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簡述“存儲”的發(fā)展史

早在幾千年前，遠(yuǎn)古時代的人們就使用龜甲、獸骨和石塊來記錄(存儲)文字信息; 

​后來，古人們又使用竹片、絹帛跟碳墨來記錄各種信息; 

​到近代，打點(diǎn)計時器的發(fā)明，人們發(fā)現(xiàn)小小的紙片跟一個個不同排列的孔洞也能起到記錄信息的作用(英國天文學(xué)家，喬瑟琳·貝爾，就是通過分析“紙片上的孔洞”所記錄的天文信息***發(fā)現(xiàn)了脈沖星) 。

脈沖星之母——喬瑟琳和她分析的“紙帶”

​如今，我們存儲信息的手段更是五花八門，有磁帶、光盤、U盤、硬盤等等。不同的是，當(dāng)今這些科學(xué)存儲手段比起前人的方法，不那么直觀，不容易理解，這就使得我們需要一個答案，去認(rèn)知現(xiàn)代存儲設(shè)備的物理本質(zhì)究竟是什么。

​實(shí)現(xiàn)存儲功能的基本條件

我們先來看看那些比較直觀的儲存物件：龜甲、竹片、具有孔洞的紙片以及前一篇文章中阿怪提到的“發(fā)條音樂盒”。 

發(fā)條音樂盒實(shí)現(xiàn)存儲功能的部件

​我們再對這些物件作個歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了以下共同特征：

存儲物件本身的物理結(jié)構(gòu)和性質(zhì)能長期保持不變;

存儲物件的局部位置可以被人為控制，產(chǎn)生有規(guī)律的改變，并保持這種改變(比如：音樂盒的滾筒上被人制造出不同的凸點(diǎn)，這些凸點(diǎn)就存儲著音樂信息，而金屬音片就相當(dāng)于這個音樂信息的讀取設(shè)備)。

我們可以把這些存儲物件稱為信息的載體，同時把在這些載體上進(jìn)行的人為改變方式稱為信息的規(guī)則。于是，我們不難得出存儲的基本條件就是：載體和規(guī)則。

理論上，任何物理性質(zhì)穩(wěn)定的物體都可以作為載體(即，可以做存儲設(shè)備)，同時可以人為的對信息記錄規(guī)則進(jìn)行任意定義(密碼學(xué)就是由此誕生的：我們即使把載體看得一清二楚，如果不知道規(guī)則，信息也無法被破解)。

你能破解這根羽毛攜帶的信息嗎?

​由此，阿怪有個發(fā)散性的思考：對于任何一塊石頭或者其他大自然中的物體，風(fēng)吹日曬這些自然現(xiàn)象都會對它產(chǎn)生一定的改變(即被記錄下信息)，如果我們?nèi)祟惸芷谱g這些大自然的“記錄規(guī)則”，不就能得到非常詳盡的大自然給我們的信息了嗎?而實(shí)際上，考古學(xué)家就是用這樣的原理在為我們破譯歷史的信息。

阿怪似乎跑題啦，我們趕快言歸正傳。根據(jù)之前得出的結(jié)論，我們現(xiàn)在只需要弄清楚磁帶、硬盤等這些現(xiàn)代存儲設(shè)備的兩大基本條件，就能很好的認(rèn)知到這些存儲設(shè)備的物理本質(zhì)了!

電子存儲設(shè)備的物理基礎(chǔ)

在這里，阿怪就直接拋出答案了：現(xiàn)代電子存儲設(shè)備的物理基礎(chǔ)就是對電磁學(xué)及光電學(xué)的應(yīng)用。

磁帶存儲的物理過程

磁帶的膠條上被涂滿了磁性物質(zhì)(細(xì)磁粉)，信息錄入時，變化的電流引起磁場發(fā)生強(qiáng)弱和方向的改變，當(dāng)這些膠條通過變化的磁場時，上面的細(xì)磁粉就會隨著磁場的變化發(fā)生排布方式的改變，就像軍訓(xùn)中聽教官口令而改變隊形的我們，這樣信息就被記錄在了膠條上。當(dāng)我們播放磁帶時，膠條上細(xì)磁粉隨著膠條的移動而產(chǎn)生變化的磁場，這些變化的磁場又會引起播放器中電流發(fā)生相應(yīng)的變化，通過電流與喇叭的相互轉(zhuǎn)換作用，我們就能聽到之前錄的一首首美妙的音樂了。

磁帶的物理基礎(chǔ)就是電磁感應(yīng)原理，膠條就是信息的載體。值得注意的是，磁帶記錄的信息規(guī)則跟電腦的信息規(guī)則(二進(jìn)制)是不匹配的，磁帶上磁粉的排布可以出現(xiàn)多種方式，也就是信息單元更多、更復(fù)雜，隨著電腦的普及使用，具有“特立獨(dú)行”信息規(guī)則的磁帶也就慢慢被淘汰了。

初中我們做過的電磁感應(yīng)實(shí)驗

​光盤存儲的物理過程

光盤，顧名思義，利用的就是物質(zhì)對于光具有不同反射率的原理來記錄信息的。

最早的光盤，如果我們用放大鏡去觀察，會發(fā)現(xiàn)這些光盤表面并不“光滑”，是由許多不同排列規(guī)則的凹槽構(gòu)成的。當(dāng)激光掃過這些凹槽時，就會出現(xiàn)不同的反射光線，這些反射光線被光信號接收器接收并轉(zhuǎn)換成不同強(qiáng)度的電流信號，如此我們就能讀取光盤上“凹槽”所記錄的信息了。這類光盤是由工廠統(tǒng)一刻制的，不能重復(fù)記錄信息。

​后來通過技術(shù)改進(jìn)，人們在光滑的光盤表面涂上一層特殊物質(zhì)，當(dāng)不同強(qiáng)度的激光掃過這些物質(zhì)時，會引起該物質(zhì)極性的改變(極性：可理解為同一物體不同方向上的物理性質(zhì)差異。舉例：一個玻璃珠飛到茶杯口部就不受阻擋，飛到茶杯底部就會受到阻擋，同一個茶杯的口和底兩個方向上就具有不同的極性)，從而引起該物質(zhì)反射率發(fā)生改變，由此起到了記錄信息的作用。讀取時，跟最初的光盤讀取原理類似，用不會引起那種物質(zhì)極性改變的激光掃過光盤表面，因反射率不同，會得到不同強(qiáng)度的反射光線，對這些光線信息進(jìn)行相應(yīng)的處理，就能讀取我們需要的信息了。所以這種光盤就能實(shí)現(xiàn)一定次數(shù)的反復(fù)存儲。

​光盤存儲的物理基礎(chǔ)就是特殊材料的反射率變化，光盤就是信息的載體。同時，光盤的信息規(guī)則就跟電腦的二進(jìn)制完全匹配起來了，反射率的強(qiáng)弱信號對應(yīng)“0”、“1”，所以在之前的很長一段時期，光盤仍是電腦的主要存儲工具，但是由于光盤對表面的光潔程度要求十分苛刻，容易因磨損而造成信息丟失，于是也慢慢被淘汰了。

U盤存儲的物理過程

這里我們需要先認(rèn)識一個重要物理元件：柵晶體管

柵晶體管實(shí)物圖，常用大小為毫米級，最小可達(dá)納米級

​柵晶體管也屬于半導(dǎo)體的一種，我們可以通過控制輸入電壓的高低使柵晶體管內(nèi)部電容發(fā)生改變，并且這種改變在斷電后依然能長時間保存，這樣就起到了存儲信息的作用。讀取時，電流通過柵晶體管，因其內(nèi)部電容的不同，會引起輸出電流的強(qiáng)弱變化，這樣的變化恰好對應(yīng)于“0”、“1”的電腦語言，于是我們就能快速的獲取想要的信息了。

U盤存儲的物理基礎(chǔ)就是電學(xué)元件隨電壓變化的材料特性，柵晶體管就是信息的載體。

因為U盤的小巧、便捷等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在幾乎成為了人手一個的的存儲工具。但我們會想，既然U盤這么好用，而且還小巧，為什么不直接把它用于電腦的存儲系統(tǒng)呢?

首先，電腦內(nèi)存條的工作原理就跟U盤是類似的，不同的是，內(nèi)存條沒有能夠保持電容或電壓改變效果的元件結(jié)構(gòu)，所以內(nèi)存條只能在通電狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)暫時存儲的功能。這么看來，其實(shí)電腦的存儲系統(tǒng)中也有U盤的“蹤跡”。

​其次，由于U盤的物理結(jié)構(gòu)和存儲方式?jīng)Q定了它的存儲上限，對于電腦而言，需要的存儲量是U盤無法滿足的，所以U盤只能作為電腦的輔助存儲工具。

***，在高強(qiáng)度的存儲和讀取工作中，U盤由于固化的物理結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其散熱是個很大的隱患，也不適用于電腦的存儲系統(tǒng)。

所以，這項艱巨的任務(wù)還得由即將為大家介紹的“硬盤”來承擔(dān)。

硬盤存儲的物理過程 

阿怪的一個壞掉的硬盤

​為了直觀的闡述硬盤的工作原理，阿怪把自己家里一個壞掉的硬盤拆開來為大家進(jìn)行圖解： 

硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

​硬盤存儲的物理基礎(chǔ)與前文提到的磁帶一樣，都是電磁感應(yīng)原理，只是硬盤更為精密，其信息載體就是上圖中的盤片(由于阿怪拍攝的盤片比鏡子還光潔，所以拍出來的效果不是很好，大家應(yīng)該能看見盤片的輪廓)。

錄入信息時，上圖紅框區(qū)域控制電流變化，磁頭的磁場隨著電流變化而變化，當(dāng)磁頭靠近盤片某個位置時，該位置的磁極就跟著發(fā)生改變，于是不同的磁極情況分布就構(gòu)成了我們需要存儲的信息。(我們可以把盤片理解成由無數(shù)小磁針構(gòu)成，磁頭控制各個小磁針的針尖是向上還是向下，“上”“下”分別對應(yīng)“0”“1”信息，這樣就能把信息以這種二進(jìn)制的方式保存起來了。)

同樣的道理，讀取信息時，磁頭本身不通電，當(dāng)它通過不同的盤片區(qū)域時，由于盤片磁場的變化，會引發(fā)磁頭產(chǎn)生感應(yīng)電流，這些不同變化的感應(yīng)電流通過圖中紅框區(qū)域就被轉(zhuǎn)換成我們之前錄入的“0”“1”信息了。 

​看完以上的介紹，大家是不是覺得看起來不可思議的科技產(chǎn)品，其原理竟然如此簡單!誠然，要理解這些存儲設(shè)備的本質(zhì)原理的確不難，但要把這些原理應(yīng)用于生產(chǎn)制造，最終成為一個個精密的電子產(chǎn)品卻是非常漫長的，其間需要極為精確的計算和制造手段。所以，科學(xué)技術(shù)厲害之處實(shí)質(zhì)是科學(xué)工作者們的鬼斧神工!