简要介绍下计算机存储器的发展

存储器的发展过程:

1.汞延迟线

汞延迟线是基于汞在室温时是液体，同时又是导体，每比特数据用机械波的波峰（1）和波谷（0）表示。机械波从汞柱的一端开始，一定厚度的熔融态金属汞通过一振动膜片沿着纵向从一端传到另一端，这样就得名“汞延迟线”。在管的另一端，一传感器得到每一比特的信息，并反馈到起点。设想是汞获取并延迟这些数据，这样它们便能存储了。这个过程是机械和电子的奇妙结合。缺点是由于环境条件的限制，这种存储器方式会受各种环境因素影响而不精确。

1950年，世界上第一台具有存储程序功能的计算机EDVAC由冯?诺依曼博士领导设计。它的主要特点是采用二进制，使用汞延迟线作存储器，指令和程序可存入计算机中。

1951年3月，由ENIAC的主要设计者莫克利和埃克特设计的第一台通用自动计算机UNIVAC-I交付使用。它不仅能作科学计算，而且能作数据处理。

2.磁带

UNIVAC-I第一次采用磁带机作外存储器，首先用奇偶校验方法和双重运算线路来提高系统的可靠性，并最先进行了自动编程的试验。

磁带是所有存储媒体中单位存储信息成本最低、容量最大、标准化程度最高的常用存储介质之一。它互换性好、易于保存，近年来，由于采用了具有高纠错能力的编码技术和即写即读的通道技术，大大提高了磁带存储的可靠性和读写速度。根据读写磁带的工作原理可分为螺旋扫描技术、线性记录（数据流）技术、DLT技术以及比较先进的LTO技术。

根据读写磁带的工作原理，磁带机可以分为六种规格。其中两种采用螺旋扫描读写方式的是面向工作组级的DAT（4mm）磁带机和面向部门级的8mm磁带机，另外四种则是选用数据流存储技术设计的设备，它们分别是采用单磁头读写方式、磁带宽度为1/4英寸、面向低端应用的Travan和DC系列，以及采用多磁头读写方式、磁带宽度均为1/2英寸、面向高端应用的DLT和IBM的3480/3490/3590系列等。

磁带库是基于磁带的备份系统，它能够提供同样的基本自动备份和数据恢复功能，但同时具有更先进的技术特点。它的存储容量可达到数百PB，可以实现连续备份、自动搜索磁带，也可以在驱动管理软件控制下实现智能恢复、实时监控和统计，整个数据存储备份过程完全摆脱了人工干涉。

磁带库不仅数据存储量大得多，而且在备份效率和人工占用方面拥有无可比拟的优势。在网络系统中，磁带库通过SAN（Storage Area Network，存储区域网络）系统可形成网络存储系统，为企业存储提供有力保障，很容易完成远程数据访问、数据存储备份或通过磁带镜像技术实现多磁带库备份，无疑是数据仓库、ERP等大型网络应用的良好存储设备。

3.磁鼓

1953年，第一台磁鼓应用于IBM 701，它是作为内存储器使用的。磁鼓是利用铝鼓筒表面涂覆的磁性材料来存储数据的。鼓筒旋转速度很高，因此存取速度快。它采用饱和磁记录，从固定式磁头发展到浮动式磁头，从采用磁胶发展到采用电镀的连续磁介质。这些都为后来的磁盘存储器打下了基础。

磁鼓最大的缺点是利用率不高， 一个大圆柱体只有表面一层用于存储，而磁盘的两面都利用来存储，显然利用率要高得多。 因此，当磁盘出现后，磁鼓就被淘汰了。

4.磁芯

美国物理学家王安1950年提出了利用磁性材料制造存储器的思想。福雷斯特则将这一思想变成了现实。

为了实现磁芯存储，福雷斯特需要一种物质，这种物质应该有一个非常明确的磁化阈值。他找到在新泽西生产电视机用铁氧体变换器的一家公司的德国老陶瓷专家，利用熔化铁矿和氧化物获取了特定的磁性质。

对磁化有明确阈值是设计的关键。这种电线的网格和芯子织在电线网上，被人称为芯子存储，它的有关专利对发展计算机非常关键。这个方案可靠并且稳定。磁化相对来说是永久的，所以在系统的电源关闭后，存储的数据仍然保留着。既然磁场能以电子的速度来阅读，这使交互式计算有了可能。更进一步，因为是电线网格，存储阵列的任何部分都能访问，也就是说，不同的数据可以存储在电线网的不同位置，并且阅读所在位置的一束比特就能立即存取。这称为随机存取存储器（RAM），它是交互式计算的革新概念。福雷斯特把这些专利转让给麻省理工学院，学院每年靠这些专利收到1500万～2000万美元。

最先获得这些专利许可证的是IBM，IBM最终获得了在北美防卫军事基地安装“旋风”的商业合同。更重要的是，自20世纪50年代以来，所有大型和中型计算机也采用了这一系统。磁芯存储从20世纪50年代、60年代，直至70年代初，一直是计算机主存的标准方式。

5.磁盘

世界第一台硬盘存储器是由IBM公司在1956年发明的，其型号为IBM 350 RAMAC（Random Access Method of Accounting and Control）。这套系统的总容量只有5MB，共使用了50个直径为24英寸的磁盘。1968年，IBM公司提出“温彻斯特/Winchester”技术，其要点是将高速旋转的磁盘、磁头及其寻道机构等全部密封在一个无尘的封闭体中，形成一个头盘组合件（HDA），与外界环境隔绝，避免了灰尘的污染，并采用小型化轻浮力的磁头浮动块，盘片表面涂润滑剂，实行接触起停，这是现代绝大多数硬盘的原型。1979年，IBM发明了薄膜磁头，进一步减轻了磁头重量，使更快的存取速度、更高的存储密度成为可能。20世纪80年代末期，IBM公司又对磁盘技术作出一项重大贡献，发明了MR（Magneto Resistive)磁阻磁头，这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感，使得盘片的存储密度比以往提高了数十倍。1991年，IBM生产的3.5英寸硬盘使用了MR磁头，使硬盘的容量首次达到了1GB，从此，硬盘容量开始进入了GB数量级。IBM还发明了PRML（Partial Response Maximum Likelihood）的信号读取技术，使信号检测的灵敏度大幅度提高，从而可以大幅度提高记录密度。

目前，硬盘的面密度已经达到每平方英寸100Gb以上，是容量、性价比最大的一种存储设备。因而，在计算机的外存储设备中，还没有一种其他的存储设备能够在最近几年中对其统治地位产生挑战。硬盘不仅用于各种计算机和服务器中，在磁盘阵列和各种网络存储系统中，它也是基本的存储单元。值得注意的是，近年来微硬盘的出现和快速发展为移动存储提供了一种较为理想的存储介质。在闪存芯片难以承担的大容量移动存储领域，微硬盘可大显身手。目前尺寸为1英寸的硬盘，存储容量已达4GB，10GB容量的1英寸硬盘不久也会面世。微硬盘广泛应用于数码相机、MP3设备和各种手持电子类设备。

另一种磁盘存储设备是软盘，从早期的8英寸软盘、5.25英寸软盘到3.5英寸软盘，主要为数据交换和小容量备份之用。其中，3.5英寸1.44MB软盘占据计算机的标准配置地位近20年之久，之后出现过24MB、100MB、200MB的高密度过渡性软盘和软驱产品。然而，由于USB接口的闪存出现，软盘作为数据交换和小容量备份的统治地位已经动摇，不久会退出历史舞台。

6. 光盘

光盘主要分为只读型光盘和读写型光盘。只读型指光盘上的内容是固定的，不能写入、修改，只能读取其中的内容。读写型则允许人们对光盘内容进行修改，可以抹去原来的内容，写入新的内容。用于微型计算机的光盘主要有CD-ROM、CD-R/W和DVD-ROM等几种。

上世纪60年代，荷兰飞利浦公司的研究人员开始使用激光光束进行记录和重放信息的研究。1972年，他们的研究获得了成功，1978年投放市场。最初的产品就是大家所熟知的激光视盘（LD，Laser Vision Disc）系统。

从LD的诞生至计算机用的CD-ROM，经历了三个阶段，即LD-激光视盘、CD-DA激光唱盘、CD-ROM。下面简单介绍这三个阶段性的产品特点。

LD-激光视盘，就是通常所说的LCD，直径较大，为12英寸，两面都可以记录信息，但是它记录的信号是模拟信号。模拟信号的处理机制是指，模拟的电视图像信号和模拟的声音信号都要经过FM（Frequency Modulation）频率调制、线性叠加，然后进行限幅放大。限幅后的信号以0.5微米宽的凹坑长短来表示。

CD-DA激光唱盘 LD虽然取得了成功，但由于事先没有制定统一的标准，使它的开发和制作一开始就陷入昂贵的资金投入中。1982年，由飞利浦公司和索尼公司制定了CD- DA激光唱盘的红皮书（Red Book）标准。由此，一种新型的激光唱盘诞生了。CD-DA激光唱盘记录音响的方法与LD系统不同，CD-DA激光唱盘系统首先把模拟的音响信号进行 PCM（脉冲编码调制）数字化处理，再经过EMF（8～14位调制）编码之后记录到盘上。数字记录代替模拟记录的好处是，对干扰和噪声不敏感，由于盘本身的缺陷、划伤或沾污而引起的错误可以校正。

CD-DA系统取得成功以后，使飞利浦公司和索尼公司很自然地想到利用CD-DA作为计算机的大容量只读存储器。但要把CD-DA作为计算机的存储器，还必须解决两个重要问题，即建立适合于计算机读写的盘的数据结构，以及CD-DA误码率必须从现有的10-9降低到10-12以下，由此就产生了CD- ROM的黄皮书(Yellow Book)标准。这个标准的核心思想是，盘上的数据以数据块的形式来组织，每块都要有地址，这样一来，盘上的数据就能从几百兆字节的存储空间上被迅速找到。为了降低误码率，采用增加一种错误检测和错误校正的方案。错误检测采用了循环冗余检测码，即所谓CRC，错误校正采用里德－索洛蒙(Reed Solomon)码。黄皮书确立了CD-ROM的物理结构，而为了使其能在计算机上完全兼容，后来又制定了CD-ROM的文件系统标准，即ISO 9660。

在上世纪80年代中期，光盘的发展非常快，先后推出了WORM光盘、磁光盘（MO）、相变光盘（Phase Change Disk，PCD）等新品种。20世纪90年代，DVD-ROM、CD-R、CD-R/W等开始出现和普及，目前已成为计算机的标准存储设备。

光盘技术进一步向高密度发展，蓝光光盘是不久将推出的下一代高密度光盘。多层多阶光盘和全息存储光盘正在实验室研究之中，可望在5年之内推向市场。

7.纳米存储

纳米是一种长度单位，符号为nm。1纳米=1毫微米，约为10个原子的长度。假设一根头发的直径为0.05毫米，把它径向平均剖成5万根，每根的厚度即约为1纳米。与纳米存储有关的主要进展有如下内容。

1998年，美国明尼苏达大学和普林斯顿大学制备成功量子磁盘，这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系。一个量子磁盘相当于我们现在的10万～100万个磁盘，而能源消耗却降低了1万倍。

1988年，法国人首先发现了巨磁电阻效应，到1997年，采用巨磁电阻原理的纳米结构器件已在美国问世，它在磁存储、磁记忆和计算机读写磁头等方面均有广阔的应用前景。

2002年9月，美国威斯康星州大学的科研小组宣布，他们在室温条件下通过 *** 纵单个原子，研制出原子级的硅记忆材料，其存储信息的密度是目前光盘的100 万倍。这是纳米存储材料技术研究的一大进展。该小组发表在《纳米技术》杂志上的研究报告称，新的记忆材料构建在硅材料表面上。研究人员首先使金元素在硅材料表面升华，形成精确的原子轨道；然后再使硅元素升华，使其按上述原子轨道进行排列；最后，借助于扫瞄隧道显微镜的探针，从这些排列整齐的硅原子中间隔抽出硅原子，被抽空的部分代表“0”，余下的硅原子则代表“1”，这就形成了相当于计算机晶体管功能的原子级记忆材料。整个试验研究在室温条件下进行。研究小组负责人赫姆萨尔教授说，在室温条件下，一次 *** 纵一批原子进行排列并不容易。更为重要的是，记忆材料中硅原子排列线内的间隔是一个原子大小。这保证了记忆材料的原子级水平。赫姆萨尔教授说，新的硅记忆材料与目前硅存储材料存储功能相同，而不同之处在于，前者为原子级体积，利用其制造的计算机存储材料体积更小、密度更大。这可使未来计算机微型化，且存储信息的功能更为强大。

1.电子管－晶体管－集成电路－中小规模集成电路－超大规模集成电路（提下摩尔定律）

2.通讯领域、广播电视，广泛用于信息类产业

信息技术的发展从哪两个方面去理解？

信息技术发展及趋势

我国在“十三五”规划纲要中，将培育人工智能、移动智能终端、第五代移动通信(5G)、先进传感器等作为新一代信息技术产业创新重点发展，拓展新兴产业发展空间。

当前，信息技术发展的总趋势是从典型的技术驱动发展模式向应用驱动与技术驱动相结合的模式转变，信息技术发展趋势和新技术应用主要包括以下10个方面：

1高速度大容量

速度和容量是紧密联系的，鉴于海量信息四处充斥的现状，处理高速、传输和存储要求大容量就成为必然趋势。而电子元器件、集成电路、存储器件的高速化、微型化、廉价化的快速发展，又使信息的种类、规模以更高的速度膨胀，其空间分布也表现为“无处不在”，在时间维度上，信息可以整合到信息系统初建的80年代。

2．集成化和平台化

以行业应用为基础的，综合领域应用模型（算法）、云计算、大数据分析、海量存储、信息安全、依托移动互联的集成化信息技术的综合应用是目前的发展趋势。信息技术和信息的普及促进了信息系统平台化的发展，各种信息服务的访r结果和表现形式，与访问途径和访问路径无关，与访问设备无关，信息服务部署灵活，共享便利。信息系统集成化和平台化的特点，使得信息消费型注重良好的用户体验，而不必关心信息技术细节。

3．智能化

随着工业和信息化的深度融合成为我国目前乃至今后相当长的一段时期的产业政策和资金投入的主导方向，以“智能制造”为标签的各种软硬件应用将为各行各业的各类产品带来“换代式”的飞跃甚至是“革命”，成为拉动行业产值的主要方向。“智慧地球”“智慧城市”等基于位置的应用模式的成熟和推广，本质上是信息技术和现代管理理念阳环境治理、交通管理、城市治理等领域的有机渗透。

4.虚拟计算

在计算机领域，虚拟化( Virtualization)这种资源管理技术，是将计算机的各种实体资源，如服务器、网络、内存及存储等，抽象、捌装、规范化并呈现出来，打破实体结构间的不可切割的障碍，使用户可以比原本的组态更好的方式来使用这些资源。这些虚拟资源不受现有资源的地域、物理组态和部署方式的限制。一般所指的虚拟化资源包括计算能力和数据存储能力。通常所说的虚拟计算，是一种以虚拟化、网络、云计算等技术的融合为核心的一种计算平台、存储平台和应用系统的共享管理技术。虚拟化已成为企业IT部署不可或缺的组成部分。一般来看，虚拟化技术主要包括服务器虚拟化、内存虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化、应用虚拟化及桌面虚拟化。

在实际的生产环境中，虚拟化技术主要用来解决高性能的物理硬件产能过剩和老的旧的硬件产能过低的重组重用，透明化底层物理硬件，从而最大化地利用物理硬件。由于实际物理部署的资源由专业的技术团队集中管理，虚拟计算可以带来更低的运维成本，同时，虚拟计算的消费者可以获得更加专业的信息管理服务。虚拟计算应用于互联网上，是云计算的基础，也是云计算应用的一个主要表现，这已经是当今和未来信息系统架构的主要模式。

计算化学是理论化学的一个分支。计算化学的主要目标是利用有效的数学近似以及电脑程序计算分子的性质（例如总能量，偶极矩，四极矩，振动频率，反应活性等）并用以解释一些具体的化学问题。计算化学这个名词有时也用来表示计算机科学与化学的交叉学科。

理论化学泛指采用数学方法来表述化学问题，而计算化学作为理论化学的一个分支，常特指那些可以用电脑程序实现的数学方法。计算化学并不追求完美无缺或者分毫不差，因为只有很少的化学体系可以进行精确计算。不过，几乎所有种类的化学问题都可以并且已经采用近似的算法来表述。

理论上讲，对任何分子都可以采用相当精确的理论方法进行计算。很多计算软件中也已经包括了这些精确的方法，但由于这些方法的计算量随电子数的增加成指数或更快的速度增长，所以他们只能应用于很小的分子。对更大的体系，往往需要采取其他一些更大程度近似的方法，以在计算量和结果的精确度之间寻求平衡。

计算化学主要应用已有的电脑程序和方法对特定的化学问题进行研究。而算法和电脑程序的开发则由理论化学家和理论物理学家完成。计算化学在研究原子和分子性质、化学反应途径等问题时，常侧重于解决以下两个方面的问题：

为合成实验预测起始条件

研究化学反应机理、解释反应现象

计算化学的子学科主要包括：

原子和分子的计算机表述

利用计算机协助存储和搜索化学信息数据 （参见化学数据库）

研究化学结构与性质之间的关系 （参见定量构效关系(QSAR)及定量构性关系(QSPR)）

根据对作用力模拟对化学结构进行理论阐释

计算机辅助化合物合成

计算机辅助特性分子设计（例如计算机辅助药物设计）

关于某理论与计算化学创新组的介绍：

理论与计算化学在基础和应用研究中都扮演着重要的角色，是物理学、材料科学、化学和生命科学研究中的一个重要手段。借助高性能计算机，理论化学家可以在不借助任何经验参数的情况下，从第一原理出发获得小分子体系结构和动力学的详细信息，这些信息不仅可以直接和实验相印证，而且可以从微观的角度对实验现象进行分析和解释。理论化学还可以对多达十万个原子的生物大分子体系进行计算机模拟，获得关于结构和动力学的定性或半定量信息，从而为解释生命活动本质、新型药物开发提供关键数据。

本小组主要研究反向为量子反应动力学、分子光谱和量子化学相关的基础理论和应用研究. 具体研究兴趣包括:

1） 多原子体系量子反应动力学的理论、算法和计算程序；

2 ) 量子化学理论和计算方法

3） 分子间弱相互作用的势能面和分子光谱理论研究；

4） 多原子体系的势能面构造。

本小组的研究工作也包括采用分子动力学模拟和量子力学方法研究蛋白质分子的动力学和反应机理：

1） 药物分子与生物分子相互作用；

2） 酶催化反应机理；

3） 富勒烯及其与生物分子相互作用。

计算材料学（Computational Materials Science），是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。计算材料学主要包括两个方面的内容：一方面是计算模拟，即从实验数据出发，通过建立数学模型及数值计算，模拟实际过程；另一方面是材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性能。前者使材料研究不是停留在实验结果和定性的讨论上，而是使特定材料体系的实验结果上升为一般的、定量的理论，后者则使材料的研究与开发更具方向性、前瞻性，有助于原始性创新，可以大大提高研究效率。因此，计算材料学是连接材料学理论与实验的桥梁。

材料的组成、结构、性能、服役性能是材料研究的四大要素，传统的材料研究以实验室研究为主，是一门实验科学。但是，随着对材料性能的要求不断的提高，材料学研究对象的空间尺度在不断变小，只对微米级的显微结构进行研究不能揭示材料性能的本质，纳米结构、原子像已成为材料研究的内容，对功能材料甚至要研究到电子层次。因此，材料研究越来越依赖于高端的测试技术，研究难度和成本也越来越高。另外，服役性能在材料研究中越来越受到重视，服役性能的研究就是要研究材料与服役环境的相互作用及其对材料性能的影响。随着材料应用环境的日益复杂化，材料服役性能的实验室研究也变得越来越困难。总之，仅仅依靠实验室的实验来进行材料研究已难以满足现代新材料研究和发展的要求。然而计算机模拟技术可以根据有关的基本理论，在计算机虚拟环境下从纳观、微观、介观、宏观尺度对材料进行多层次研究，也可以模拟超高温、超高压等极端环境下的材料服役性能，模拟材料在服役条件下的性能演变规律、失效机理，进而实现材料服役性能的改善和材料设计。因此，在现代材料学领域中，计算机“实验”已成为与实验室的实验具有同样重要地位的研究手段，而且随着计算材料学的不断发展，它的作用会越来越大。

计算材料学的发展是与计算机科学与技术的迅猛发展密切相关的。从前，即便使用大型计算机也极为困难的一些材料计算，如材料的量子力学计算等，现在使用微机就能够完成，由此可以预见，将来计算材料学必将有更加迅速的发展。另外，随着计算材料学的不断进步与成熟，材料的计算机模拟与设计已不仅仅是材料物理以及材料计算理论学家的热门研究课题，更将成为一般材料研究人员的一个重要研究工具。由于模型与算法的成熟，通用软件的出现，使得材料计算的广泛应用成为现实。因此，计算材料学基础知识的掌握已成为现代材料工作者必备的技能之一。

计算材料学涉及材料的各个方面，如不同层次的结构、各种性能等等，因此，有很多相应的计算方法。在进行材料计算时，首先要根据所要计算的对象、条件、要求等因素选择适当的方法。要想做好选择，必须了解材料计算方法的分类。目前，主要有两种分类方法：一是按理论模型和方法分类，二是按材料计算的特征空间尺寸(Characteristic space scale)分类。材料的性能在很大程度上取决于材料的微结构，材料的用途不同，决定其性能的微结构尺度会有很大的差别。例如，对结构材料来说，影响其力学性能的结构尺度在微米以上，而对于电、光、磁等功能材料来说可能要小到纳米，甚至是电子结构。因此，计算材料学的研究对象的特征空间尺度从埃到米。时间是计算材料学的另一个重要的参量。对于不同的研究对象或计算方法，材料计算的时间尺度可从10-15秒（如分子动力学方法等）到年（如对于腐蚀、蠕变、疲劳等的模拟）。对于具有不同特征空间、时间尺度的研究对象，均有相应的材料计算方法。

目前常用的计算方法包括第一原理从头计算法，分子动力学方法，蒙特卡洛方法，有限元分析等。

钢铁研究总院功能材料研究所计算材料科学研究室简介

计算材料科学研究室是一个在科研水平和人员构成上都具有一定实力的研究实体。该研究室成立于1986年，是国内最早开展材料微观结构与宏观物性相关机制研究的单位之一。主要从事金 属材料中缺陷体系原子结构、电子结构以及声子谱的研究，探索材料微观结构与宏观物性的相关机制及跨越模式，为材料设计提供 理论依据。在中科院院土王崇愚先生的带领下，先后承担十几项国家自然科学基金委员会资助的项目以及多项冶金部重点课题，在国 内外权威刊物上发表论文数十篇，并于1994年获冶金工业部科技进步(理论成果)一等奖。现承担国家重点基础研究发展规划项 目(973)一项，和国家自然科学基金三项。该实验室在发展中不断壮大，已培养硕士、博士数十人，并不断地吸收新鲜血液，扩充 研究领域，增强竞争实力，保持所从事研究领域的国际先进水平。与此同时，大力开展国际及国内合作，已与美国西北大学、俄罗斯Tomsk强度物理与材料科学研究所、香港大学、清华大学、中科院沈阳金属研究所等单位建立起了长期合作关系。

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