《導語》
本文在技術介紹方面做了大量簡化處理，但仍需要少量物理知識基礎，文科生建議在理科生陪同下閱讀，如閱讀過程中遇頭暈等不適症狀，建議就醫。
事實證明，人類天生有記錄的衝動。
壹
模擬時代
也許一半是出於裝修的目的，最早的人們在牆上畫畫。
後來有人發現，這麼精緻的作品沒法隨身攜帶實在可惜，就把目光盯上了昨晚吃剩的骨頭（順便處理了一批幹垃圾）。
但這樣一來，哪天有人想寫個長篇的話，附近十里八鄉的小動物就只能瑟瑟發抖了，於是書簡和紙張開始上線。
紙張在很長一段時間內都是人們記錄信息十分理想的載體，但也僅限於文字和圖像的記錄，聲音的記錄還完全沒有辦法，什麼通過貝殼可以聽到大海的聲音，那個完全不沾邊。
直到物理學告訴世人：聲音是由物體振動發出的。
搞清楚基本原理之後，人們可以開始嘗試記錄和重現聲音。
終於，在19世紀末期，通過用大喇叭拾取聲音，並將聲波的形狀通過機械裝置被刻在鬆軟的蠟質碟片上的方式，實現了聲音的記錄與重現，這也就是留聲機和唱片的工作原理。
可以看到，包括記錄聲音的時候，人們還是在通過各種介質來記錄這個世界的模擬信號，即使是磁帶代替了唱片成為潮流，記錄聲音的原理還是沒有變化。
所以，在最初的幾萬年間，人們通過各種載體去記錄真實世界的形狀：看到的形狀、聽到的形狀和想到的形狀。
貳
數字時代——磁存儲的進化
信息存儲的分水嶺，始於第一臺計算機的誕生，因為計算機運算需要二進制的數據。
計算機工程師們首先想到的辦法是：直接在紙上打洞來表示0和1，有洞的地方就是0，沒洞的地方就是1（反過來也行）。
嗯，就是這麼簡單粗暴。
大家一看就知道，這種方法存儲密度很低，運行速度也很慢，但它解決了一個至關重要的問題，人們可以跟計算機進行溝通了。
有的時候，解決問題的方法可以不高大上，但是能實現從無到有的就是當下最好的方法。
直到1930年代，IBM每年仍要銷售上千萬張穿孔紙卡。
所以，最早的編程界面差不多就是這個樣子
提到磁存儲，大家的第一反應可能是：磁帶。
這也是我們個人最早接觸到的磁存儲的產品了。
而磁存儲和二進制結合起來的時候，信息存儲就迎來了超進化。
正當最早的程序員面對打孔紙怨聲載道的時候，有天才的科學家和工程師們想到，磁場的N/S極天然可以用來表示0和1，再搭配一個檢測用的磁頭不就可以實現數據的在磁介質上的存儲和讀取了嘛。
說幹就幹，1932年，IBM的科學家根據這個原理製造了最早的磁性存儲介質——磁鼓，用在了自家IBM 650系列計算機上。
這個設備很笨重，一支磁鼓有12英寸長，一分鐘可以轉1萬2千5百轉，它在計算機中被當成主存儲器，每支可以保存1萬個字符（不到10Kb，以這個磁鼓的空間都保存不下這篇文章）。
最早的計算機用磁存儲設備——磁鼓
磁鼓一直被用到上世紀五十年代。
1956年，IBM公司購買了王安博士的“磁芯存儲器”專利，磁芯存儲器又主宰了計算機存儲市場小20年。
再到後來被DRAM技術（DRAM點了半導體科技樹，下文會介紹）所代替。
磁鼓雖然戰五渣，但是它體現的存儲和讀取數據的基本思路一直沿用了下來，包括後來的軟盤、機械硬盤：
這些存儲載體可以看做一個個“小格子”，磁存儲的每個小格子其實都是一塊小磁鐵。
存儲時就是用磁頭去將這些小磁鐵按照要求的順序排列好，讀取時就是用磁頭“看看”這些小傢伙們是怎麼排隊的。
理解了這個思路，我們就可以輕鬆地理解接下來發生的事情了。
典型的“1”和“0”
根據我們的原理，想提高磁存儲密度很簡單，把格子做得更小，更密就可以了。
但這會有兩方面的挑戰：
一是，材料學能否把這些格子做得更小？二是，如果格子做小了，磁頭還能不能看清裡面的磁鐵狀態？好在，大部分時候，材料學都說了Yes，問題的關鍵就在於磁頭能不能看清楚。
事實也正是如此，在磁盤開始商用之後，當時各個廠家也都可以做出更高密度的碟片。
可當時的磁頭實在是不行，磁頭紛紛表示格子太小了，看不清。因此，硬盤存儲密度在一段時間內一直徘徊不前，一直到上世紀80年代末期，IBM公司發明了磁阻磁頭。
磁場比較野喜歡往外跑，不服管教，電流就要乖很多，所以測量電流比測量磁場要方便得多也準確得多。
磁阻磁頭的發明正是改變了磁介質數據讀取的方式，磁頭從直接檢測磁場變成了測量電流大小，因此在讀取數據時就變得十分敏感且迅速。
用上了磁阻磁頭就像是一個老花眼找到了老花鏡。
所以 ，在1991年，MR磁頭技術被應用到了3.5寸硬盤中後，普通的3.5寸硬盤的容量也可以達到1GB，相當於幾百個軟盤的容量大小。
但磁阻磁頭還是遇到了一些問題：
因為磁阻磁頭是根據通過磁頭中的電流大小來識別0和1的，所以0和1狀態下電阻的差異程度直接影響到信息讀取的準確度，而一般情況下，導體電阻的增加值跟磁場的平方呈正比（這段略有些超綱了，供有餘力的同學自學）。總之一句話，要想準確的區分出0和1，磁場強度不能太小。
如果上面這段話不太好理解，那也沒關係，一句話來說：用磁阻磁頭去看磁盤上這些小格子的時候，還是覺得有些吃力，所以限制了格子們沒法做得太小。
直到1988年，法國科學家 Albert Fert 和德國科學家 Peter Grünberg發現了巨磁阻效應（GMR，Giant Magneto Resistance）。
好了，我們就直接說結論和應用吧：
根據這兩位大神的發現，IBM的科學家StuartParkin博士製作了一個特殊的磁頭——GMR磁頭，存儲單元磁場方向的轉變會導致GMR磁頭中電阻的大幅變化。
也就意味著GMR磁頭比以往的磁阻磁頭靈敏得多，這一下使得磁存儲的密度又上升一個臺階。
GMR磁頭就像自帶顯微鏡一樣，在存儲小格子做得很小的時候，都能輕鬆看清楚。
機械硬盤內部結構
從1988年，Albert Fert和Peter Grünberg發現GMR效應，到他們因此獲得2007年的諾貝爾物理學，共歷時19年，實屬基礎學科突破在產業應用方面獲得巨大成功的代表作。
後來出現的PMR以及SMR技術也都提升了存儲密度，但主要是通過改變格子的排列方式來達到提升存儲目的。
磁存儲進步的歷程中，IBM的名字出現了很多次，為磁存儲的發展作出了巨大的貢獻。
磁存儲雖然一路突飛猛進，打怪升級，但磁存儲有一個致命的缺陷，那就是讀寫速度太慢了。這麼多格子需要一個個旋轉起來讓磁頭看，怎麼也快不起來啊。
插播一下，事實上，有一段時間，光盤也一度十分普及，光驅也一度是各臺PC和筆記本電腦的的標配，光盤的存儲和磁存儲很接近。
也是讓光盤高速旋轉起來，然後通過激光探頭來讀寫各個存儲單元的數據，因此光盤也有和磁存儲類似的問題，讀寫速度偏慢，尤其是刻錄（寫入）光盤的時候，因此也慢慢消失了。
二十世紀的美妙之處就在於，科學界還有很多低垂的果實，人類每摘取一個，都可能對世界產生重大的影響，巨磁阻效應無疑是其中一個。
叄
數字時代——半導體存儲的進擊
存儲的容量固然重要，但讀寫速度對計算機性能的影響更加顯著。相信經歷過機械硬盤換固態硬盤的同學一定都懂。
半導體學科和硅工藝的不斷進步是現代計算機更新換代的最直接的驅動力，在磁存儲迅猛發展的那些年，半導體界也沒閒著。
英特爾、三星、海力士、美光、爾必達、金士頓等著名的半導體企業在存儲這個領域有過慘烈的廝殺。
計算機運行時，用到的數據可以簡單分成兩種：
一種是用完就可扔，但用的時候越快越好，主要靠內存（DRAM）；另一種是用完得保存好，以後還得接著用，速度可以不用那麼快，主要靠閃存（Flash）。
數據也是需要分類存儲的
- 先說內存（這裡主要指DRAM）。
至於DRAM怎麼工作的，電路圖就不畫了，相信大家也記不住，就算記住了，跟朋友吹牛的時候也用不上。
還是繼續用咱們的格子理論來理解，內存也可以看成是很多個格子組成的，不過內存的格子裡的就不再是小磁鐵了，而是一個個半導體結構的電容。
電容充上電了就代表1，沒充電就代表0，充放電的速度比磁存儲的機械旋轉可快多了。
自從1966年，IBM公司的羅伯特·登納德博士，發明了半導體晶體管DRAM內存後，DRAM就一直是兵家必爭之地。
1970年美國英特爾，依靠批量生產DRAM大獲成功，結束了磁芯存儲時代。
1976年開始，日本廠商大舉進攻DRAM市場，大名鼎鼎的英特爾都被逼無奈，只得轉型微處理器市場。
1985年“日美半導體戰爭”正式開戰，韓國廠商獲得了大量美國訂單，成長了起來。
1997年亞洲金融風暴，差點將韓國廠商逼死。
美國控制韓國經濟後，韓國廠商又藉著DRAM市場的暴利翻身崛起。此時不怕死的臺灣人衝進DRAM市場，投入500億美元卻虧得血本無歸。
2007年全球經濟危機，逼死了德國廠商，並將臺灣DRAM廠商打翻在地，狠踩兩腳。
2017年，大陸廠商又衝了進來，準備投資660億美元，進攻DRAM市場。
介紹這段歷史的文章很多了，有興趣的朋友可以去搜索“DRAM芯片戰爭”進一步瞭解。
- 閃存（Flash）的存儲方式
介紹完用完就扔的數據存儲方案，接下來輪到需要長期存儲的數據了。固態硬盤（SSD，Solid State Drive）裡使用的就是一個個閃存顆粒來存儲數據。
在我們講到磁存儲的時候，就已經說過，機械硬盤能夠做到數據的高密度長期存儲了，但是實在是不夠快，尤其是讀寫一批小文件的時候。
那固態硬盤裡的用的Flash顆粒比機械硬盤讀寫快多少？快一個數量級。
說是顆粒，其實長這個樣子
Flash顆粒為什麼這麼快？
因為在 Flash顆粒裡不再需要通過機械運動和磁頭讀寫了，全部由電信號來控制，於是速度嗖嗖地就上去了。
還是用我們的格子理論，在每個Flash裡面又有很多的小格子，不過這次的格子裡面的東西又有點不一樣了。
Flash的格子裡是一個個浮柵晶體管（能記住是晶體管就行），用晶體管的導通與否來表示0和1。
那怎麼控制晶體管的導通呢？在這個管子的中間，有一個開關，由充放電來控制。
在一個固態硬盤裡面有很多Flash顆粒，這些Flash顆粒由主控芯片在管理著。
機械硬盤（左）VS固態硬盤（右）內部結構
正因為Flash裡面都是晶體管結構，所以它的發展歸摩爾定律管。在半導體工藝極限到達之前，晶體管可以越做越小，Flash的發展十分迅速。
- 1984年，東芝發明閃存。
- 1989年，第一款固態硬盤出現，應用於專業領域如醫療、航空和軍事。
當時固態硬盤的性能遠低於機械硬盤，不過專業領域的市場化應用使固態硬盤獲得了長足的發展。
- 2006年3月，三星發佈了一款32GB容量的固態硬盤筆記本電腦。
- 2007年6月，東芝推出了其第一款120GB固態硬盤筆記本電腦。
- 2012年，蘋果公司在筆記本電腦上應用容量為512G的固態硬盤。
摩爾定律的威力得到充分的展現，從96年第一款固態硬盤筆記本推出到如今。
經過十多年的發展，現在世面上在售的純機械硬盤電腦已經很少見了，在手機和超級本領域更是容不得機械硬盤插足。
做一個小的總結：
機械硬盤——極小的磁鐵翻轉；內存——電容充放電；固體硬盤（閃存）——晶體管開關。
那各自的優缺點也就自然清楚了：
機械硬盤存儲密度大，但讀寫慢，而且怕磁場影響，但價格便宜；內存工作速度快，但電容上的電荷時間一長全跑掉了，所以沒法長時間保存信息，而且價格高；SSD比較中庸一些，速度也比較快，可以較長期保存數據，不怕磁鐵，價格介於兩者之間。在美劇《絕命毒師》第五季開頭。
老白等人用強大的電磁鐵隔著牆銷燬了電腦硬盤裡的信息，得虧那臺筆記本用的是機械硬盤，要是用的是SSD的話，第五季就不用拍了。
美劇絕命毒師 劇照
雖然固態硬盤近幾年大殺四方，但它也有一些問題，問題主要存在於三個方面：
第一是成本高，由於固態硬盤中的閃存顆粒、控制芯片都是基於半導體工藝生產的，比起磁存儲的磁材料濺射生產，成本高出一大截。反映到消費者端的感受就是相同容量的固態硬盤比機械硬盤貴很多。
第二是存儲密度，閃存顆粒中的存儲單元是一個個的晶體管，想要持續提升密度就需要受目前半導體技術工藝和成本雙重約束，所以我們可以輕鬆買到容量超過10T的機械硬盤，但超過2T的固態硬盤就很難買到了；
第三是壽命，固態硬盤裡的晶體管開關就跟我們日常使用的開關一樣，開關的次數太多後也會壞的，所以Flash顆粒擦寫的次數多了之後就無法再使用了。
各大閃存廠商都想方設法來解決這些問題，還真的想出兩個辦法來：
一個辦法是，增加每個格子裡的存儲信息量。你們覺得存儲密度不夠高？那我把每個格子裡可以存儲的信息量加倍，總可以了吧？
還不夠？加倍！
再不夠？超級加倍！
於是又發展出了SLC、MLC、TLC、QLC技術。
另一種辦法是，把平房建成樓房。加完倍大家還不夠？那就搞成多層的，也就是3D Flash。
如果把以前單層的Flash的2D結構比作平房，那麼3DFlash可以看做是樓房，3D Flash可以通過提高Flash的層數在單位面積上堆更多的晶體管，因此在降低單位成本上很有優勢。
3D 閃存結構
但即使這樣，Flash單位容量成本也還是比磁存儲要高，擦寫壽命問題也沒能得到很好的解決。MLC、TLC、QLC增加存儲密度是以進一步犧牲使用壽命為前提的。
講到這裡，存儲的原理已經講得差不多了，磁存儲和半導體存儲各自的優缺點相信大家也搞明白了。
接下來我們看看在存儲這個領域裡的參與者都有哪些。
肆
市場格局——美日韓的三國殺
目前存儲市場被半導體存儲所主導，2017年全球存儲器芯片市場規模大約1229億美元，而磁存儲市場受到半導體存儲的擠壓，日漸萎縮。
磁存儲時代，希捷、西部數據兩大巨頭殺出了一條血路，機械硬盤的鼻祖IBM的機械硬盤業務都被日立收編，後來又被西數納入麾下；
三星的機械硬盤業務被希捷拿下，希捷近期還推出了一款16TB的硬盤，對大部分人而言，可以輕鬆存下看過的所有電影了。
但即使是把磁存儲做到了極致，希捷和西數也沒能避免半導體存儲的“降維打擊”。
半導體存儲選手“美光” VS 磁存儲存儲選手“希捷”、“西數”
美光和希捷&西數的對比堪稱半導體存儲和磁存儲競爭的縮影。
可以看出來，2013年開始，半導體存儲就已經展現出驚人的增長潛力，但因為價格原因，還沒有能完全統治市場。
2016年成為了兩者的分水嶺，因為在2016年半導體存儲市場供大於求，引發SSD價格大跌，成為消費者最終倒向半導體存儲（固態硬盤）的決定性因素。
西數在2016年後還能有增長表現，因為西數在2016年完成了對半導體存儲企業閃迪的併購。
為何磁存儲還能保持一定的市場？
因為個人存儲的數據量通常比較小，SSD帶來的速度提升完全彌補了價格上的劣勢，而企業會根據其實際的需求進行選擇。
如果有大量對讀寫速度要求不高的冷數據，磁存儲的低成本和長壽命特點就變得十分有吸引力。
比如在需要存放大量監控圖像數據的情況下，數據往往無需經常調用，因此對於讀寫速度不敏感，反而更加在意單位容量的成本，這時候高密度的磁盤是十分理想的選擇。
在另一種場景下，隨著雲計算的興起，數據中心需要同時進行大量數據存儲和大量數據吞吐運算，經常將磁盤和SSD結合起來使用，將隨時可能需要使用的熱數據存在SSD中，而將大概率用不到的冷數據放到磁盤中去。
所以，磁盤雖然在個人消費市場節節敗退，但在企業市場還是有著一席之地。
半導體存儲市場，基本由內存和閃存構成，幾乎各佔半壁江山。
數據來源：DRAMeXchange，光大證券研究
再單獨看DRAM和NAND市場，DRAM的主要廠商三星、海力士和美光佔據著全球超過90%的市場份額。
NAND Flash的生產廠商同樣集中，三星，東芝/閃迪，美光，海力士壟斷了整個市場95%的份額。
韓國代表三星、海力士在半導體存儲市場表現優異，DRAM市場佔據四分之三的份額，NAND市場也有40%的份額。
2019年7月1日，美日韓半導體恩仇錄突然出了新番，日本經濟產業省宣佈，加強對出口韓國的半導體制造原料管制，這次管制的主要是三大原料：
光刻膠，感光顯影，用於刻印半導體迴路。氟化氫，主要是高純度氟化氫，用於去除二氧化硅等半導體不純物質。氟化聚酰亞胺，用於摺疊手機和摺疊屏幕的關鍵材料。
日本對這些關鍵原材料的市場佔有率，最高達90%。
這三類生產半導體的化學原材料，不光是不可或缺的關鍵物質，更是難以找到日本以外的替代廠家，大概就相當於中國稀土對於全世界的掌控地位。
《朝鮮日報》報道稱，若因日本政府加強對韓出口管制，導致半導體等製造過程中所需的3種材料無法進口，半導體巨頭三星電子、SK海力士等公司的庫存約為1個月，即使加上3個月左右的成品庫存，也只能“維持三四個月”。
日本此舉“擊中韓國產業的要害”。
這樣一來，未來短期內存漲價幾成定局。
本圖片不構成任何投資建議！！！
比悲傷更悲傷的是，算上磁存儲領域西數和希捷的雙寡頭壟斷，在磁存儲、DRAM、NAND這三個主要的存儲戰場，大陸企業幾乎全部缺席，只有兆易創新在NOR Flash這個相對小眾的市場分得了一杯羹。
當然好消息還是有的。
作為NAND Flash發展主力的長江存儲今年底前將依照進程正式量產64層Xtacking 3D NAND產品，紫光集團於6月30日正式發文公告組建DRAM事業群。
再加上幾乎所有IT戰場都能看到其身影的華為，國內存儲企業正在半導體存儲領域奮起直追。
路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。
* 作者：常壘資本 朝歌夜弦，首發於公眾號：常壘資本（ID：conswall_cap）。
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