能看出即使條件簡陋,人們對資訊儲存的要求都非常類似,即使到現在也差不多,根據實際經驗我們可以總結一下通常挑選儲存介質的原則:

  • 材料堅固容易儲存 :身處資訊大爆炸時代的我們可能不會想到,在儲存裝置和儲存方式稀少的年代,一般人只有最重要的資訊才會使用介質儲存下去,所以通常人們都會選擇身邊最結實的東西,這也導致了直到紙張和墨水出現前,很長一段時間內儲存介質的修改是比較困難的。
龜殼拓印下來的內容
  • 儲存資訊魯棒性強 :魯棒性其實就是健壯性,也就是儲存介質將資訊儲存下來之後,能否在一定條件的干擾下保持資訊的完整。以前的儲存介質一般都不強調要反覆修改,儲存資訊時就巨集觀改變了介質的性狀,加上之前的儲存介質一般都比較堅固,這樣其實魯棒性相對現在的裝置來講非常好,比如石頭上的刻痕可以歷經風霜千萬年,即使是看起來脆弱的紙張,也能保持千年不腐。
甘肅天水放馬灘 5 號墓出土的紙地圖,來源:每日甘肅

後來隨著時代的發展,資訊的型別還有形式越來越多,所以對儲存裝置介質的要求也越來越多:

  • 資料容量/材料價效比高 :這點自不必說,隨著數字資訊的使用越來越廣泛,只有容量/材料價效比足夠高的儲存介質,才能被更多人去使用,從而促進對應儲存介質的研究發展,形成良性迴圈。近幾年隨著科學技術的發展,儲存介質的價效比越來越高,從我們以前討論的每 KB (使用)成本,每 MB 成本,到現在已經可以討論每 GB 甚至每 TB 成本,都要歸功於科學技術的飛速發展。
比如 aigo 愛國者這塊 1T 的行動硬碟每 GB 成本只有 5 毛不到

可以反覆修改資料/修改資料的成本低:這也是現在儲存介質的基本要求,畢竟資訊爆炸的時代已經不像從前,重要資訊一次寫入介質,其他人只能通過「只讀」的方式「訪問」資訊。比如我們整個虛擬網際網路世界,都是靠這些實體的儲存裝置來維持資料,網際網路時代每個人每天都在產生修改刪除大量的資訊,一個修改資料成本低的儲存介質,帶來的好處是顯而易見的。

維持資料完整性的成本低:反覆擦寫難度越低的儲存介質,一般維持資料完整性的難度都會變高,比如我們常見的聲音模糊不清的磁帶、關機就會丟資料的記憶體、年代久遠的軟盤沒有資料等等,所以現在很多儲存介質都是在反覆擦寫難度和儲存資料完整性難度之間取一個平衡。

512MB 的 U 盤已經沒辦法讀取了
  • 易讀取/高隨機讀取效能 :這也是數字時代對儲存介質提出的新要求,畢竟之前人類對超出自己能力的資訊讀取效能要求不大,同時給書本加上目錄這種方法也已經能夠滿足人類自己的隨機讀取要求,而計算機的出現在某種程度上碾壓了人類的大腦,而處理器的速度越來越快,我們同時也需要不斷尋找能夠配得上處理器速度的儲存介質。
執行記憶體 RAM 的速度,以後可能會變成我們的儲存裝置

等等等等……

其實儲存介質的挑選原則用一句話來總結就是: 便宜耐操可持續 。由於時代科學技術的限制,以前的儲存裝置一般都只能滿足小部分原則,而現在的儲存裝置,很多都已經能夠滿足上面提到的大部分原則。而除了儲存介質,資料儲存的方式也在不斷的變化,從以前主要是實物上刻和印,到現在聲、光、電、磁等多種方式應有盡有,未來甚至還能真正實現用生物的方式將資訊真正「刻進 DNA 裡」。

改變時代:打孔紙帶出現

你或許見過網上賣的那種小玩具:一個可以換歌的八音盒,只需要插入不同的打孔紙帶,就能演奏出不同的歌曲。就是這些不起眼的甚至有一些簡陋的打孔紙帶,卻是人類邁入資訊時代的一個里程碑。

可以換歌的八音盒

早在 17 世紀,第一次工業革命之前幾十年的 1725 年,由於農業革命促進生產力的發展和市場的解放,人力的方式已經不能滿足市場以及多種方面的需求,人們(主要是那個時候的資本家們)迫切需要讓機器自己動起來。有需求自然就有人解決需求,1725 年一個紡織工人 Basile Bouchon 就天才般想到了可以把工作流程資料用打孔紙帶記錄,然後將紡織機的提針與一個讀取結構連線,打孔紙帶通過讀取結構時,用紙帶上有沒有小孔來控制提針的提起和落下,從而實現半自動織布,這也是我們現在看到的織布機結構的最初原型。

現在看起來很容易懂,當時卻是非常精妙,圖片來源:Deutsches Technikmuseum Berlin

打孔紙帶出現的意義非常巨大,雖然仍然是刻印類的儲存方式,它不僅是人類第一次嘗試將儲存讀取裝置應用到工業化中,這種類狀態機的思路也為後來設計資訊儲存裝置的大佬們提供了思路,比如後面出現的打孔卡片甚至磁鼓儲存器等,直到後面機械硬碟出現前還廣泛用於各個行業。

相關文獻:

[1]. 那個年代還沒有現代專利系統,要了解更多相關知識的小夥伴可以看看這篇 ECMA 打孔帶資料交換標準

硬碟的雛形:磁鼓儲存器

接下來我們看看儲存裝置歷史上另一個重要的發明。時間跳到 1932 年,Gustav Tauschek 在奧地利發明出了現代硬碟的前身:磁鼓儲存器,利用我們初中就學過的磁生電與電生磁現象巧妙地實現了對資料的儲存讀取。

先來看一下它的結構:

磁鼓儲存器的結構

如果之前已經瞭解過機械硬碟原理的小夥伴,就會發現磁鼓儲存器的原理和機械硬碟已經非常相像了。中間那一條圓柱形就是儲存資料的地方,周圍那一圈圈的就是很多個磁頭,圓柱形的外表有一層鐵磁材料,圓柱體就是磁鼓筒(相當於機械硬碟上的碟片)會不斷旋轉。

想要讀取或者寫入某個資料的時候,只需要等待磁鼓筒對應區域轉到對應磁頭底下, 磁頭通過磁生電感應底下區域的磁性,或者通過不同電壓改變底下區域的磁性來實現讀取或寫入資訊。

看看實物的照片就更加容易理解了,原影片 [email protected]

相比起之前刻和印的方式,磁鼓儲存器創新性的採用了磁性的方式儲存資訊,比起之前的儲存裝置, 由於磁頭的頂端可以做到只有針尖般大小,磁化的區域非常小 ,所以整個磁鼓筒可以塞下密度非常高的資料。

高密度的儲存磁鼓儲存器的容量來到了驚人的 62.5KB ,而且由於中間磁鼓筒可以轉得很快,讀取速度也非常可以(型號 USSC90,磁鼓筒每秒能轉 300 圈,最高能夠達到 60KB/s 的讀寫速度,相當於一秒就能夠把自己全部的容量讀一遍)。對比起之前出現的儲存裝置,這個簡直可以說是質的飛躍,能夠滿足科技進一步發展的需求。也是因為如此,之後大部分儲存裝置的原理都向光、電、磁能夠精確改變微小區域的方式發展。

其實,作為一項可以說是跨時代的發明,磁鼓儲存器的出現其實是比較晚的,甚至晚於我們接下來介紹的磁帶。這中間還有出現過水銀延遲線、等其它儲存裝置。雖然速度很慢,容量很小,但是為人類科技發展的「飛輪效應」跨過了最初的困難。

相關文獻:

[1]. 對這項改變世界的發明感興趣的小夥伴可以閱讀 Gustav Tauschek 本人 1932 年的 磁鼓儲存器專利

[2]. 一個很有代表的磁鼓儲存器型號:USSC90,這是 它的引數和原理介紹

[3]. 動圖擷取自 [email protected] 的影片,大家可以看看完整版,點選 「1950's Early mechanical "Direct Access" Drum Memory Storage」 觀看

時代的記憶:磁帶與黑膠唱片

前面所介紹的儲存裝置,可能我們都不是非常的熟悉,甚至於我們家裡的長輩也都不太熟悉。但是接下來介紹的這兩個裝置,那一定是很多人青春的回憶了。它們都曾經是全世界音樂最流行的載體,但最後一個變為音樂愛好者的珍寶,一個卻至今仍然是商業領域熱門的儲存裝置。

黑膠唱片

作為一個 90 後,相信同齡人和我一樣,通常只能在影視劇裡面看到這些頂著大喇叭的留聲機和黑膠唱片機。最近懷舊風潮興起,可能大家也會在影片網站看到一些 UP 主分享一些新式的黑膠唱片機。

Victor 系列經典的造型與特色的大綠盤
唱片店裡面的黑膠播放器

黑膠唱片作為最主要的儲存介質,統治了整個 20 世紀的音樂界。留聲機作為一種簡單的機械裝置,最初它不用插電(轉盤轉動的動力來自於上弦),通過震動直接將聲音傳導到喇叭放大發聲,唱片本身也只是一個簡單的塑料片,簡直就是便宜耐操的典範。

黑膠唱片的原理也是一個學習模擬訊號基礎的經典例子:

  • 儲存聲音 :錄製機器使用各種方法(振膜傳遞振動等)驅動一個錄音頭(就相當於一個小刻刀),錄音頭在平滑的旋轉乙烯基碟片上根據聲波振動不同左右震動,刻出一道道深淺不一的同心圓凹槽,直接代表連續的聲音變化,凹槽左右邊的不同波浪就代表了左右聲道的聲音變化。
這個錄音裝置一看就非常直接,圖片來源 :谷歌藝術
  • 讀取聲音資訊 :唱頭上面的針用一定的壓力壓在唱片的特定位置上,同心圓凹槽左右兩邊不同的起伏,會讓整個唱臂左右搖擺不同的幅度,唱臂裡面的電磁鐵就會產生不同的電流,放大器放大聲音訊號並驅動喇叭發出聲音。
顯微鏡可以看到唱針是怎麼通過凹槽讀取聲音的
來個動圖,圖片來源:[email protected] Science

就是這麼簡單直接的一個模擬資訊儲存傳輸方式,讓音樂不再是貴族們的私人專享,普羅大眾從此也能夠享受到音樂的愉悅,促進了流行音樂的發展,無數經典的歌曲通過黑膠唱片永久儲存下來,讓 21 世紀的我們也能夠聽到 20 世紀的天籟之音。

經典專輯的黑膠唱片

經過多年發展,黑膠唱片的材質,尺寸和錄音讀取方式越來越多樣,音訊質量也在不斷提高,甚至索尼與鐵三角等廠家還生產並不斷更新數字黑膠播放器。直到現在,很多歌手也會為自己的專輯出一張黑膠唱片用作紀念,同時黑膠唱片仍然被部分音樂愛好者追捧(最近美國銷量甚至超越 CD,2021.06,MRC Data),折騰不同的裝置和唱針就是為了追求那充滿時代特色的溫暖聲音和爆豆聲。

索尼的數字黑膠播放器
周杰倫的專輯黑膠版

相關文獻:

[1]. 對黑膠感興趣的小夥伴一定要搜搜看德意志留聲機公司(DG),世界上最大的古典音樂唱片品牌,目前是在環球音樂旗下。它的創始人 Emile Berliner 就是第一個發明聲音記錄方法和最初唱片的巨佬,可以上 官網 買一張正版黑膠紀念一下。

[2]. Emile Berliner 發明的留聲機結構,可以檢視他自己在 1900 年發表的 留聲機專利

[3]. 最早的留聲機結構可以看一下 Tomas A Edison(沒錯,就是那個愛迪生) 1878 年的留聲機專利

[4]. 文章黑膠唱片機原理圖部分引用自 V.H.Emerson 1916 年的 專利

[5]. 動圖擷取自 [email protected] Science 的影片,大家可以看看完整版 《Electron microscope slow-motion video of vinyl LP》

磁帶

相比起黑膠唱片機,磁帶與中國人結下的不解之緣更加深,我們爸媽那會兒年輕的時候,買到最新的磁帶,然後在房間裡偷偷享受屬於自己的小世界,或者和朋友一起討論交換最新的歌曲磁帶,怕是普通人最潮最常見的娛樂方式了。有錢人甚至能弄一臺最新的索尼 Walkman,成為街上回頭率百分百的 GGMM。無論是打孔帶還是自己灌錄,磁帶以及它所承載的音樂成為很多人青春回憶裡的重要背景。

經典的 Walkman 與磁帶
經典的磁帶歌曲

即使是我們這一代人,小時候其實都有被學英語磁帶支配的酸爽。不過就跟學習機最後大部分淪為遊戲機一樣,磁帶機最後大概率會變成播放器。

那個時候比較經典的磁帶怕就是 TDK C60(C+數字 指兩面合起來能夠錄製這麼多分鐘,C60 也就是每面 30 分鐘) 磁帶了,不僅能錄製最高一個小時(根據機器轉速不同實際 35-45 分鐘)的音樂,還把「高保真」這一個關鍵詞帶進了大眾視野,甚至能夠錄製多聲道的立體聲。

TDK 磁帶

其實磁帶的聲音和黑膠有點像,因為它們的原理其實都是錄製模擬訊號,所以前期或者便宜的磁帶出來的聲音會有點失真和沙沙聲。而且大家估計想不到除了我們常用的聽歌用途外, 磁帶還是非常方便和廣泛使用的通用儲存裝置,即使到了現在磁帶依然在商業領域被廣泛使用。

IBM 的商用磁帶備份機

磁帶的原理

磁帶其實就是一條上面塗上可以被磁化的氧化物材料(通常是氧化鐵)的塑料帶,平時我們看到它捲起來只是為了減少儲存體積的一種方式。再結合我們初中學到的磁生電與電生磁現象就能很清楚地理解磁帶的原理:

儲存資料:磁帶上方固定一個磁頭,磁頭與磁帶接觸,用滾輪等方式將磁帶以固定速度從磁頭下方滾過。磁頭接收發過來的不同電壓資料脈衝(比如麥克風記錄到的聲音變化,數字磁帶機直接傳送 0 和 1 ),利用電生磁現象就會產生方向不一樣的磁場,那麼底下通過接觸這部分磁帶上的材料被永久磁化的磁場方向也不同,就記錄上了資料。

讀取資料:讀取的原理也和儲存類似,不過利用的是磁生電現象,不同的磁場通過磁頭會產生不同的電流,磁頭就可以將這些電流資料交給其它的部分(比如揚聲器發聲),實現資料的讀取。

磁帶的原理示意圖,圖片來源:TDK 和 IITK
磁帶的結構

磁頭一般很小,所以資料密度可以很大,同時如果在一個寬度的磁帶上,做兩個 1/2 的寬度的磁頭甚至更多個磁頭,就可以實現多軌記錄和讀取(比如磁帶錄音帶的立體聲)。

看到這裡大家是不是覺得有點眼熟,沒錯它和磁鼓儲存器的實現思路有點相像,事實上所有以「電磁」方式來儲存資料的裝置都差不多是這種思路。

錄影帶與其它磁帶

我們之前比較少見到的錄影帶,其實也是一種磁帶。不過由於影片資料量和頻寬都比較高,錄影帶一般會做得比較大比較寬,寬度長度大約和膠片差不多,用多個軌道來分別記錄紅、綠、藍三個畫素資訊、同步資訊和音訊的模擬訊號。讀取時候旋轉的也比較快,而且磁頭是螺旋形掃描的。

除了儲存音樂,標準的磁帶還曾經被儲存各種各樣奇怪的東西,比如程式,文字和遊戲,只需要一臺磁帶機就能在電腦上讀出資料。在曾經軟碟機比電腦還貴的那個年代(甚至有廠家直接把電腦塞進軟碟機),用磁帶來儲存資料是一個便宜好用的方法。

遊戲和錄影帶

瞭解了原理後,我們也不難知道磁帶的優點和它為什麼會這麼普遍使用了:首先磁帶用一種很巧妙的方法讓儲存材料可以變得很輕薄,加上軟性材料可以用特殊的方法收納(比如捲起來),所以磁帶可以 在輕、薄、小的同時實現大容量的儲存 還能節省材料。

寫入讀取結構簡單也可以讓磁帶與磁帶機也變得便宜,既可以錄入模擬資訊,也可以錄入數字資訊, 同一臺機器就可以實現錄製還有播放 ,通過使用高轉速和更加堅固的材料,還可以實現飛快的順序讀取寫入速度。另外寫入資料是永久改變材料上的磁性,磁帶的資料穩定性很不錯,只要儲存得當,理論上應該能夠儲存幾十上百年。

所以磁帶迅速風靡全球,在很多發展中國家甚至是主要的儲存裝置(比如很多國家的演講都是通過磁帶翻錄傳遞到民眾中)。 另一方面也讓最早的盜版盜錄產業得以發展

當然磁帶的原理導致它也是有缺陷的,其中最重要的就是 基本只能順序讀取,隨機讀取能力差到忽略不計 。相信用過磁帶的小夥伴都有過想聽磁帶裡面的某一首歌,然後在那邊乾等它轉啊轉的經驗,特別是想聽倒數第二首歌的時候那感覺真是特別煎熬,更別說隨機播放了,基本不存在的。

除了這個比較大的缺陷磁帶還有每臺裝置轉速不一樣導致聲音不一樣,轉太快崩太緊容易斷,磁帶磁帶機上(俗稱吃磁帶),用不是空的磁帶錄製由於磁性改變不徹底會出現聲音重複等。

那麼為什麼現在磁帶仍然是企業冷備份的優先選擇呢?

主要是 LTO 磁帶在實現大容量的同時是真的便宜(0.04 元/GB,30TB 只要 2000 不到) ,體積還蠻小的,而且只需要簡單地增加磁帶數量就能夠增加容量,大規模資料物理轉移的時候磁帶的穩定性也比硬碟高很多。而且磁帶機通過特殊的驅動也能夠避免勒索軟體或者病毒修改資料。用來儲存一些基本不用的冷資料(比如你 10 年前的銀行賬單或者各種完成的專案存檔)簡直完美。

所以磁帶今天仍然是冷備份的優先選擇,像是我們常用的支付寶微信支付等金融資料,都是會穩穩地用磁帶儲存一份冷備份在地下的, 就不用擔心伺服器全部爆炸,自己的餘額都不見了

企業備份的磁帶庫

相關文獻:

[1]. 常見磁帶和磁帶機的結構可以參考這份 磁帶機的專利

[2]. 想折騰磁帶冷備份的小夥伴可以看一下這份 《中華人民共和國檔案行業標準:檔案資料儲存用 LTO 磁帶應用規範》

[3]. 想看看各種商用儲存機長什麼樣的小夥伴,可以去 IBM 提供的各種 3D 產品演示

磁帶和黑膠唱片的沙沙聲爆豆聲是怎麼來的

如果你聽過磁帶和黑膠唱片的聲音,那麼你一定會對沙沙作響的背景聲音和爆豆聲印象深刻。甚至最近 lo-FI 音樂開始復甦,就是製作音樂的時候主動往音訊檔案裡面加入這些背景聲音和爆豆聲的取樣(所以說時尚是一個圈),那麼這些聲音都是怎麼來的呢?

對於黑膠唱片來講, 這些聲音主要是來自於唱片的缺陷和表面的灰塵 。以前唱片在壓制條件不會很好(沒有真空,唱片不乾淨之類的),導致刻刀沒法把聲音正確刻在那個部分,播放的時候就會導致失真。同時我們用的唱片機一般唱片直接暴露在空氣中,播放時掉落的灰塵會阻止唱針讀取到軌道上的音樂資訊,從而讓音樂失真一瞬間,這就是爆豆聲。

所以當我們小心清理好唱片並用防塵罩蓋好播放,會發現爆豆聲直接少了大半,甚至 如果你直接用上真空播放器,會發現黑膠唱片的聲音也能如數字 CD 般順滑

擦拭前後的聲波對比,圖片來源 [email protected]

Vinyl for Miles

原影片 [email protected] for Miles: 「Vinyl Vac Full Review - Before and After Audio Comparison!」

而磁帶背景的沙沙聲就有點高大上了(排除電路噪聲),是 各種來源「不規矩」的磁粒子產生的隨機電訊號 。它們可以是空氣中的粒子,可以是磁頭精度不夠漏掉的粒子,也可以是磁帶生產中的磁離子顆粒太粗了……

提高生產精度和磁粒子的密集程度,或者增加磁帶的寬度(增加頻寬提高信噪比)都可以減少這種背景噪聲提高聲音純淨度,那個時候各家磁帶廠家宣傳的「高保真」就是這個意思。

數字資訊(訊號)和模擬資訊(訊號)

接下來出現的就是數字時代的裝置了,在數字資訊出現之前,磁帶和黑膠唱片是典型的儲存模擬資訊的介質。那什麼是模擬和數字資訊(包括訊號,下同),為什麼我們現在都是用數字資訊,它有什麼優勢?

模擬資訊

我們生活在一個現實世界, 很多資訊是無限連續的 ,比如我們聽到的聲音、我們看到的風景、電壓電流的變化……如果你把它們細分開來,你會發現它們無窮無盡。所以早期人們如果想通過裝置處理和儲存這些資訊,就必須用另一種可以無限連續的介質去代表它,甚至汽車上的轉速錶、遊戲機上的手柄等都是顯示傳遞模擬資訊的例子,所以在儲存裝置上模擬資訊就是 用可儲存的機械量的連續改變,模擬不可儲存資訊的連續變化

模擬資訊用電壓表示應該是平滑的曲線,沒有任何離散值變化

比如黑膠唱片的軌道和磁帶上的磁顆粒資訊都是連續的, 我們能夠在上面取到無限的值 ,而且在每一瞬間它都會有一個確定的值。

模擬資訊的特性讓它的優點和缺點都非常明顯。

優點有:

  • 資訊密度和精細度非常高 ,畢竟是無限的值。
  • 非常適合用來記錄表示現實世界的變化 ,比如最常用到的電壓電流、聲音、溫度、速度等。
  • 讀取和儲存都非常容易 ,像是磁帶黑膠唱片它們的原理其實都非常直觀,直接採用巨集觀的方式就可以寫入讀取。
  • 對傳輸要求比較低 ,使用很少的頻寬就可以傳輸相對豐富的資訊,像是我們之前的有線電視很多年來都是模擬訊號。

但它的缺點催生出了人們現在主要使用的數字訊號:

  • 很容易受到噪聲影響噪聲指的是與我們想要處理的資訊無關的資訊 ,由於精度、干擾等問題,在模擬資訊中噪音基本不可避免,信噪比(xx dB)這個單位就是用來形容資訊/噪聲的比例,大於 1dB 代表資訊比噪聲多,所以這個數字越大越好。
  • 容易產生損耗和干擾 ,現實世界不存在絕對穩定的介質,無論是有線還是無線傳輸和儲存,隨著距離和時間的增加,模擬資訊裡面的噪聲一定是會越來越多的,這就是我們常說的損耗和干擾。如果因為功率密度等原因儲存傳輸的資訊讀取時需要放大,那資訊的完整性就更差了,因為 放大資訊的同時也會放大噪聲
  • 與數字裝置的工作原理相斥 ,這個會在下面介紹數字訊號時講到。

我們上面說到的沙沙聲和爆豆聲,其實就是各種意義上的噪聲,模擬訊號裡面的電壓電流也會產生噪聲,這破壞了資訊的完整性與準確性。 最重點的是這些噪聲的來源太隨機了 ,電路里面一個不穩定的電壓,空氣中的灰塵,不同的材料甚至今天天氣的溫溼度、不同的宇宙輻射強度,都會讓不同裝置處理同一段模擬資訊時產生不同的結果,比如你小時候在家看西遊記,電視上的雪花和鄰居是不一樣的, 所以嚴格來講,你和鄰居看的是不一樣的西遊記

充滿噪點的電視

噪聲越多儲存傳輸的資料越難讀取恢復,如果低信噪比的資料來進行科學計算,結果甚至會是反的。隨著時代發展人們對於傳輸速度和準確性的要求越來越高,模擬訊號在大部分領域都是無法讓人接受的。

數字資訊

模擬訊號的缺點和更高效新裝置的出現,促進了數字訊號的誕生。我們都知道計算機裡面處理和儲存的都是 0 和 1 的 有限資料 ,這是由處理器電晶體組成的邏輯閘物理特性決定的,這代表它們基本沒辦法處理儲存無限連續資料。舉個簡單的例子,各家程式語言裡面都有提供圓周率 兀 作為常數變數,而如果你檢視底層程式碼就會發現,它們都是直接預設一個幾十位精度的 兀 值, 不然用程式算一個圓的面積就能讓電腦爆炸

加上現代計算機領域(處理、儲存、加密、傳輸……)基本都是基於離散數學的,對無限連續的資料非常不友好。 這個時候我們就需要按不同精度對現實世界連續的資料進行取樣了 ,這基本就是數字資訊的原理。

如果說上面模擬資訊用電壓表示是連續曲線,那麼數字資訊用電壓表示就是一段一段的(雖然每段可能非常短,看起來是連續的):

簡單的理解它們的區別: 如果模擬資訊是一條線,那麼數字資訊就是用很多密集的點儘量完整模擬出這條線。

舉一個我們大家很經常接觸的例子,還是音樂。不同於之前裝置直接錄製聲音的連續變化,現代的數字錄音機,錄製的時候會將聲音按照不同的頻率取樣,比如我們常常聽說的 CD 44.1Khz 取樣率就是每秒對聲音採集 44100 次,記錄下每次採集到的資訊。

CD 級音質

我們聽歌的時候,播放器會將這些離散的資料用演算法處理成連續的,這樣我們就不會聽到一卡一卡的歌(其實這就是經常聽理科男們說的數模轉換了)。取樣率還有其他的一些規定採集讀取資料的方式合起來就變成了數字資訊編碼規則,我們經常看到的副檔名(.jpg、.mp3、.apk)這些其實就是不同的編碼規則,用來規定不同編碼規則弄出來的檔案怎麼放在物理儲存裝置上,並提供增刪查改方法的東西就是我們每天都會用到的檔案系統。

數字資訊的優勢基本彌補了模擬訊號的不足:根本優勢是 數字資訊把現實世界的各種型別資訊統一成一個虛擬層(0/1 二進位制),實現一種裝置處理儲存各種型別的資訊

  • 噪聲非常少,更加準確 ,數字資訊儲存處理的是經過取樣的資料,在信噪比低於一定程度的情況下,可以通過把編碼和糾錯演算法逐個糾錯把丟失資訊完整還原回來。
  • 通用儲存 ,不像是模擬訊號一般都要對應的儲存介質,數字訊號經過轉換,可以很方便地儲存在任何介質上(包括磁帶、黑膠、膠捲甚至打孔紙帶)。
  • 複製轉換非常簡單 ,大家都是數字資訊,複製轉換自然不用說,利用不同的演算法還能讓資料變成不同型別,比如影片轉圖片,也能很方便地加密壓縮資料。
  • 處理更靈活 ,數字資訊讓我們能夠更方便的處理它們,比如用 Photoshop 編輯一張圖片,實際上就是編輯裡面虛擬化的畫素資訊,在之前需要在膠片上物理修改。
  • 方便遠距離傳輸
    等等等等……
檔案系統其實是很複雜的一樣東西

但數字訊號也有屬於自己的缺點:

  • 由於需要附加各種複雜的編碼資訊,數字訊號一般對頻寬要求更高。
  • 對硬體的要求更加複雜,我們能夠比較無壓力的看懂類比電路,甚至每個人都能自制一個礦石收音機,但數位電路看起來 就跟小學三年級學大學英語那樣
  • 在硬體層上還要經過複雜的系統和演算法處理。

所以現在模擬訊號還是在某些領域被廣泛使用,根據它們各自優缺點安排最合適的用途。

截然不同的命運:軟盤與光碟

雖然我們現在仍然在廣泛使用各種光碟,軟盤卻已經成為時代的眼淚,但軟盤和光碟其實興起於同一個時代,只不過軟盤的命運停步於千禧年,而光碟不斷煥發新機直到現在。它們都曾經是最廣泛使用的儲存裝置,但最後的結果卻相差甚遠,這與它們的原理和特點是離不開關係的。

上面我們瞭解完了模擬資訊和數字資訊的變化,由於資料的本質形式發生了變化,人們需要容量更加大同時體積更加小的儲存裝置,軟盤和光碟就是數字資訊時代應運而生的載體。

光碟和軟盤

光碟

光碟在中國的覆蓋可謂是全年齡段的,千禧年之後基本家家戶戶都會有一臺先科的 DVD 機,小孩子的童年是《貓和老鼠》《哆啦 A 夢》等等的正(盜)版 DVD,年輕人把落伍的磁帶機換掉,用上了隨身 CD 播放器聽伍佰周杰倫(千禧年左右 MP3 還是個稀罕玩意兒)。爸媽們常備一套新年歌曲合集和交響樂,全家人還能經常欣賞到充滿翻譯腔的歐美引進大片,要是家裡條件比較好,能有臺電腦,那在網路都沒有的年代,裝軟體和驅動都得靠光碟……在資訊高速公路直通車前光碟可謂無所不能。

先科的 DVD 機,來源:先科官網

光碟有很多種型別,常見的幾大類就是 CD,DVD 還有我們常聽見的 BD 也就是藍光光碟 Blu-ray Disc。

音樂光碟

光碟的原理

寫入:通過廠家設定好的軌道,按固定的速度把表面材料燒掉,燒出不同間隔長度不一的凹點。這些凹點就代表了不同的資訊。

放大的光碟表面是這個樣子的,圖片來源:[email protected] Science

讀取:傳統的是採用近紅外線奈米二極體,把紅外線射到軌道上,有凹點的地方反射率會不同,從而讀取資料。為了提高識別率,沒有凸點的地方反射率要儘量得高,所以光碟會新增一個鏡面反射層,這也是光碟看起來亮亮的原因,同時由於上面有很多個小凹槽,光線會發生折射與衍射,光碟上便有了那種很獨特很漂亮的彩虹紋。

光碟機讀取的鐳射頭,圖片來源:佳能 Canon Global

這種方式有點像是盲文,通過一個個不同長度的點表示文字,然後盲人用手去觸控感受凹凸從而讀出文字。

市面上還有一種可擦寫光碟,可以反覆擦寫資料,是 20 年代大眾經常使用的「行動硬碟」,價格相對來講很貴。這種光碟的原理是將資料記錄的碟片層換成可相變合金,這種金屬的特性是在不同功率鐳射的照射下能夠在晶體與非晶體結構之間轉換。

可以用高功率鐳射,像普通燒錄光碟那樣照射可擦寫光碟,上面金屬變成的晶體結構具有良好的反射性,就相當於凹點。而用中等功率鐳射照射後,就可以把它還原回來。這種光碟由於材料的問題,反射率一般不夠一次性光碟高,所以那個時候好的可燒錄光碟,價格一般很貴,而且燒錄也比較容易翻車(多次燒錄後反射性不夠,導致無法識別)。

可以反覆讀寫的光碟原理,圖片來源:佳能 Canon Global

藍光光碟的由來

那我們現在常聽到的藍光光碟,說的就是把鏡紅外線奈米二極體換成波長更短的藍光,也就是說在碟片上的凹點能燒得更加密集,提升了資料密度,一個盤自然也就能塞下更多的內容。能夠比普通 DVD ROM 容量翻倍。

藍光光碟的技術

光碟的速度和容量一直隨著技術發展在提升,從原本 700MB/150KB/s 的容量速度飆升到現在多層藍光碟(通過不同折射率的透過率來區分不同層碟片)的最高 128G/72MB/s,在商用領域更是有索尼 2015 年推出的 Archival Disc,單盤容量來到了 300GB ,最高速度去到 250MB/s 讀 125MB/s 寫。

但隨著最近網際網路流媒體的發展, 人們對光碟的需求越來越低,光碟的容量速度提升也隨之放緩 。比如 2013 年的研究通過新型技術可以將光碟的容量提升到 TB 級,但直到現在仍沒有落地產品。

相關文獻:

[1]. CD(Compact Disc)最初的樣子可以看一下這篇 鐳射唱片發明者 James T Russell 的專利

[2]. 關於光碟的燒錄使用維護,可以參考我們國家的 《電子檔案儲存用可錄類藍光光碟(BD-R)技術要求和應用規範》

[3]. 關於光碟如何提升用量到 TB 級的技術,可以檢視這篇 發表在 Nature 的論文

[4]. 原理動圖來自於佳能科學實驗室,完整內容可以檢視 原文

[5]. 對大容量光碟感興趣的朋友可以看看 索尼的 Archival Disc 第二代白皮書

[6]. 微觀圖片擷取自 Applied Science 的影片,大家可以看看完整版,點選 「Tools and Tips #2 from Applied Science」 觀看。

軟盤

相比起光碟能給大家的生活帶來多姿多彩的應用,大部分對軟盤的印象應該是比較正式的,感覺就是用來存軟體驅動和工作資料啥的。我猜是因為沒有什麼公司做家用的軟盤讀取器,然後那個時候大家電腦用途還是比較正經的,所以軟盤就變成了比較專業的一種東西。但大部分人對它的主要印象還有另外一個:特別容易壞。

像是前面提到的所有裝置一樣,軟盤也有很多個尺寸和型號,甚至早期各家的軟盤雖然長得一樣,但是並不能互相讀取(比如蘋果和其他家的),我們下面提到的基本都是以大家常見的 3.5 寸軟盤為主。

SONY 家的 3.5 寸軟盤

軟盤工作的原理

我們可以把軟盤看成一個, 用著磁帶的材料但卻有著機械硬碟工作原理的東西 。它的身上已經出現了扇區和磁軌的概念,甚至可以把原理無縫放到機械硬碟上,雖然它比機械硬碟轉得慢,並且裝到一個軟軟的塑料盒子裡(所以叫軟盤)。

為了解決磁帶不能隨機讀取的缺點,軟盤用上了磁帶相同的材料卻做成了一個圓片,然後被分成了下面這樣的同心圓環(磁軌)而被切成很多小塊的扇區,扇區是由軟體定義的,不同品牌都不一樣, 扇區是軟盤儲存讀取的基本單位

軟盤的分割槽

儲存/讀取資料:(某些軟盤第一次用之前必須格式化)計算機發出儲存或寫入資料命令時,軟碟機(軟盤讀取器)會讓磁碟轉起來,同時用電機讓讀寫磁頭移動到對應磁軌正上方,等碟片轉到要寫入的扇區,和讀寫磁頭同一塊地方的擦除磁頭會把這個扇區的資料清除掉(會清除比寫入的扇區更大的區域,防止周圍的資料干擾空白扇區的磁性),然後寫磁頭通過不同的電流永久改變底下區域的磁性來寫入資料。讀取的時候則是讀磁頭感應底下區域的磁性產生不同的電流,轉換成資料返回給計算機,同時會發出指令讓磁碟停止旋轉。

磁頭讀寫原理,圖片來源:MIT

軟盤為什麼容易壞

軟盤容易壞幾乎是用過軟盤的小夥伴達成的共識,這主要是因為 碟片直接暴露在空氣中並且和外殼有接觸 ,而且讀取的時候需要磁頭直接接觸碟片,就跟磁帶那樣。雖然軟盤裡面有一塊軟絨材質的布來減少碟片和外殼的摩擦,同時還具有清理作用,防止摩擦產生的磁顆粒干擾扇區或者粘到磁頭上,但碟片依然會被不斷磨損,上面的磁性材料全都磨掉就沒辦法讀寫資料了。加上軟盤的殼子比較軟,平時攜帶時容易導致碟片形變,加劇旋轉時的摩擦。

我的手甚至能直接摸到碟片

這也是機械硬碟要做成全封閉不可拆卸,並且碟片懸浮的原因。其實軟盤如果僅僅日常資料也沒有大家想象中那麼脆弱,畢竟磁帶和它類似但很耐用,我自己存著的軟盤現在大多數還能夠讀取。一般都是攜帶過程中損壞,還有就是後期廠家製造質量下降(最早出產的 3.5 寸軟盤質量都很好)。

軟盤的容量最初是幾十到幾百 KB,到淘汰前索尼的軟盤已經能做到 1~3 MB 了,還有更特殊的幾百 MB 的軟盤。讀寫速度方面,軟盤一般在十幾到幾十 KB/s 左右,不過每次都要等碟片轉到滿速才行。

相關文獻:

[1]. 3.5 寸軟盤和軟碟機的結構可以參考 軟盤的專利軟碟機的專利

軟盤和光碟它們倆出現截然不同命運的根本原因,就是在於介質的魯棒性。光碟使用非接觸的方式讀取,不會因為使用時間增長而對碟片本身產生磨損,同時密度不高的光碟即時碟片被劃損也能通過糾錯演算法補全資料。也就是說日常大眾在使用儲存裝置的時候,並不會像實驗室那樣小心翼翼的儲存,只有真正持久耐用的裝置才會成為大眾日常使用的選擇。

總結

結束了軟盤和光碟的介紹,再往下就是我們熟知的裝置:機械硬碟、固態硬碟、記憶體、記憶體卡、U 盤……的時代,本章的內容已經基本結束了。本章節中,我帶大家瞭解了歷史上著名的儲存裝置,回憶了一下不同年代的情懷(還有歷史的眼淚),也讓大家瞭解到人類為了儲存自己的資訊做出了多大的努力,當然歷史上還有很多很多不同型別的儲存裝置因為篇幅原因沒有辦法提到,感興趣的小夥伴可以去網上搜一下儲存裝置發展的歷史時間軸,然後找找相關專利和論文。

熱身完畢之後,下一章就開始介紹大家熟悉的裝置,第一個當然是現在還在大範圍使用的機械硬碟了。下一章我會介紹機械硬碟是怎麼來的,它的原理是什麼,常見引數代表的意義,以及接下來幾章的選購與使用指南。

提示:大家有什麼問題都可以在評論區留言,我會盡力回答大家的問題。