你硬盘里的那些电影都是如何保存的?

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从此看懂你的硬盘里的电影是如何保存的。

FBI WARNING:本文在技术介绍方面做了大量简化处理,但仍需要少量物理知识基础,文科生建议在理科生陪同下阅读,如阅读过程中遇头晕等不适症状,建议就医。

事实证明,人类天生有记录的冲动。

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01 模拟时代

也许一半是出于装修的目的,最早的人们在墙上画画。

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后来有人发现,这么精致的作品没法随身携带实在可惜,就把目光盯上了昨晚吃剩的骨头(顺便处理了一批干垃圾)。

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但这样一来,哪天有人想写个长篇的话,附近十里八乡的小动物就只能瑟瑟发抖了,于是书简和纸张开始上线。

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(图片来源于网络)

纸张在很长一段时间内都是人们记录信息十分理想的载体,但也仅限于文字和图像的记录,声音的记录还完全没有办法,什么通过贝壳可以听到大海的声音,那个完全不沾边。

直到物理学告诉世人:声音是由物体振动发出的。搞清楚基本原理之后,人们可以开始尝试记录和重现声音,终于在19世纪末期,通过用大喇叭拾取声音,并将声波的形状通过机械装置被刻在松软的蜡质碟片上的方式,实现了声音的记录与重现,这也就是留声机和唱片的工作原理。

可以看到,包括记录声音的时候,人们还是在通过各种介质来记录这个世界的模拟信号,即使是磁带代替了唱片成为潮流,记录声音的原理还是没有变化。所以在最初的几万年间,人们通过各种载体去记录真实世界的形状:看到的形状、听到的形状和想到的形状。

信息存储的分水岭,始于第一台计算机的诞生,因为计算机运算需要二进制的数据。计算机工程师们首先想到的办法是:直接在纸上打洞来表示0和1,有洞的地方就是0,没洞的地方就是1(反过来也行)。嗯,就是这么简单粗暴。大家一看就知道,这种方法存储密度很低,运行速度也很慢,但它解决了一个至关重要的问题,人们可以跟计算机进行沟通了。

有的时候,解决问题的方法可以不高大上,但是能实现从无到有的就是当下最好的方法。

直到1930年代,IBM 每年仍要销售上千万张穿孔纸卡。

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所以,最早的编程界面差不多就是这个样子

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02 数字时代——磁存储的进化

提到磁存储,大家的第一反应可能是:磁带。这也是我们个人最早接触到的磁存储的产品了。

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而当磁存储和二进制结合起来的时候,信息存储就迎来了超进化。

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当最早的程序员面对打孔纸怨声载道的时候,有天才的科学家和工程师们想到,磁场的 N/S 极天然可以用来表示0和1,再搭配一个检测用的磁头不就可以实现数据的在磁介质上的存储和读取了嘛。

说干就干,1932年,IBM 根据这个原理制造了最早的磁性存储介质——磁鼓,用在了自家 IBM 650 系列计算机上。这个设备很笨重,一支磁鼓有12英寸长,一分钟可以转1万2千5百转,它在计算机中被当成主存储器,每支可以保存1万个字符(不到 10Kb,以这个磁鼓的空间都保存不下这篇文章)。

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(最早的计算机用磁存储设备——磁鼓)

磁鼓一直被用到上世纪五十年代。1956年,IBM 公司购买了王安博士的“磁芯存储器”专利,磁芯存储器又主宰了计算机存储市场小20年。再到后来被 DRAM 技术(DRAM 点了半导体科技树,下文会介绍)所代替。

磁鼓虽然战五渣,但是它体现的存储和读取数据的基本思路一直沿用了下来,包括后来的软盘、机械硬盘:这些存储载体可以看做一个个“小格子”,磁存储的每个小格子其实都是一块小磁铁,存储时就是用磁头去将这些小磁铁按照要求的顺序排列好,读取时就是用磁头“看看”这些小家伙们是怎么排队的。理解了这个思路,我们就可以轻松地理解接下来发生的事情了。

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(典型的“1”和“0”)

根据我们的原理,想提高磁存储密度很简单,把格子做得更小,更密就可以了。

但这会有两方面的挑战,一是,材料学能否把这些格子做得更小?二是,如果格子做小了,磁头还能不能看清里面的磁铁状态?好在,大部分时候,材料学都说了 Yes,所以问题的关键就在于磁头能不能看清楚。

事实也正是如此,在磁盘开始商用之后,当时各个厂家也都可以做出更高密度的碟片。可当时的磁头实在是不行,磁头纷纷表示格子太小了,看不清。因此,硬盘存储密度在一段时间内一直徘徊不前,一直到上世纪80年代末期,IBM 公司发明了磁阻磁头。

磁场比较野喜欢往外跑,不服管教,电流就要乖很多,所以测量电流比测量磁场要方便得多也准确得多。磁阻磁头的发明正是改变了磁介质数据读取的方式,磁头从直接检测磁场变成了测量电流大小,因此在读取数据时就变得十分敏感且迅速。用上了磁阻磁头就像是一个老花眼找到了老花镜。

所以 ,在1991年,MR 磁头技术被应用到了3.5寸硬盘中后,普通的3.5寸硬盘的容量也可以达到 1GB,相当于几百个软盘的容量大小。

但磁阻磁头还是遇到了一些问题:因为磁阻磁头是根据通过磁头中的电流大小来识别0和1的,所以0和1状态下电阻的差异程度直接影响到信息读取的准确度,而一般情况下,导体电阻的增加值跟磁场的平方呈正比(这段略有些超纲了,供有余力的同学自学)。因此要想准确的区分出0和1,磁场强度不能太小。

如果上面这段话不太好理解,那也没关系,一句话来说:用磁阻磁头去看磁盘上这些小格子的时候,还是觉得有些吃力,所以限制了格子们没法做得太小。

二十世纪的美妙之处就在于,科学界还有很多低垂的果实,人类每摘取一个,都可能对世界产生重大的影响,毫无疑问巨磁阻效应是其中一个。

1988年,法国科学家 Albert Fert 和德国科学家 Peter Grünberg 发现了巨磁阻效应(GMR,Giant Magneto Resistance)。

好了,我们就直接说结论和应用吧:根据这两位大神的发现,IBM 的科学家 Stuart Parkin 博士制作了一个特殊的磁头——GMR 磁头,存储单元磁场方向的转变会导致 GMR 磁头中电阻的大幅变化。也就意味着 GMR 磁头比以往的磁阻磁头灵敏得多,这一下使得磁存储的密度又上升一个台阶。GMR 磁头就像自带显微镜一样,存储小格子做得很小的时候,都能轻松看清楚。

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从1988年,Albert Fert 和 Peter Grünberg 发现 GMR 效应,到他们因此获得2007年的诺贝尔物理学,共历时19年,实属基础学科突破在产业应用方面获得巨大成功的代表作。

后来出现的 PMR 以及 SMR 技术也都提升了存储密度,但主要是通过改变格子的排列方式来达到提升存储目的。

可以看到, IBM 的名字出现了很多次,IBM 的确为磁存储的发展作出了巨大的贡献。

磁存储虽然一路突飞猛进,打怪升级,但磁存储有一个致命的缺陷,那就是读写速度太慢了。这么多格子需要一个个旋转起来让磁头看,怎么也快不起来啊。插播一下,事实上,有一段时间,光盘也一度十分普及,光驱也一度是各台 PC 和笔记本电脑的的标配,光盘的存储和磁存储很接近,也是让光盘高速旋转起来,然后通过激光探头来读写各个存储单元的数据,因此光盘也有和磁存储类似的问题,读写速度偏慢,尤其是刻录(写入)光盘的时候,因此也慢慢消失了。

03 数字时代——内存和闪存崛起

存储的容量固然重要,但读写速度对计算机性能的影响更加显著。相信经历过机械硬盘换固态硬盘的同学一定都懂。固态硬盘(SSD,Solid State Drive)里使用的就是一个个闪存(Flash)颗粒来存储数据。

半导体学科和硅工艺的不断进步是现代计算机更新换代的最强驱动力,在磁存储迅猛发展的那些年,半导体界也没闲着。英特尔、三星、海力士、美光、尔必达、金士顿等著名的半导体企业在存储这个领域有过惨烈的厮杀。

计算机运行时,用到的数据可以简单分成两种:一种是用完就可扔,但用的时候越快越好,主要靠内存(DRAM);另一种是用完得保存好,以后还得接着用,速度可以不用那么快,主要靠闪存(Flash)。

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(数据也是需要分类存储的)

先说内存(这里主要指 DRAM)

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至于 DRAM 怎么工作的,电路图就不画了,相信大家也记不住,就算记住了,跟朋友吹牛的时候也用不上。还是继续用咱们的格子理论来理解,内存也可以看成是很多个格子组成的,不过内存的格子里的就不再是小磁铁了,而是一个个半导体结构的电容,电容充上电了就代表1,没充电就代表0,充放电的速度比磁存储的机械旋转可快多了。

自从1966年,IBM 公司的罗伯特·登纳德博士,发明了半导体晶体管 DRAM 内存后,DRAM 就一直是兵家必争之地。

1970年美国英特尔,依靠批量生产 DRAM 大获成功,结束了磁芯存储时代。

1976年开始,日本厂商大举进攻 DRAM 市场,大名鼎鼎的英特尔都被逼无奈,只得转型微处理器市场。

1985年“日美半导体战争”正式开战,韩国厂商获得了大量美国订单,成长了起来。

1997年亚洲金融风暴,差点将韩国厂商逼死。美国控制韩国经济后,韩国厂商又借着 DRAM 市场的暴利翻身崛起。此时不怕死的台湾人冲进 DRAM 市场,投入500亿美元却亏得血本无归。

2007年全球经济危机,逼死了德国厂商,并将台湾 DRAM 厂商打翻在地,狠踩两脚。

2017年,大陆厂商又冲了进来,准备投资660亿美元,进攻 DRAM 市场。

介绍这段历史的文章很多了,有兴趣的朋友可以去搜索“DRAM 芯片战争”进一步了解。

闪存(Flash)的存储方式

介绍完用完就扔的数据存储方案,接下来轮到需要长期存储的数据了,在我们讲到磁存储的时候,就已经说过,机械硬盘能够做到数据的高密度长期存储了,但是实在是不够快,尤其是读写一批小文件的时候。

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那固态硬盘里的用的 Flash 颗粒比机械硬盘读写快多少?快一个数量级。

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说是颗粒,其实长这个样子

Flash 颗粒为什么这么快?因为在 Flash 颗粒里不再需要通过机械运动和磁头读写了,全部由电信号来控制,于是速度嗖嗖地就上去了。

还是用我们的格子理论,在每个 Flash 里面又有很多的小格子,不过这次的格子里面的东西又有点不一样了。Flash 的格子里是一个个浮栅晶体管(能记住是晶体管就行),用晶体管的导通与否来表示0和1。那怎么控制晶体管的导通呢?在这个管子的中间,有一个开关,由充放电来控制。

在一个固态硬盘里面有很多 Flash 颗粒,这些 Flash 颗粒由主控芯片在管理着。

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(机械硬盘【上】VS 固态硬盘【下】内部结构)

正因为 Flash 里面都是晶体管结构,所以它的发展归摩尔定律管。在半导体工艺极限到达之前,晶体管可以越做越小,Flash 的发展十分迅速。

1984年,东芝发明闪存。

1989年,第一款固态硬盘出现,应用于专业领域如医疗、航空和军事。当时固态硬盘的性能远低于机械硬盘,不过专业领域的市场化应用使固态硬盘获得了长足的发展。

2006年3月,三星发布了一款 32GB 容量的固态硬盘笔记本电脑。

2007年6月,东芝推出了其第一款 120GB 固态硬盘笔记本电脑。

2012年,苹果公司在笔记本电脑上应用容量为 512G 的固态硬盘。

摩尔定律的威力得到充分的展现,从96年第一款固态硬盘笔记本推出到如今,经过十多年的发展,现在世面上在售的纯机械硬盘电脑已经很少见了,在手机和超级本领域更是容不得机械硬盘插足。

做一个小的总结:机械硬盘——极小的磁铁翻转;内存——电容充放电;固体硬盘(闪存)——晶体管开关

那各自的优缺点也就自然清楚了:

机械硬盘存储密度大,但读写慢,而且怕磁场影响,但价格便宜;

内存工作速度快,但电容上的电荷时间一长全跑掉了,所以没法长时间保存信息,而且价格高;

SSD 比较中庸一些,速度也比较快,可以较长期保存数据,不怕磁铁,价格介于两者之间。

在美剧《绝命毒师》第五季开头,老白等人用强大的电磁铁隔着墙销毁了电脑硬盘里的信息,得亏那台笔记本用的是机械硬盘,要是用的是 SSD 的话,第五季就不用拍了。

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美剧绝命毒师 剧照)

虽然固态硬盘近几年大杀四方,但它也有一些问题,问题主要存在于三个方面:

第一是成本高,由于固态硬盘中的闪存颗粒、控制芯片都是基于半导体工艺生产的,比起磁存储的磁材料溅射生产,成本高出一大截。反映到消费者端的感受就是相同容量的固态硬盘比机械硬盘贵很多。

第二是存储密度,闪存颗粒中的存储单元是一个个的晶体管,想要持续提升密度就需要受目前半导体技术工艺和成本双重约束,所以我们可以轻松买到容量超过 10T 的机械硬盘,但超过 2T 的固态硬盘就很难买到了;

第三是寿命,固态硬盘里的晶体管开关就跟我们日常使用的开关一样,开关的次数太多后也会坏的,所以 Flash 颗粒擦写的次数多了之后就无法再使用了。

各大闪存厂商都想方设法来解决这些问题,还真的想出两个办法来:

一个办法是,增加每个格子里的存储信息量。你们觉得存储密度不够高?那我把每个格子里可以存储的信息量加倍,总可以了吧?

还不够?加倍!

再不够?超级加倍!

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于是又发展出了 SLC、MLC、TLC、QLC 技术。

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另一种办法是,把平房建成楼房。加完倍大家还不够?那就搞成多层的,也就是 3D Flash,如果把以前单层的Flash的2D结构比作平房,那么 3D Flash 可以看做是楼房,3D Flash 可以通过提高 Flash 的层数在单位面积上堆更多的晶体管,因此在降低单位成本上很有优势。

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3D 闪存结构)

但即使这样,Flash 单位容量成本也还是比磁存储要高,擦写寿命问题也没能得到很好的解决。MLC、TLC、QLC 增加存储密度是以进一步牺牲使用寿命为前提的。

讲到这里,存储的原理已经讲得差不多了,磁存储和半导体存储各自的优缺点相信大家也搞明白了。接下来我们看看在存储这个领域里的参与者都有哪些。

04 市场格局

目前存储市场被半导体存储所主导,2017年全球存储器芯片市场规模大约1229亿美元,而磁存储市场受到半导体存储的挤压,日渐萎缩。

磁存储时代,希捷、西部数据两大巨头杀出了一条血路,机械硬盘的鼻祖 IBM 的机械硬盘业务都被日立收编,后来又被西数纳入麾下;三星的机械硬盘业务被希捷拿下,希捷近期还推出了一款 16TB 的硬盘,对大部分人而言,可以轻松存下看过的所有电影了。但即使是把磁存储做到了极致,希捷和西数也没能避免半导体存储的“降维打击”。

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(磁存储代表“美光” VS 半导体存储代表“希捷”、“西数”)

美光和希捷&西数的对比堪称半导体存储和磁存储竞争的缩影。可以看出来,2013年开始,半导体存储就已经展现出惊人的增长潜力,但因为价格原因,还没有能完全统治市场。2016年成为了两者的分水岭,因为在2016年半导体存储市场供大于求,引发 SSD 价格大跌,成为消费者最终倒向半导体存储(固态硬盘)的决定性因素。西数在2016年后还能有增长表现,因为西数在2016年完成了对半导体存储企业闪迪的并购。

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为何磁存储还能保持一定的市场?因为个人存储的数据量通常比较小,SSD 带来的速度提升完全弥补了价格上的劣势,而企业会根据其实际的需求进行选择,如果有大量对读写速度要求不高的冷数据,磁存储的低成本和长寿命特点就变得十分有吸引力。

比如在需要存放大量监控图像数据的情况下,数据往往无需经常调用,因此对于读写速度不敏感,反而更加在意单位容量的成本,这时候高密度的磁盘是十分理想的选择。在另一种场景下,随着云计算的兴起,数据中心需要同时进行大量数据存储和大量数据吞吐运算,经常将磁盘和 SSD 结合起来使用,将随时可能需要使用的热数据存在 SSD 中,而将大概率用不到的冷数据放到磁盘中去。所以,磁盘虽然在个人消费市场节节败退,但在企业市场还是有着一席之地。

半导体存储市场,基本由内存和闪存构成,几乎各占半壁江山。

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来源:光大证券研究院报告)

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(数据来源:DRAMeXchange,光大证券研究院)

再单独看 DRAM 和 NAND 市场,DRAM 的主要厂商三星、海力士和美光占据着全球超过90%的市场份额。NAND Flash 的生产厂商同样集中,三星,东芝/闪迪,美光,海力士垄断了整个市场95%的份额。

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(数据来源:DRAMeXchange)

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(数据来源:DRAMeXchange)

韩国代表三星、海力士在半导体存储市场表现优异,DRAM 市场占据四分之三的份额,NAND 市场也有40%的份额。

2019年7月1日,美日韩半导体恩仇录突然出了新番,日本经济产业省宣布,加强对出口韩国的半导体制造原料管制,这次管制的主要是三大原料:

光刻胶,感光显影,用于刻印半导体回路。

氟化氢,主要是高纯度氟化氢,用于去除二氧化硅等半导体不纯物质。

氟化聚酰亚胺,用于折叠手机和折叠屏幕的关键材料。

日本对这些关键原材料的市场占有率,最高达90%,这三类生产半导体的化学原材料,不光是不可或缺的关键物质,更是难以找到日本以外的替代厂家,大概就相当于中国稀土对于全世界的掌控地位。

《朝鲜日报》报道称,若因日本政府加强对韩出口管制,导致半导体等制造过程中所需的3种材料无法进口,半导体巨头三星电子、SK 海力士等公司的库存约为1个月,即使加上3个月左右的成品库存,也只能“维持三四个月”。日本此举“击中韩国产业的要害”。

这样一来,未来短期内存涨价几成定局。

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(本图片不构成任何投资建议!!!)

比悲伤更悲伤的是,算上磁存储领域西数和希捷的双寡头垄断,在磁存储、DRAM、NAND 这三个主要的存储战场,大陆企业几乎全部缺席,只有兆易创新在 NOR Flash 这个相对小众的市场分得了一杯羹。

当然好消息还是有的,作为 NAND Flash 发展主力的长江存储今年底前将依照进程正式量产64层 Xtacking 3D NAND 产品,紫光集团于6月30日正式发文公告组建 DRAM 事业群。再加上几乎所有IT战场都能看到身影的华为,国内存储企业正在半导体存储领域奋起直追。

路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。

本文作者:朝歌夜弦

    本文作者:常垒资本 责任编辑:牛透社 本文来源:牛透社
声明:本文由入驻牛透社的作者撰写,观点仅代表作者本人,绝不代表牛透社赞同其观点或证实其描述。
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