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硬盘存储的物理本质是什么?各类存储设备原理大揭秘
作者: 阿怪看世界 2019-05-16 14:57 【今日头条】

 简述“存储”的发展史

早在几千年前,远古时代的人们就使用龟甲、兽骨和石块来记录(存储)文字信息;

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​后来,古人们又使用竹片、绢帛跟碳墨来记录各种信息;

硬盘存储的物理本质是什么?各类存储设备原理大揭秘

​到近代,打点计时器的发明,人们发现小小的纸片跟一个个不同排列的孔洞也能起到记录信息的作用(英国天文学家,乔瑟琳·贝尔,就是通过分析“纸片上的孔洞”所记录的天文信息首次发现了脉冲星)

硬盘存储的物理本质是什么?各类存储设备原理大揭秘

脉冲星之母——乔瑟琳和她分析的“纸带”

​如今,我们存储信息的手段更是五花八门,有磁带、光盘、U盘、硬盘等等。不同的是,当今这些科学存储手段比起前人的方法,不那么直观,不容易理解,这就使得我们需要一个答案,去认知现代存储设备的物理本质究竟是什么

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​实现存储功能的基本条件

我们先来看看那些比较直观的储存物件:龟甲、竹片、具有孔洞的纸片以及前一篇文章中阿怪提到的“发条音乐盒”。

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发条音乐盒实现存储功能的部件

​我们再对这些物件作个归纳总结,发现了以下共同特征:

存储物件本身的物理结构和性质能长期保持不变;

存储物件的局部位置可以被人为控制,产生有规律的改变,并保持这种改变(比如:音乐盒的滚筒上被人制造出不同的凸点,这些凸点就存储着音乐信息,而金属音片就相当于这个音乐信息的读取设备)。

我们可以把这些存储物件称为信息的载体,同时把在这些载体上进行的人为改变方式称为信息的规则。于是,我们不难得出存储的基本条件就是:载体和规则。

理论上,任何物理性质稳定的物体都可以作为载体(即,可以做存储设备),同时可以人为的对信息记录规则进行任意定义(密码学就是由此诞生的:我们即使把载体看得一清二楚,如果不知道规则,信息也无法被破解)。

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你能破解这根羽毛携带的信息吗?

​由此,阿怪有个发散性的思考:对于任何一块石头或者其他大自然中的物体,风吹日晒这些自然现象都会对它产生一定的改变(即被记录下信息),如果我们人类能破译这些大自然的“记录规则”,不就能得到非常详尽的大自然给我们的信息了吗?而实际上,考古学家就是用这样的原理在为我们破译历史的信息。

阿怪似乎跑题啦,我们赶快言归正传。根据之前得出的结论,我们现在只需要弄清楚磁带、硬盘等这些现代存储设备的两大基本条件,就能很好的认知到这些存储设备的物理本质了!

电子存储设备的物理基础

在这里,阿怪就直接抛出答案了:现代电子存储设备的物理基础就是对电磁学及光电学的应用。

磁带存储的物理过程

磁带的胶条上被涂满了磁性物质(细磁粉),信息录入时,变化的电流引起磁场发生强弱和方向的改变,当这些胶条通过变化的磁场时,上面的细磁粉就会随着磁场的变化发生排布方式的改变,就像军训中听教官口令而改变队形的我们,这样信息就被记录在了胶条上。当我们播放磁带时,胶条上细磁粉随着胶条的移动而产生变化的磁场,这些变化的磁场又会引起播放器中电流发生相应的变化,通过电流与喇叭的相互转换作用,我们就能听到之前录的一首首美妙的音乐了。

磁带的物理基础就是电磁感应原理,胶条就是信息的载体。值得注意的是,磁带记录的信息规则跟电脑的信息规则(二进制)是不匹配的,磁带上磁粉的排布可以出现多种方式,也就是信息单元更多、更复杂,随着电脑的普及使用,具有“特立独行”信息规则的磁带也就慢慢被淘汰了。

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初中我们做过的电磁感应实验

​光盘存储的物理过程

光盘,顾名思义,利用的就是物质对于光具有不同反射率的原理来记录信息的。

最早的光盘,如果我们用放大镜去观察,会发现这些光盘表面并不“光滑”,是由许多不同排列规则的凹槽构成的。当激光扫过这些凹槽时,就会出现不同的反射光线,这些反射光线被光信号接收器接收并转换成不同强度的电流信号,如此我们就能读取光盘上“凹槽”所记录的信息了。这类光盘是由工厂统一刻制的,不能重复记录信息。

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​后来通过技术改进,人们在光滑的光盘表面涂上一层特殊物质,当不同强度的激光扫过这些物质时,会引起该物质极性的改变(极性:可理解为同一物体不同方向上的物理性质差异。举例:一个玻璃珠飞到茶杯口部就不受阻挡,飞到茶杯底部就会受到阻挡,同一个茶杯的口和底两个方向上就具有不同的极性),从而引起该物质反射率发生改变,由此起到了记录信息的作用。读取时,跟最初的光盘读取原理类似,用不会引起那种物质极性改变的激光扫过光盘表面,因反射率不同,会得到不同强度的反射光线,对这些光线信息进行相应的处理,就能读取我们需要的信息了。所以这种光盘就能实现一定次数的反复存储。

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​光盘存储的物理基础就是特殊材料的反射率变化,光盘就是信息的载体。同时,光盘的信息规则就跟电脑的二进制完全匹配起来了,反射率的强弱信号对应“0”、“1”,所以在之前的很长一段时期,光盘仍是电脑的主要存储工具,但是由于光盘对表面的光洁程度要求十分苛刻,容易因磨损而造成信息丢失,于是也慢慢被淘汰了。

U盘存储的物理过程

这里我们需要先认识一个重要物理元件:栅晶体管

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栅晶体管实物图,常用大小为毫米级,最小可达纳米级

​栅晶体管也属于半导体的一种,我们可以通过控制输入电压的高低使栅晶体管内部电容发生改变,并且这种改变在断电后依然能长时间保存,这样就起到了存储信息的作用。读取时,电流通过栅晶体管,因其内部电容的不同,会引起输出电流的强弱变化,这样的变化恰好对应于“0”、“1”的电脑语言,于是我们就能快速的获取想要的信息了。

U盘存储的物理基础就是电学元件随电压变化的材料特性,栅晶体管就是信息的载体。

因为U盘的小巧、便捷等优点,现在几乎成为了人手一个的的存储工具。但我们会想,既然U盘这么好用,而且还小巧,为什么不直接把它用于电脑的存储系统呢?

首先,电脑内存条的工作原理就跟U盘是类似的,不同的是,内存条没有能够保持电容或电压改变效果的元件结构,所以内存条只能在通电状态下实现暂时存储的功能。这么看来,其实电脑的存储系统中也有U盘的“踪迹”。

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​其次,由于U盘的物理结构和存储方式决定了它的存储上限,对于电脑而言,需要的存储量是U盘无法满足的,所以U盘只能作为电脑的辅助存储工具。

最后,在高强度的存储和读取工作中,U盘由于固化的物理结构,导致其散热是个很大的隐患,也不适用于电脑的存储系统。

所以,这项艰巨的任务还得由即将为大家介绍的“硬盘”来承担。

硬盘存储的物理过程

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阿怪的一个坏掉的硬盘

​为了直观的阐述硬盘的工作原理,阿怪把自己家里一个坏掉的硬盘拆开来为大家进行图解:

硬盘存储的物理本质是什么?各类存储设备原理大揭秘

硬盘的内部结构实物图

​硬盘存储的物理基础与前文提到的磁带一样,都是电磁感应原理,只是硬盘更为精密,其信息载体就是上图中的盘片(由于阿怪拍摄的盘片比镜子还光洁,所以拍出来的效果不是很好,大家应该能看见盘片的轮廓)。

录入信息时,上图红框区域控制电流变化,磁头的磁场随着电流变化而变化,当磁头靠近盘片某个位置时,该位置的磁极就跟着发生改变,于是不同的磁极情况分布就构成了我们需要存储的信息。(我们可以把盘片理解成由无数小磁针构成,磁头控制各个小磁针的针尖是向上还是向下,“上”“下”分别对应“0”“1”信息,这样就能把信息以这种二进制的方式保存起来了。)

同样的道理,读取信息时,磁头本身不通电,当它通过不同的盘片区域时,由于盘片磁场的变化,会引发磁头产生感应电流,这些不同变化的感应电流通过图中红框区域就被转换成我们之前录入的“0”“1”信息了。

硬盘存储的物理本质是什么?各类存储设备原理大揭秘

​看完以上的介绍,大家是不是觉得看起来不可思议的科技产品,其原理竟然如此简单!诚然,要理解这些存储设备的本质原理的确不难,但要把这些原理应用于生产制造,最终成为一个个精密的电子产品却是非常漫长的,其间需要极为精确的计算和制造手段。所以,科学技术厉害之处实质是科学工作者们的鬼斧神工!


标签:硬盘 

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