2.3.1 數據存儲設備的發展歷史
《海量數據存儲》第2章數據存儲的基本原理，本章從數據存儲的基本原理入手，介紹數據存儲的實現、數據的寫入與讀出、數據存儲設備與系統以及多級存儲技術等。本節爲大家介紹數據存儲設備的發展歷史。
作者：方糧來源：機械工業出版社
2.3.1 數據存儲設備的發展歷史
數據存儲設備的發展歷史始終貫穿着“應用的需求”和“技術發展的推動”兩條主線。存儲設備隨計算機技術的演變而迅速發展，並獨立於計算機系統而不斷擴大應用領域。
1.穿孔卡片
穿孔卡片是始於20世紀的主要存儲方法，進入20世紀60年代後，逐漸被其他存儲手段取代。目前穿孔卡片已經極少使用，除非用於讀出當年存儲的歷史數據。
圖2-7a是一個穿孔卡片的示意圖，卡片中某些位置有穿透的孔，通過光電轉換設備可讀出穿孔卡片中所存的數據。穿孔紙帶類似於穿孔卡片，但更易於保存。穿孔紙帶的存儲方式跟穿孔卡片類似，每一排可以存儲一個字符。圖2-7b中是一個每一行8個孔的紙帶。
2.磁鼓存儲器
20世紀50年代，磁鼓作爲內存儲器應用於IBM 650。在後續的IBM 360/91和DEC PDP-11中，磁鼓也用作交換區存儲和頁面存儲。磁鼓的代表性產品是IBM 2301固定頭磁鼓存儲器。磁鼓是利用鋁鼓筒表面塗覆的磁性材料來存儲數據的。鼓筒旋轉速度很高，因此存取速度快。它採用飽和磁記錄，從固定式磁頭發展到浮動式磁頭，從採用磁膠發展到採用電鍍的連續磁介質。這些都爲後來的磁盤存儲器打下了基礎。
磁鼓最大的缺點是存儲容量太小。一個大圓柱體只有表面一層用於存儲，而磁盤的兩面都可用來存儲，顯然利用率要高得多。因此，當磁盤出現後，磁鼓就被淘汰了。
圖2-8是一個磁鼓的圖片。IBM 650計算機上使用的磁鼓長度爲16英寸，有40個磁道，每分鐘可旋轉12500轉，可存儲10KB數據。
3.磁帶存儲器
磁帶是所有存儲媒體中單位存儲成本最低、容量最大、標準化程度最高的常用存儲介質之一。它互換性好、易於保存，近年來由於採用了具有高糾錯能力的編碼技術和即寫即讀的通道技術，磁帶存儲的可靠性和讀寫速度大大提高了。
磁帶存儲器從早期的盤式磁帶機（如圖2-9a所示）發展到盒式磁帶機（如圖2-9b所示），單元容量從百MB提高到GB甚至TB級別，可靠性和讀寫速度顯著提高，維護成本大大下降。而磁帶庫（如圖2-9c所示）通常內置數百至數千盒磁帶，並可更換，理論上容量可無限擴展。磁帶庫內有機械手用於取出和放回磁帶，有多臺磁帶讀寫機構用於讀出和寫入數據。磁帶庫是超大容量、低成本、低功耗的後備存儲系統的首選。
4.軟盤存儲器
第一張軟盤發明於1969年，直徑是8英寸，單面容量80KB。4年後，5.25英寸、容量爲320KB的軟盤誕生了。軟盤的發展趨勢是盤片直徑越來越小，而容量卻越來越大，可靠性也越來越高。圖2-10是三種典型的軟盤，其中a爲不同外觀尺寸的軟盤，b中3.5英寸軟盤的容量爲1.44MB，曾經作爲主要的移動存儲介質被廣泛使用。到了20世紀90年代後期，出現了容量爲250MB的3.5英寸軟盤產品，但由於兼容性、可靠性、成本等原因，並未被廣泛使用，如今已難尋蹤跡。
5.硬盤存儲器
磁盤表面的磁記錄介質薄膜受外磁場的磁化，在去掉外磁場後仍能保持剩餘磁化狀態，從而存儲數據。磁盤存儲器由主軸、固定在主軸上的盤片、磁頭和磁頭臂、磁頭定位系統、控制與接口電路等構成。它的規格從14英寸、8英寸、5.25英寸開始，一直發展到目前用得最多的3.5英寸、2.5英寸和1.8英寸。此外，市場上還出現過1英寸的微型磁盤，但CF、SD等閃存卡出現後，微型磁盤在成本、性能上不堪一擊，很快就銷聲匿跡了。到2014年年初，3.5英寸磁盤的容量可達1～4TB，由於技術的進步，更大容量的磁盤（如10TB）仍值得期待。
世界上能夠稱得上第一塊現代意義上的磁盤是由IBM公司於1956年推出的IBM 350磁盤驅動器。IBM公司從1956年開始生產磁盤存儲設備，直到2003年把硬盤業務出售給日立。硬盤驅動器（HDD）和軟盤驅動器（FDD）均由IBM公司發明，因此IBM公司的僱員擁有這些產品及其技術的大多數發明權。硬盤驅動器的基本機械結構自IBM 1301後並沒有改變。現在仍然使用與20世紀50年代相同的標準來衡量磁盤驅動器的性能和特徵。歷史上幾乎找不出任何一個其他產品能像磁盤一樣，在享受容量和性能顯著改善的同時，成本和尺寸卻同時在明顯縮小。
IBM公司從20世紀70年代到80年代中期生產了8英寸軟盤驅動器，但並不是小尺寸的軟盤驅動器的最大製造商。直到1981年，IBM公司始終自己發售磁盤驅動器，而沒有按原始設備製造商（OEM）的條款和條件供貨。到1996年，IBM公司不再只給自己的系統生產硬盤驅動器，而是以OEM方式提供其所有的硬盤驅動器。
IBM公司使用了許多術語來描述它的各種磁盤驅動器，如直接訪問存儲設備（Direct Access Storage Device）、磁盤文件和軟盤文件；然而，當前業界使用的標準術語是硬盤驅動器和軟盤驅動器。
作爲第一個磁盤驅動器，IBM 350磁盤存儲單元由IBM公司於1956年9月13日發佈，作爲IBM 305 RAMAC計算機系統的一個組成部分。同時，一個非常類似的產品IBM 355發佈用於IBM 650 RAMAC計算機系統。RAMAC代表“計費和控制隨機存取方法”。它的設計是出於實時計費的業務需求。IBM 350可存儲500萬個6位字符（3.75MB），它有50個直徑爲24英寸（610毫米）的圓盤，共100個記錄面，每面有100個磁道，磁盤片的轉速是1200RPM，數據傳輸速率爲每秒8800個字符。一個存取機構上下移動一對磁頭，選擇一對磁盤面（一個向下表面和一個向上表面），並移進和移出磁頭，以選擇兩個盤面的記錄磁道。20世紀50年代也提出了幾種改進的模型。帶IBM 350磁盤存儲的IBM RAMAC 305系統，每月租金3200美元。IBM 350於1969年正式停用。
來自RAMAC項目的美國專利（專利號：3，503，060）通常被認爲是用於磁盤驅動器的基本專利。此首個磁盤驅動器計劃最初曾被IBM董事局取消，原因是它威脅到IBM打孔卡的業務，但IBM聖何塞實驗室持續開發，直至該項目被IBM公司的總裁批准。
IBM 350的箱體爲60英寸（152釐米）長、29英寸（74釐米）寬、68英寸（171釐米）高。該RAMAC單位重量超過一噸，必須用剷車來回移動，並通過大型貨運飛機運輸。據稱，該驅動器的存儲容量本來是可以超過500萬個字符的，但當時IBM公司的市場部反對更大容量的驅動器，因爲他們不知道如何銷售存儲容量更大的存儲產品。
1984年，RAMAC 350磁盤文件由機械工程師協會指定爲國際歷史古蹟。在2002年，磁盤遺產中心與聖克拉拉大學合作，開始修復一臺IBM 350 RAMAC。2005年，RAMAC修復工程搬遷到位於加州山景城的計算機歷史博物館，現在已在該博物館的“變革展覽”中向公衆展示。圖2-11爲IBM 350磁盤驅動器的核心部件，左側是可上下移動的導軌和磁頭，右側是50個盤片。
IBM 1301磁盤存儲單元於1961年6月2日公佈。它是專爲IBM 7000系列大型計算機和IBM 1410所設計的。IBM 1301在一個單一的模塊存儲28MC（百萬字符）（1410爲25MC）。每個模塊有20個大的磁盤片、40個記錄表面，每面有250條磁道。IBM 1301 Model 1有一個模塊，Model 2有兩個模塊，垂直堆疊。該盤轉速爲1800RPM，數據傳輸率爲每秒9萬個字符。
相比IBM 350和IBM 1405，IBM 1301的一個主要進展是爲每個記錄的表面單獨使用磁頭臂和磁頭，所有的磁頭臂一起移入或移出，像一個大梳子。這消除了磁頭臂從一盤面拉出、再向上或向下移動到一個新的磁盤所需的時間。尋找所需磁道的時間也由於新的設計加快，磁頭通常會處在盤中間的某個地方，而不是從外邊緣啓動。最大訪問時間減少到180毫秒。
IBM 1301是第一個採用浮動磁頭的硬盤驅動器，該磁頭使用空氣動力學原理設計，飛行在磁盤表面上方一層薄薄的空氣上，這使磁頭更接近記錄面，從而大大提高了性能。
IBM 1301通過IBM 7631文件控制連接到計算機。不同型號的IBM 7631允許IBM 1301用於IBM 1410或7000系列計算機，或由7000和1410，或兩個7000共享IBM 1301。
IBM 1301 Model 1每月租金2100美元，售價115?500美元；對應Model 2的價格是每月租金3500美元和售價185?000美元。IBM 7631控制器的租金是每月1185美元或售價56?000美元。這些型號都在1970年停用。
表2-1比較了IBM的第一個HDD（RAMAC 350）和最後三款型號中Star系列中的OEM HDD。該表顯示出了HDD在成本與尺寸顯著減小的同時，相應的容量和性能卻有巨大的改善。從表2-1可知，46年來改進最大的是體積密度，達到622?100?131倍；改進最小的是訪問延遲，只有8倍。
表2-1 IBM HDD性能比較
注： 1.in爲長度單位英寸，1in=0.0254m。由於歷史原因和使用上的習慣，存儲相關的許多地方仍使用英制單位。