被时代遗忘的存储王者:磁芯存储器

原创 电路啊 2025-03-02 23:17

在如今这个科技飞速发展的时代,计算机存储技术可谓日新月异。从小巧便携的 U 盘,到容量巨大的固态硬盘,再到方便快捷的云存储,各种存储设备和技术不断涌现,为我们的生活和工作带来了极大的便利。然而,在计算机存储技术的发展历程中,有一个曾经占据重要地位的 “老古董”,如今却已逐渐被人们遗忘,它就是磁芯存储器。

对于很多 80 后、90 后来说,可能都没有听说过磁芯存储器这个名字。但在计算机发展的早期,它可是当之无愧的存储主角,统治存储领域长达 20 年之久 。在那个时代,计算机的体积庞大,运算速度相对较慢,而磁芯存储器作为计算机的主要存储设备,承担着存储程序和数据的重要任务。那么,这个已经被时代淘汰的磁芯存储器,究竟有着怎样的前世今生呢?接下来,就让我们一起走进磁芯存储器的世界,探寻它的奥秘。

一、诞生:天才华裔的创举

磁芯存储器的诞生,源于一位天才华裔科学家的智慧与创新,他就是美籍华人王安博士。1948 年,这是一个在计算机存储技术发展史上具有里程碑意义的年份,王安博士发明了磁芯存储器。

王安出生于中国上海,自幼便展现出了非凡的聪明才智,16 岁就考入了上海交通大学的电气工程专业。1945 年,他远渡重洋,前往美国哈佛大学深造,并于 1948 年获得了哈佛大学应用物理学博士学位 。毕业后,王安留在哈佛计算机实验室工作,主要研究电脑的设计和应用。在实验室里,他全身心地投入到对计算机存储技术的研究中,经过无数次的试验和探索,终于成功发明了磁芯存储器。

磁芯存储器的发明,是计算机存储技术的一次重大突破。它的出现,解决了当时计算机存储容量小、速度慢的难题,为计算机的发展奠定了坚实的基础。1949 年,王安凭借他研制的 “脉冲传输控制装置” 获得了美国专利,这一专利标志着磁芯存储器时代的正式开启。在随后的二十年里,磁芯存储器凭借其卓越的性能,成为了计算机主存储器的首选,广泛应用于各种计算机系统中,推动了计算机技术的飞速发展。

二、探秘:独特的工作原理

磁芯存储器能够在计算机发展史上留下浓墨重彩的一笔,凭借的正是其独特的工作原理。这一原理利用了磁性材料的特性,通过电流的作用来实现数据的存储和读取。接下来,就让我们深入了解一下磁芯存储器的工作原理。

(一)基本磁化原理

磁芯存储器的基本存储单元是微小的磁环,通常由铁氧体材料制成 。这些磁环非常小,直径一般在 1 到 2 毫米之间,它们被穿在导线上,形成一个阵列。当导线中流过不同方向的电流时,可使磁环按两种不同方向磁化,而这两种不同的磁化方向,就代表了计算机中的 “1” 和 “0”,信息便以这种磁场形式储存下来。

就好比我们在生活中使用的指南针,指针可以指向南北两个方向,磁芯的磁化方向就类似于指南针的指向,通过不同的指向来表示不同的信息。而事先可以通过实验和材料的工艺控制得到能够让磁芯磁化的电流最小阈值,只有当电流达到或超过这个阈值时,磁芯才会被磁化或者改变磁化方向。

(二)复杂的读写过程

1、写入:写入数据时,每个磁芯都有 X、Y 互相垂直的两个方向的导线穿过 。在需要写入的磁芯所对应的 X、Y 坐标线上各输入稍高于 50% 磁环磁化阈值的电流。此时,只有 X、Y 坐标对应的那个磁芯上会同时在两条线中都有电流,叠加之后会超过阈值的电流,磁芯因而磁化或者改变磁化方向,从而写入一位数据。而其他所有的磁芯内通过的电流或者是 0,或者是 50% 磁化阈值,都达不到磁化电流,所以不能被磁化,也就不会有数据写入。这就好像在一个布满小格子的棋盘上,我们只对特定坐标的格子进行标记,而其他格子则保持不变。
2、读出:读出数据的过程则比较复杂。分别在 X、Y 送入读出电流,读出电流的大小和写入的时候一样,也是略大于 50% 磁化阈值的电流,并且读出电流的方向是事先知道的。这样在 X、Y 寻址坐标所对应的那个磁芯里就会有超过阈值的电流。如果磁芯的本来磁场方向和读出电流所对应的磁场方向相反,那么由于磁芯的磁性状态发生翻转,会有巨大的磁通量变化,在斜穿的读出线上就会有大的感应电流,这时我们就知道这个磁芯存储的是和读出信号相反的数据;如果磁芯的本来磁场方向和读出电流所对应的磁场方向一样,那么由于磁芯的磁性状态没有发生变化,在斜穿的读出线上就不会有感应电流,我们就知道这个磁芯存储的是和读出信号相同的数据。
值得注意的是,磁芯存储器的读出是破坏性的。也就是说,在读完数据之后,无论原来磁芯上存的是什么数据,读过之后就都被写成同样的读出数据了。所以,必须有个办法在读出之后恢复存储的数据。读完之后需要立即另外重新再写一遍原先的数据进去,恢复本来的数据,方法就是前述的写入数据的方法,用放在缓存中的磁环中原来存储的数据写回去。这就好比我们在阅读一本书时,每读一页,这页的内容就会被自动修改成我们读过的标记,所以读完后还得手动把原来的内容再抄回去,是不是很麻烦呢?也正是因为这个原因,磁芯存储器的读操作相当麻烦,速度也比较慢 。

三、高光:辉煌的统治时期

凭借着稳定可靠的性能,磁芯存储器在 20 世纪 50 - 70 年代迎来了它的高光时刻,成为了计算机存储领域的主流技术,统治了计算机内存市场长达 20 年之久。在这期间,磁芯存储器得到了广泛的应用,几乎所有的计算机都采用了磁芯存储器作为主存储器。

从大型机到小型机,从科研机构到商业公司,磁芯存储器无处不在。它不仅为计算机的普及和应用提供了坚实的支持,还推动了计算机技术的不断发展和创新。在那个时代,磁芯存储器的容量和速度不断提升,从最初的几千字节发展到后来的几兆字节,甚至几十兆字节,速度也从最初的几微秒提升到了几百纳秒。

在早期的太空探索时代,计算机技术在航天任务中发挥着至关重要的作用,而磁芯存储器因其可靠性,成为了航天计算机的首选存储设备。在 1969 年,美国阿波罗 11 号成功登陆月球,这一人类历史上的伟大壮举背后,就离不开磁芯存储器的支持。当时,阿波罗 11 号飞船上的计算机采用了磁芯存储器,存储了大量的飞行程序和数据,确保了飞船在复杂的太空环境中能够准确地执行各种任务,实现了人类首次登月的梦想。

此外,在早期的军事领域,磁芯存储器也发挥了重要作用。它被应用于各种军事计算机系统中,为军事指挥、控制、通信等提供了可靠的数据存储和处理支持。在冷战时期,磁芯存储器更是成为了各国军事竞赛中的关键技术之一,其性能的优劣直接影响着军事装备的战斗力和作战效能。

四、落幕:被替代的无奈

然而,科技的发展是永不停歇的,任何技术都无法永远占据主导地位。随着集成电路技术的飞速发展,半导体存储器应运而生。1970 年,IBM 用存储芯片替代磁芯,这一标志性事件拉开了半导体存储器取代磁芯存储器的序幕 。英特尔于 1971 年研发 DRAM 和 EPROM,随后,半导体存储器凭借着速度快、体积小、功耗低、成本低等诸多优势,逐渐在存储领域崭露头角,对磁芯存储器的统治地位发起了强有力的挑战。

与磁芯存储器相比,半导体存储器的读写速度更快,能够满足计算机对数据处理速度日益增长的需求。而且,半导体存储器的体积非常小,可以将大量的存储单元集成在一个小小的芯片上,这使得计算机的体积得以大幅缩小,为计算机的小型化和便携化发展提供了可能。此外,半导体存储器的功耗也更低,更加节能环保,成本也在不断降低,使得计算机的价格更加亲民,更易于普及。

在半导体存储器的猛烈冲击下,磁芯存储器的市场份额逐渐被蚕食,最终在 20 世纪 70 年代末 80 年代初,磁芯存储器逐渐退出了历史舞台,成为了计算机发展史上的一段回忆 。尽管磁芯存储器已经不再被广泛使用,但它在计算机存储技术发展历程中的重要地位是不可磨灭的。它为后来的存储技术发展奠定了坚实的基础,其工作原理和设计理念也为后续的研究和创新提供了宝贵的经验和启示。

五、余音:名称的延续

虽然磁芯存储器早已退出历史舞台,但它的影响却依然存在。在现代计算机领域,我们仍然可以看到一些与磁芯存储器相关的术语和概念,它们就像是磁芯存储器留下的 “遗产”,见证着那段辉煌的历史。

其中一个典型的例子就是 “Core Dump”。在程序崩溃或异常中断时,操作系统会将当时的内存状态记录下来,保存在一个文件中,这个过程就叫做 “Core Dump”,中文一般翻译成 “核心转储” 。这里的 “Core” 一词,就沿用了磁芯存储器中 “磁芯” 的英文 “Core”,它代表着内存。尽管如今的计算机内存早已不再使用磁芯,但这个名字却被保留了下来,成为了计算机领域的一个专业术语,体现了磁芯存储器在计算机发展史上的深远影响。

除了 “Core Dump”,还有一些其他的术语和概念也与磁芯存储器有着千丝万缕的联系。这些术语和概念的存在,不仅让我们了解到计算机技术的发展历程,也让我们更加珍惜现代计算机技术所带来的便利和高效。

六、回首:科技浪潮中的沉浮

回顾磁芯存储器的发展历程,我们不难发现,它的兴衰正是科技发展的一个缩影。从诞生时的惊艳登场,到辉煌时期的广泛应用,再到落幕时的无奈退场,磁芯存储器见证了计算机存储技术的飞速发展。

在科技的浪潮中,没有一种技术能够永远保持领先,不断创新和进步才是推动行业发展的核心动力。正如磁芯存储器被半导体存储器所取代一样,如今的存储技术也在不断演进,新的存储技术如量子存储、DNA 存储等正在悄然兴起,它们有望为我们带来更高效、更强大的存储体验。

作为科技爱好者,我们应该关注科技发展的动态,感受科技进步带来的魅力。同时,磁芯存储器的故事也提醒着我们,在享受现代科技带来的便利时,不要忘记那些为科技发展做出贡献的先驱们,他们的智慧和努力是科技进步的基石。

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