内存存储器存储

【IT产业20年变迁】从0到1的二进制世界，存储设备20年发展历程

在计算机的冯·诺依曼体系结构中，程序本身被当作数据进行存储和处理，因此计算机的性能往往受制于存储器的性能。在...

在计算机的冯·诺依曼体系结构中，程序本身被当作数据进行存储和处理，因此计算机的性能往往受制于存储器的性能。在PC中，计算机的性能和内存、硬盘紧密相关。回顾PC发展的20年，无论是内存还是外部存储，都经历了重大的升级过程。从SDRAM到DDR4，从HDD到SSD，这20年，存储的进化为系统性能和终端用户体验带来了怎样的变化？

更快、更宽

20年内存技术发展回顾

内存的发展和所有其他的PC硬件不一样，由于JEDEC的严格规范和兼容性的严格限制，内存总是先通过统一的标准，然后由各个厂商根据标准进行生产。由于规范统一、规格一样且没有太多可操作空间，内存总是随着一代又一代产品的升级，不紧不慢地向前发展着。

从Pentium到Pentium III的SDRAM时代

内存在早期都是采用插针设计，人们需要根据CPU的搭配选择不同的芯片，插接到主板上。从386开始，内存开始以SIMM标准接口的芯片焊接的方式出现。内存标准最重要的变化来自于Pentium时代，由于CPU数据总线位宽升级到了64bit，因此原有的32bit SIMM的内存条变成了双面都可以传输数据的DIMM，这也是今天所有内存的基础。

DIMM奠定了内存在总线位宽和金手指也就是接口上的物理方案，那么数据传输上就需要更统一的规范来规定了。Pentium处理器诞生后，在英特尔等厂商的推广下，SDRAM（同步动态随机存储器）走上了舞台。SDRAM在当时的优势是可以与CPU的外频完美契合。比如Pentium处理器的外频是66MHz，那么可以使用66MHz的SDRAM来实现数据传输的一致性。随后Pentium II出现了100MHz的SDRAM内存，Pentium III时代PC-133内存也就是133MHz的SDRAM内存也粉墨登场。

▲SDRAM PC-133内存。

内存的频率上去了，容量也在不断前行。Pentium时代，内存的容量普遍只有8MB、16MB。随着半导体工艺不断提升，制程工艺不断优化，内存的容量也在大幅度攀升。到了Pentium III时代，内存容量已经可以做到单条256MB，大大缓解了系统存储拥堵的状况。

DDR时代：DDR5会出现吗？

实际上，作为存储芯片，其物理频率上升是很困难的，SDRAM在166MHz下就被认为几乎达到了大规模生产的极限。这时候就需要新技术来完成内存带宽的提升，接棒的就是现在依然在使用的DDR内存（双倍速率同步动态随机存储器）。

严格来说，DDR和SDRAM是“一家人”，它的优势在于内存的预取数据从之前SDRAM的“1bit”提升到了“2bit”，相应数据延迟会略微加大，不过带来的直接效应就是带宽翻倍。DDR生产方便，只需要在SDRAM产线上稍加改造即可，因此价格低廉。

最初，英特尔并没有选择DDR内存来配合Pentium 4处理器高达400MHz的前端总线，而是选择了RDRAM。在这种情况下，威盛决定动手赌一把，推出了支持DDR内存的P4X266芯片组，将DDR内存推向Pentium 4平台。搭配DDR内存的K4X266芯片组相比RDRAM的平台，性能差距并没有价格差距那么夸张。在这种情况下，英特尔不得不低下高昂的头颅，DDR大获全胜。

在DDR胜利之后，内存的发展就没有太多波澜了。其中Pentium 4时代处理器的前端总线提升到了800MHz，DDR 400再次不够用，但是聪明的厂商推出了双通道内存技术，通过两个通道内存同时向CPU提供数据，满足了高频率CPU总线的需求。这种技术一直被应用到今天，并且已经出现了三通道、四通道内存技术。

进入双核心时代后，内存的频率上升又遇到了物理瓶颈。于是JEDEC组织宣布将内存的预取从DDR的2bit，再度提升到4bit，诞生了DDR2内存。整个DDR2内存周期中，英特尔的产品从Pentium D（i915）进化到了Core 2（P35/P45），时间跨度也从2004年持续到2007年。

DDR3是有史以来寿命最长的内存类型，从2007年登场后一直到今天都存在，规格也从最初的DDR3 800一路提升至DDR3 1600，甚至是DDR3 2133。在长达接近10年的使用之后，DDR3也走入了生命的末期，DDR4内存也已经全面铺开。DDR4相比DDR3，预取再度翻倍，从之前的8bit翻倍至16bit。首款支持DDR4内存的芯片组是英特尔X79。目前最新的300系列芯片组已经不再提供对DDR3内存的支持，只支持DDR4。DDR4规格从DDR4 1600起跳，DDR4 2133、DDR4 2400甚至DDR4 2800、DDR4 3200等都有出现。

目前是DDR4内存的盛年，据业内消息，DDR5内存的相关草案已经发布，很有可能在数年后正式上市。

性能大提速

从HDD到SSD的潘多拉魔盒

说起HDD也就是机械硬盘，它的历史远比我们想象的要长得多。在1956年机械硬盘诞生后，它的物理规格就基本确定，随后在长达60多年的时间里，机械硬盘不断提升速度和容量，变成我们今天看到的样子。SSD也就是固态硬盘，它的出现也比较早，1976年，使用RAM的SSD就已经出现在实验室中了。HDD和SSD，这对兄弟的发展史，就是一部数据存储的发展史。

HDD：从6.4GB到10TB

HDD的原理从诞生后到现在就几乎没有改变：旋转的磁盘使用环道记录数据，非接触式的移动磁头通过不断改变位置，利用电磁感应读取环道上的磁信息并转化成电信号。这种被称作“温彻斯特”结构的硬盘，从诞生之后到现在，速度和容量都发生了天翻地覆的变化。

在17年前的2000年，硬盘市场还是一片激烈竞争的火热现象，存在着不少热门品牌。在衡量硬盘性能的转速上，那时候大部分硬盘都达到了5400转，也出现部分7200转硬盘，单碟容量达到了20GB。随着技术不断进步，人们能制造更强大的巨磁阻、超巨磁阻磁头，以及硬盘碟片磁性的不断增强、垂直记录技术、稀有金属、SMR叠瓦式技术的融入，硬盘容量暴力攀升至2010年的1TB左右，随后迅速突破2TB、3TB、4TB等，今天我们甚至能在市场上看到10TB、12TB硬盘。

容量增加后，速度怎么样呢？先来看看传输接口。2000年左右，硬盘采用接口还是并行传输PATA模式，速度从33MB/s到133MB/s，具体规范是Ultra ATA33到Ultra ATA133。随着硬盘传输速度增加，并行传输的数据线不断加宽、同步日趋困难，因此业内决定全面转向高速串行接口SATA。SATA 1.0规范的带宽为150MB/s，SATA 2.0提升至300MB/s，今天主流的SATA 3.0规范则增加到600MB/s。随后，SATA组织转向SATA Express，借助PCI-E总线进一步提升带宽。

虽然接口速度大提升，但是硬盘本身的读写速度提升并不理想。硬盘速度的瓶颈在于，物理结构限制使得硬盘盘内读写速度一直难以显著提升，寻道时间更是无法改善。2017年最快的硬盘的持续读写速度最大约220MB/s，相比2000年提升大约3倍，但依然无法跟上CPU主频和内存速度的提升。寻道时间方面，目前的硬盘寻道时间可以控制在7ms左右，基本达到极限，但是SSD的寻道时间却在ns级别。

硬盘的速度的提升除了依靠盘片密度提升，最根本的方法还是提升转速，但这条路也基本走到了尽头。近20年来，硬盘的转速提升至7200转后，就几乎没有继续前行了。总的来看，HDD目前的优势在于可以进一步提升存储容量，借助各种技术将存储容量提升至10TB以上，以更低廉的价格提供更高的存储空间是它的主要发展方向。

SSD：从100MB/s到4GB/s

SSD诞生的很早，但是高昂的价格一直是阻碍其发展的最大因素。SSD从1976年诞生后30年都没有什么进展。改变发生在2007年，由于芯片工艺不断提升，成本不断下降，SSD开启了爆发之门。早期的SSD持续读写速度和HDD基本相当，但是其超低的寻道时间和超高的随机IOPS还是带给了市场震撼。这一年，企业级用户开始关注SSD，SSD开始逐渐在需要高性能的企业级用户中应用。

SSD的特性很快就被各大厂商看好，2008年堪称SSD发展的开端之年，这一年SSD厂商迅速增多，包括三星、英特尔、镁光、金士顿、闪迪、日立、东芝、OCZ等厂商都迅速跻身SSD行业。2009年，MLC颗粒开始崭露头角，容量方面SSD借助MLC颗粒已经开始逐渐对HDD形成挑战，甚至有厂商开始推出1TB、MLC的SSD产品。随后的2010年到2013年，SSD开启了民用市场的迅速成长之路，这段时间内，SSD的容量从早期的32GB、64GB，增加到128GB、256（240）GB，利用SATA 3.0接口，速度也迅速提升到持续读取500MB/s，基本接近接口极限。

2014年后，TLC开始取代MLC，成为SSD厂商的新宠。一个TLC单元可以存储3bit数据，让SSD的容量再度提升，价格也不断下跌。在最便宜的时候，240GB的TLC SSD价格大约在600元左右，价格已经不再是SSD普及的瓶颈了，很多玩家开始选择SSD+HDD的方案，享受高速度的同时也拥有了大容量。

现在，随着SSD产品逐渐普及，高端玩家开始进一步追求SSD的速度和容量。为了实现更快的读取速度，高端SSD产品开始采用PCIe接口与主板通信，并加入了NVMe等技术用于提升效率。容量方面，借助TLC、多层堆叠技术的帮助，512GB SSD已经非常常见，1TB、2TB的SSD也开始在消费级市场上出现。从2017年各厂商推出的最新SSD产品来看，3D NAND Flash技术与NVMe技术标准的应用在不久的将来会全面取代传统的技术和接口标准，SSD将以快速、稳定、耐用、大容量等特性与日渐平民化的价格，席卷消费级和企业级市场，成为大家必备的电脑周边升级零件之一。

20年经典硬盘产品

昆腾Fireball Lct 30GB硬盘