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2016年是硬盘驱动器60周年纪念日。尽管新电脑不断采用固态硬盘作为主存储器,但是硬盘驱动器一直是低成本、高性能存储器中的龙头老大。这也是为什么我们还在使用它的一个重要原因。让我们登上时光机,回顾一下硬盘驱动器史。让我们也想想未来将是什么样的?

始于RAMAC

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IBM推出了首台商用硬盘驱动器计算机,取名 RAMAC—— 是“Random Access Method of Accounting And Control“的缩写。它的存储系统叫做:IBM350。RAMAC大得要整间房子来存放。单单硬盘驱动器存储系统就大约两个冰箱那么大。里面存放50个直径为24英寸的盘片。

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为此,RAMAC客户最终拿到的内存不足5MB——没错,5兆字节的存储。IBM的市场营销人员不想开RAMAC店的人比它的内存字节数都多。他们不知道如何说服客户,让他们购买更多的存储器。

IBM的客户可出资3200美元购买访问和存储信息的特权,就一个月(IBM租赁该系统)。相当于2016年每月近28000美元。

六十年前,每个月每兆字节数据存储成本是640美元,以IBM1956年的存储来说,一个新的iPhone 7一个月要花费你大约2050万美元。把RAMAC放入你的包里也是一件难事。

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即插即用

我们现在可以将2 TB 的数据存入邮票大小的SD 卡上,然而半个世纪之前一切完全不同。 IBM不断改进早期的硬盘存储设备,但是整个系统仍然非常沉重而庞大。

到20世纪60年代初,IBM的大型机客户渴望更多的存储容量,但他们没有空间继续新增添冰箱大小的存储设备了。 所以 IBM里聪慧的工程师们想出了一个方案: 可移除的存储设备。

1962年面世的IBM 1311 磁盘驱动器, 使得IBM 1316 “磁盘盘片组”流行起来。 IBM的大型机客户可以用它们尽量扩展到需要的或者承受得起的容量。 IBM 大幅缩小盘片的大小, 从24英寸直径减少到了14英寸。9磅重的盘片组能够装入大小大约和现在的洗衣机相当的驱动器里。 每个盘片组的容量是大约2MB。

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对于我来说,印象最深刻的是在1970年代中期,我还是个孩子的时候,参观了一个数据中心,近距离接触到了可装卸的IBM磁盘盘片组。 它们是一个大的顶部有提手的密封塑料盒,大小、形状和生日蛋糕盒相仿。

计算机已经从商业活动中昂贵的新奇设备转变为对于完成工作越来越重要的设备。 事实是IBM的System/360成为了当时非常流行和具有影响力的大型机。IBM 制作了不同的子型号,需要灵活的存储系统来服务整个360系列产品线。所以 IBM 制订了一个标准的硬盘设备互联规范。别的厂家也遵循了这个规范,出现了作坊式的<cottage industry>第三方硬盘存储设备。

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PC革命

直到直到20世纪70年代, 计算机还是巨大,昂贵,高度定制化的,只有最大的企业,大学和政府机构才能承受的起。电子元器件的降价, 存储芯片密度的增加和其他因素使个人电脑的新兴产业出现。

最初,个人电脑只有弱到几乎可以忽略的存储能力。有些型号用穿孔纸带,有些使用录音带来存储数据。之后个人计算机会具备读写软盘的能力,随着时间的推移,后来硬盘的价格会下降到让每个电脑用户都承受的起。

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在 1980年, 一个设立不久的创业公司Shugart Technology发布了适合当年个人电脑能够安装的 5 MB硬盘。 盘片的直径略小与5.25 英寸< It was a scant 5.25 inches in diameter.>。硬盘售价$1,500.,这款硬盘在80年代相当流行,成为了当时PC的事实标准。Shugart将名字更改为Seagate Technology. 是的,就是今天的Seagate。

在25年间, 硬盘科技的进步将冰箱大小的设备缩小到盘片直径小于直径6英寸。 但是这样的进步和接下来25年的进步相比,实在是微不足道。

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RAID技术的到来

 Backblaze的一个重要背景情节出现在20世纪80年代末,三个来自UC伯克利大学计算机科学家投票决定了一篇提交到 SIGMOD 会议上的论文的名词:“RAID” 。 这个会议现在仍然每年举行一次。

RAID 是 “Redundant Array of Inexpensive Disks”(廉价磁盘冗余阵列)的首字母缩写。 RAID的理念是将几个独立的存储设备(即,硬盘)组合成一个逻辑设备。 将数据的读写分布到几个设备上来执行可以提高数据传输的速度。RAID还可以降低丢失数据的可能性。

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这个在70年代开始流行的想法并不是这几个来自Berkeley的研究员首先想出来的。“RAID”这个名称的确是他们抛硬币选出来的。

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RAID是Backblaze赖以生存的根本。我们的存储池<Storage Pods>使用了RAID技术。我们最新的Storage Pod design 将 60块硬盘组合成4 RAID 阵列。Backblaze 使用实现我们自有的 Reed-Solomon erasure coding mechanism扩展了这项技术,使得它能够用于我们的 Backblaze Vaults

我们最新的Storage Pod设计让我们能够在占据4U机架或者7英寸高设备架<equipment rack>的空间中存下480TB数据。远比RAMAC占据冰箱大小却只能存储5MB数据强得多了。事实上存储密度增加了9.6亿倍。

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更大, 更好, 更快, 更多

在整个20世纪80年代和20世纪90年代, 硬盘驱动器和PC制造商让市场发生了翻天覆地的变化。 5.25英寸硬盘很快就被 3.5英寸硬盘淘汰了(Backblaze现在仍然在 Storage Pods中使用为当今个人电脑所设计的3.5英寸硬盘。 ) 当笔记本电脑越来越火之后,硬盘尺寸再一次缩减到2.5英寸. 如果你今天正在使用笔记本电脑, 它很有可能就搭载了一块2.5英寸的硬盘。

对存储更好,更快,,更可靠,更灵活的要求催生了各种各样的接口:IDE, SCSI, ATA, SATA, PCIe. 硬盘制造商通过提高硬盘马达转速来提高传输速率。5,400 RPM是标准转速,而将转速提高到7,200转能够得到更好的性能。 Seagate, Western Digital,和其他厂商进一步发布了10,0000-RPM和最高的15,000-RPM 转速硬盘。

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IBM 在商用硬盘事业上锐意进取,持续几十年将无数的硬盘创新推向市场。 2003年, IBM将其存储事业部出售给Hitachi. 我们在Backblaze 使用的许多日立硬盘 上可以找到和IBM的联系。

固态硬盘

虽然硬盘在早期的电脑中就得到应用,但基于RAM的存储设备也同时开发出来。内存无法承受的高昂价格,复杂性,尺寸和必须保持供电来维持数据的特点让基于内存的存储设备几乎没有任何实用价值,仅仅在超级计算机和大型机市场中才有高度定制化和昂贵的(基于RAM的存储设备的市场。)

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最终非易失性RAM 变得快速,可靠和足够廉价,使得SSD的量产成为可能,但是还是有不足,他们昂贵得令人难以置信。 到20世纪90年代初, 你需要花$1,000才能为你的PC配上一块SSD SSD(折合每MB售价$50)。相比而言,当时的硬盘每MB售价已经低于$1, 在之后还要暴跌blog-ssd-closeup

真正的突破要等到基于闪存的 SSD被开发出来。 在2000年代中期,Samsung, SanDisk和其它厂商将可以直接取代掉硬盘的基于闪存的SSD推向市场。 SSDs变得越来越快,越来越小,越来越丰富。现在的 PC、Mac 和智能手机全都应用了各种各样的闪存存储,还将要在这条道路上发展下去。 因为SSD性能更好,更节能, 能让设备更轻薄,难怪它会得到这么广泛的应用了。

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值得尊敬的机械硬盘爷爷来到这个世界上已经经过60个年头了,但对于重视每GB成本的应用来说机械硬盘的地位仍然不可撼动。 SSD厂商正在努力尝试将SSD的成本降低到能够和机械硬盘相比,但是他们距离目标仍然还有很远的距离。传统的机械硬盘仍然是你存储大量数据时单位容量成本最低的选择。

我们还是可以希望梦想有一天能够实现。整个夏天,我们团队的 Andy Klein 一直在期望在我们的一个Storage Pods中装满Seagate的新款60 TB SSD会是什么样子。 目前他只能先算算价格过过瘾<He had to guess at the price>,不过根据当前的行情,一个基于60块SSD的Storage Pod 需要花费Backblaze差不多120万美元。

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Backblaze的会计部门对于Andy的这个想法估计不会很认同,所以一时半会应该还实现不了这个愿望。

对于未来的畅想

随着电脑和手机逐渐从使用硬盘过渡到使用SSD, 人们很容易认为硬盘是一个将要被淘汰的过时技术。 不过我建议人们发表看法时保持一点谨慎,看起来硬盘已死的说法每隔几年就会冒出一次。与此同时,硬盘制造商一直在钻研让机械硬盘不落伍的技术。

毫无疑问,硬盘市场正处于衰退和转型时期.。机械硬盘的销量连年下滑。消费者转而购买SSD ,甚至离开Mac和 PC平台而转用移动设备处理他们的工作。

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无论如何,硬盘驱动器的创新和发展仍在继续。 我们在自己的存储盒中装入8 TB硬盘。 10 TB硬盘已经出货,甚至更高容量的3.5英寸硬盘也在发展。

硬盘制造商不断提高面密度 - 可以物理地填充到磁盘上的信息量。 他们还发现了将更多的盘片装入单个驱动器,然后用氦气填充它的方法。 可悲的是这不能使驱动器浮动,打破了我创建一个Backblaze数据中心飞船的幻想。

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那么SSD是未来存储的唯一选择吗?现在看结果暂时还不是那么确定<Not for a while.> 。Seagate 仍然相近机械硬盘存在未来。 其CFO预计在未来15-20年机械硬盘仍然会占据相当一部分的市场。研究人员预言在下一个十年推向市场的硬盘将存储比现在一个数量级的数据– 100 TB甚至更多。

认为这不可能?想象一下,把一块10TB的硬盘递给1956年的RAMAC操作员,告诉他手上这块3.5英寸盘存的数据是他们眼前操作的这些大块头的两百万倍。他们一定会认为你是疯子。

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