硬件编年史:从小到更小,从大到更大丨硬盘风云70年

2024-03-20 0 218

前言

记录,是人类文明进化的重要因素,它不仅刻印了知识与信息,更构成了文化传承与历史连续性的基石。

早在远古时期,我们的非洲大陆上的祖先就利用一些动物的骨头来进行记录,这些骨头被称为计数骨,最著名的计数骨之一是伊舍戈骨,这是一根约有2万年历史的狒狒腿骨,上面刻有一组精细的平行线条,学者们对这些线条的确切用途和意义仍有不同的解释,但普遍认为它们是一种数学记录形式。

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有了记录,我们的祖先更好地知道了捕猎的周期;行走的天数;四季的变化。随着文明的不断拓展,在我们国家古时记录的形式也有了新的体现。例如,通过甲骨文的占卜记录,我们得以窥见商朝王室的日常政务与信仰;金文则通常铭刻于礼器上,反映了早期中国社会的等级制度与宗教礼仪;而简牍则承载了更为广泛的内容,包括法律、文学、历史记载等,是研究古代中国社会变迁的宝贵资料。

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这些历史的印记,不仅仅是静默的符号,它们像是跨越千年的桥梁,连接着过去与现在,传递着文明的火种。每一个刻痕、每一笔墨迹都诉说着古人的智慧与遗憾,成为现代人探索祖先生活的线索。

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而我们今天要讲的,是当今人类文明最重要的存储介质,没有之一。它就是硬盘,从1956年的人类第一块商用硬盘存储系统IBM 350 Disk Storage Unit诞生以来,硬盘已经走过近70年的历史。从当初每一个硬盘都有冰箱那么大,到如今宛如指盖大小的SSD颗粒,硬盘经历了什么?是什么推动了硬盘发展的进步,接下来就跟随时间线一起来看看。

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机械硬盘时代

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1956年-第一块硬盘 IBM 350 Disk Storage Unit

作为IBM 305 RAMAC计算机系统的一部分,IBM 350 Disk Storage Unit主要承担了该系统的存储功能,这也是世界上首个商用硬盘驱动器。

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它采用了磁性存储原理,即利用磁头在盘片的磁性表面上读取和写入数据。盘片在固定轴上旋转,磁头则在盘片上下移动,以访问不同的存储轨道。这种随机存取的能力是IBM 350的一个关键特性,与之前的顺序存取存储媒体如磁带相比,大大提高了数据检索的效率。

但由于当时的生产技术与物料限制,IBM 350 Disk Storage Unit的体积巨大,高约172cm,长152cm,宽74cm,妥妥的一个大冰柜。虽然体积庞大,但其存储容量并没有特别夸张,仅有5MB左右,但在当时来说,5M的空间都足以放下大量的文本与关键记录,以当时流行的8bit编码系统,大约可以存储520万个英文字母。

在连接方式与速度上,IBM 350通过一个并行接口与IBM 305计算机系统连接,传输速度相当于每秒8,800个字节(约合8.59kbps/s)。虽然与今天的标准相比非常慢,但在当时,这样的速度对于提高数据处理效率来说是一个重大的突破。

1961年-第一个采用“悬浮磁头”技术的硬盘 IBM 1301 Disk Storage Unit

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作为IBM 350的继任者,IBM 1301引入了诸多的创新,其中最重要的便是采用了一种叫做“悬浮飞行磁头”的技术,在这种设计中,磁头并不直接接触到磁盘,而是悬浮在磁盘表面的一个非常薄的空气层上。这样可以减少磁头与磁盘的摩擦和磨损,同时允许更紧密的磁道间距,从而提高存储密度,这也为后面硬盘大量采用的温彻斯特技术奠定了基础。

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IBM 1301的体积较大,设计为多个柜子的形式,每个柜子大约有家用冰箱大小。在容量方面,IBM 1301最大可以提供50MB的存储容量,是前代的10倍之多,同时数据传输速率为156Kbps/s,这比IBM 350提高了不少。

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1980年-第一款为个人电脑市场设计的硬盘 希捷ST-506

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在经过20年漫长的早期研发与迭代,电脑终于走出了实验室、走出了军用、走出了大企业的机库,来到了个人桌面上。而希捷的ST-506就是第一个为个人电脑市场设计的硬盘,其采用了5.25英寸的格式,相比与20年前的“父辈”有了指数级的缩小。让其可以轻松安装在当时的个人电脑中。

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ST-506最初提供的存储容量为5MB。后来,Seagate推出了ST-412,这是ST-506的改进版本,容量为10MB。ST-506使用了MFM(Modified Frequency Modulation)编码方法,并通过ST-506接口与计算机连接。这个接口后来成了早期PC硬盘的标准接口。硬盘与控制器之间使用两条电缆连接:一条用于数据信号,另一条用于控制信号。

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ST-506的数据传输速度大约为625kbps,虽然这个速度与现代硬盘相比非常慢,但对于当时的个人电脑来说,这是一个重大的进步。

在该产品问世之前,个人电脑主要依赖于软盘驱动器进行数据存储,容量有限且访问速度慢。ST-506的推出使得个人电脑用户第一次能够在自己的机器上使用硬盘驱动器,这极大地扩展了个人电脑的功能和应用范围,为个人电脑的普及奠定了基础。

1980年-第一个1GB硬盘产品问世 IBM 3380

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与希捷ST-506发布同年,IBM也宣布3380的问世,标志着人类电子信息存储时代来到了“GB”时代。IBM 3380使用了多个硬盘堆叠在一起的设计,每个磁盘都配有磁头,这些磁头在盘片旋转时可以移动到特定的磁道上进行数据读写。这种设计使得IBM 3380能够提供巨大的存储容量和快速的数据访问。

IBM 3380是市场上第一款提供1GB存储容量的硬盘驱动器,通过专用的并行通道接口连接到主机系统,并提供了高达3MB/s的传输速度。

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虽然IBM 3380还是采用了多机柜的模式,体积巨大且售价昂贵,但其“巨大的容量”和“超快的速度”还是显著提高了数据处理的效率。这使得大型企业能够处理和存储更多的数据,推动了数据库、在线事务处理和其他大型应用程序的发展。

1983年-第一块3.5英寸(如今主流通用标准)硬盘产品问世 Rodime RO352

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3.5英寸硬盘的尺寸比5.25英寸和更早的8英寸硬盘小得多,体积和尺寸上的减少使它们更适合于笔记本电脑和紧凑的台式机设计。罗德姆公司的RO352是世界上第一个采用该标准制式的硬盘 。

早期的3.5英寸硬盘通常使用IDE(集成驱动电子)接口,也称为ATA(高级技术附件)。这种接口后来成为个人电脑中硬盘的常用连接方式。随后,SATA(串行高级技术附件)接口取代了IDE,成为新的标准,提供更高的传输速率和更好的性能。

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Rodime RO352的设计容量为10MB,传输速度受限于IDE接口,只有几MB/s。

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3.5英寸硬盘的推出对个人电脑和便携式电子设备产生了巨大影响。它们的体积小、容量大、成本低,这为个人电脑的普及和移动计算的发展起到了关键作用。随着时间的推移,3.5英寸硬盘成为台式机和服务器的标准硬盘尺寸之一直到今天。

1988年-第一块2.5英寸(如今主流通用标准)硬盘产品问世 PrairieTek公司 型号不详

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为了追求更小的硬盘体积与更加适用性的应用场景,PrairieTek研发了一款2.5英寸的硬盘,其也是采用传统的磁头在旋转的磁盘表面读写数据,但通过技术压缩实现了更小的体积,相比3.5英寸更小、更轻。

这款硬盘问世时,IDE接口已经开始流行,故其也使用了这种连接方式,实现数MB/s的传输速度。

这种硬盘推出的意义在于开启了便携式硬盘技术的新篇章,推动了笔记本电脑和其他便携式设备的发展。随着这种硬盘的出现,笔记本电脑可以配备足够的存储空间,使得它们能够处理更多的任务,提供更多的功能,同时保持轻巧便携的特点。

1997年-第一款采用GMR巨磁阻头的硬盘 IBM Deskstar 16GP Titan

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GMR技术的引入是硬盘技术发展史上的一个重大突破,因为它显著提高了硬盘的性能和存储容量。GMR硬盘头利用巨磁阻效应来检测磁盘上的数据位。这种效应涉及薄膜多层结构,当磁场作用时,会引起电阻的显著变化。这使得硬盘可以有更高的存储密度,因为磁盘上的数据可以更加紧密地排列,同时还能够被准确地读取。

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得益于GMR技术的引入,Deskstar 16GP Titan系列硬盘在标准的3.5英寸尺寸下,拥有了最大16.8GB的容量,这在当时是非常大的容量。在连接方式上还是依然采用了IDE接口。

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在GMR头的帮助下,硬盘的存储密度得到了极大的提升,这推动了硬盘容量的快速增长,促进了个人电脑和服务器等设备的数据处理能力的飞跃。这项技术使得硬盘能够在未来几年内继续满足日益增长的数据存储需求,开启了硬盘性能快速提升的阶段。

2003年-第一款采用SATA协议的硬盘问世 希捷Barracuda 7200.7

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在GMR技术、TMR技术等诸多硬盘性能快速提升的关键技术问世后,传统的PATA标准(也称IDE接口)速度限制已经不能满足当时人们的读写数据的需求。

于是如今耳熟能详的SATA接口在2003年诞生了。SATA接口使用了串行通信机制,这意味着数据会在两个单独的信号对上串行传输,一个用于接收,另一个用于发送。SATA提供了比PATA更高的传输速度,初代的SATA 1.0标准即实现了最高150MB/s的数据传输速度。并优化了线缆的使用,采用了更细的线缆,方便了用户的装机与维护,同时SATA支持热插拔功能,允许用户在电脑运行时添加或移除硬盘,增加了灵活性。

在SATA 1.0标准发布以后,希捷率先推出支持SATA协议的硬盘,Seagate Barracuda 7200.7硬盘尺寸为3.5英寸,这款硬盘容量的范围从40GB到200GB不等。

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2007年-第一款容量达到1TB的硬盘产品问世 希捷Barracuda 7200.11 ST31000340AS

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在1980年,人们把商用硬盘的容量突破了1000MB(1GB)之后,时隔27年,商用机械硬盘的容量再次实现单位的突破,实现了1000GB(1TB)。

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2007年,希捷(Seagate)推出Barracuda 7200.11系列中的ST31000340AS型号,该硬盘实现了1TB的容量,用了SATA接口,支持SATA 2标准,实现了最大持续数据传输率为105MB/s,并配备了32MB的缓存用于提升传输性能。

1TB硬盘的推出是一个重要的技术成就,它大大扩展了个人电脑用户和企业的数据存储能力。在此之前,用户通常需要使用多个硬盘来存储大量数据,而1TB硬盘的出现使得存储解决方案更加简洁和经济。

自2007年以来,机械硬盘的发展步伐相对缓慢,这在很大程度上是由于固态硬盘(SSD)的迅猛发展和广泛应用。SSD凭借其远超HDD的读写速度——有时快上数倍甚至数十倍——迅速成为新一代电脑系统的主盘(C盘)首选。与此同时,机械硬盘的研发和创新进程亦显得相对滞后。

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尽管面临SSD的竞争压力,机械硬盘因其成本效益高而在某些场景中保持着其独特地位。在当今市场中,机械硬盘主要担任数据库、备份盘、从盘的角色。它们通常提供1TB至6TB的存储容量,以满足日益增长的数据存储需求。

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在硬盘尺寸方面,个人用户主要会遇到两种规格:2.5英寸的硬盘通常见于笔记本电脑,而3.5英寸的硬盘则是台式电脑中的标准。至于传输接口,SATA III仍然是目前机械硬盘的主流选择,它支持最高达600MB/s的理论传输速度,虽然实际速度通常会略低于这个标准。

固态硬盘时代

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在开启SSD时代的介绍之前,我们来简单回顾一下SSD实现原理,SSD使用闪存(Flash Memory)来存储数据,而不是依赖于机械旋转的磁盘。固态硬盘使用一种叫做非易失性闪存的存储介质,通常是NAND型闪存。与易失性存储(如RAM)不同,NAND闪存即使在断电后也能保持数据不丢失。

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NAND闪存由数百万个存储单元组成,每个单元可以存储1(SLC)、2(MLC)、3(TLC)或4(QLC)位数据。读写操作就是通过电信号来快速切换这些数据的状态。

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在SSD中还有一个重要的东西就是主控,负责管理数据的存储和检索,它是一个嵌入式处理器。主要负责校正错误的编码、平衡分配写入的区块、坏块码管理与优化数据存储和对数据进行加密。

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1991年-第一款大规模使用的固态硬盘 SanDisk研发 具体型号未知

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第一个商用SSD固态硬盘是由SanDisk公司于1991年推出的,但当时采购它的主要还是以军事与工业、实验为主,而不是普通的消费级市场。早期的SSD体积都比较大,采用2.5/3.5英寸的硬盘规格,以便适配当时的硬盘矩阵。SanDisk的第一个SSD容量只有20MB左右,作用是作为机械硬盘的缓存盘或者前序盘。

由于使用了IDE或SCSI这样的传统接口,这款SSD的传输速度受到了接口带宽的限制。即便是这样,由于SSD没有移动部件,减少了寻道时间和旋转延迟,它们的速度也比当时的机械硬盘快。

2008年-第一款标志着SSD消费市场正式拉开的产品发布 Intel X25-M

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在中间沉寂并默默发展了近30年后,SSD市场终于克服了生产技术良率与成本平衡问题,对主流消费市场开启进军,首当其冲的便是英特尔公司在2008年推出的一款固态硬盘(SSD)Intel X25-M,其被普遍认为是第一款标志着SSD消费市场正式拉开的产品。

Intel X25-M 的尺寸为2.5英寸,采用SATA II接口,这让其可以轻松安装在当时的个人台式电脑或者笔记本中。其提供了80GB和160GB两种容量的模型。这对于当时的SSD来说是较大的容量,提供了非常优秀的性能,其顺序读取速度可达到250 MB/s,顺序写入速度可达到100 MB/s,这比当时的机械硬盘快得多,也为SSD在性能方面树立了新的标准。

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Intel X25-M SSD使用了MLC(多层单元)NAND闪存技术,这使得SSD可以提供更大的存储容量同时保持成本相对较低。

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Intel X25-M在当时成为一些高端玩家的C盘选择,成为高性能电脑的标志之一。X25-M的成功促进了SSD技术的可靠性和信誉。Intel作为一个知名的芯片制造商进入SSD市场,给予了消费者和行业更多的信心,有助于推动SSD技术的普及。此外,X25-M的成功激励了其他制造商投入SSD的研发与生产,从而推动了整个存储市场向固态存储转移。

2013年-第一款采用TLC NAND闪存的固态硬盘 三星 840 EVO

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尽管早期固态硬盘以其更快的数据传输速度吸引人心,但高昂的售价一直是阻碍中端市场广泛采纳的屏障。然而,三星840 EVO的问世改变了这一局面,它成为众多用户的首选SSD,因为其作为首款搭载TLC NAND闪存技术的SSD,让售价大幅度降低,而进入了更多消费者的视野。

840 EVO系列首次在TLC(三层单元)NAND闪存基础上引入了TurboWrite技术,这项技术为写入操作提供了一个更大的高速缓冲区,可以显著提高写入性能。尽管TLC NAND存储可以在每个存储单元内存储3位数据,从而提高存储密度和降低成本,但它通常比MLC(多层单元)或SLC(单层单元)NAND的写入速度慢,耐用度也较低。TurboWrite技术在一定程度上解决了这个缺陷。

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三星840 EVO SSD采用了2.5英寸的标准尺寸,提供了多种存储容量的选项,包括120GB、250GB、500GB、750GB和1TB的规格,并使用了SATA 3接口,顺序读取速度可以达到540 MB/s,顺序写入速度则根据不同容量从410 MB/s到520 MB/s不等。此外,840 EVO还引入了名为RAPID(Real-time Accelerated Processing of I/O Data)的缓存加速技术,通过利用系统内存作为缓存来提高性能。

2014年-第一款采用NVMe协议的商用硬盘 Intel SSD 750系列

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由于SATA协议的速度上限不能完全发挥SSD的性能,NVMe(Non-Volatile Memory Express)诞生了,其是一种高性能的存储访问和传输协议。建立在PCI Express(PCIe)总线接口之上,充分利用了固态存储媒体的低延迟和并行处理能力,与之前的存储接口(如SATA和SAS)相比,它提供了更高的吞吐量和更快的响应时间。

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NVMe主要优势在于高吞吐和低延迟,充分发挥了PCIe通道的优势,让NVMe可以直接连接到CPU,减少数据传输路径,实现高速数据传输。并结合高度并发和多队列技术配合优化后的命令集,实现了数倍于SATA协议硬盘的速度。

第一款采用NVMe协议的商用硬盘是2014年发布的Intel SSD 750系列。其拥有两种形态种是2.5英寸的驱动器,使用U.2连接器连接电脑;另一种是半高半长(HHHL)的PCIe扩展卡,提供400GB和1.2TB两种容量选项。

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重点是它的传输速度,读取速度可达到2,500 MB/s,写入速度可达到1,200 MB/s,大幅高于当时的SATA SSD。

2015年-最早采用NVMe协议M.2接口的商用硬盘之一 三星SM951

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在2015年,三星发布了其SM951硬盘,它是市场上最早采用NVMe协议及M.2接口的商用产品之一。得益于SSD制造工艺的进步,闪存颗粒、控制器及缓存的整合变得更加高效,催生了M.2 NVMe SSD产品的设计与面世。

M.2规格定义了硬盘的尺寸,通常宽度为22毫米,长度则有42、60、80或110毫米等多种选择。三星的SM951采用了常见的22 x 80毫米,即M.2 2280规格,这也成了当前市场上最流行的SSD尺寸之一。

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SM951在推出时提供了128GB、256GB和512GB的多种容量选项,其读取速度高达2150 MB/s,写入速度则可达1500 MB/s,性能上与同期的Intel SSD 750产品相媲美。

M.2 NVMe SSD的推出对个人PC、迷你主机和笔记本电脑的存储方案产生了深远的影响。由于这种硬盘可以直接插入主板上的M.2插槽,并且不需要外接电源或数据线,极大地简化了安装流程,从而拓宽了SSD的用户群体。它们紧凑的尺寸设计使其特别适用于笔记本电脑和迷你电脑,为这些设备带来了高速而可靠的存储解决方案。

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2019年-第一款支持PCIe 4.0 x4通道的SSD发布 Corsair MP600

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在固态硬盘开始崛起之后,短短几年就经历了数次的更新,每一次的更新都让其传输性能得到了不小的提升。比如现在主流的PCIe 4.0 x4标准就诞生于2017年,但直到2019年才陆续有适配该标准的产品问世,比如第一款采用PCIe 4.0 x4标准的SSD,Corsair MP600。

PCIe 4.0标准相对于前一代PCIe 3.0标准,每个通道的数据传输速率翻了一番,从理论上讲,PCIe 3.0每个通道的速率为8GT/s(GigaTransfers per second),而PCIe 4.0达到了16GT/s。

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MP600采用M.2 2280规格标准,使用NVMe协议通过PCIe 4.0 x4总线连接到主板,提供了高达4950MB/s的顺序读取速度和高达4250MB/s的顺序写入速度,远远超过了基于PCIe 3.0 x4接口的SSD速度,已经非常接近我们当下使用的主流级SSD的速度。

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采用PCIe 4.0 x4标准的SSD在此之后大面积地普及开来,标志着消费级存储设备进入了更高速度的新时代。对于消费者来说,这意味着更快的系统启动时间、应用程序加载时间以及数据传输速度,特别是对于视频编辑、游戏、大数据分析等高带宽需求的应用。

2023年-第一款支持PCIe 5.0 x4通道的SSD发布 宇瞻AS2280F5

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PCIe 5.0标准是接续PCIe 4.0之后的下一代PCI Express接口规格,进一步提高带宽和性能。PCIe 5.0 x4接口将提供比PCIe 4.0 x4更高的传输速率。理论上,PCIe 5.0的每个通道带宽是PCIe 4.0的两倍,即从16GT/s增加到32GT/s。这意味着PCIe 5.0 x4接口的总带宽将达到128GB/s

2023年1月,宇瞻科技发布了全球首款PCIe 5.0固态硬盘,型号为AS2280F5。该硬盘采用M.2 2280规格,容量为1TB,采用PCIe 5.0 x4通道,理论读取速度可达14GB/s,写入速度可达12GB/s,是目前为止速度最快的固态硬盘之一。

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该硬盘采用了慧荣SM2267XT主控芯片,拥有8通道NAND闪存颗粒,还带有独立的DRAM缓存,来最大限度地提升读写性能。

PCIe 5.0 x4 SSD的推出进一步推动了高性能计算、大数据分析、AI、深度学习等领域的发展。对于消费者而言,它将提供更快的游戏加载时间和系统响应速度,对于专业用户来说,它将极大地缩短工作流程中的数据处理时间。

在可预见的未来,AI将会是下一个信息时代的主旋律。在AI时代,数据是新的石油。巨量的数据需要被存储、处理和分析,这对电脑硬盘的发展提出了新的要求。

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首先是容量,AI和大数据分析需要处理和存储海量数据,这将推动更高容量硬盘的需求。我们可以预期未来将会有更大容量的固态和机械硬盘产品,通过改进存储介质(如HAMR、MAMR技术用于HDD)和存储架构(如更高层次的3D NAND堆栈用于SSD)来实现。

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然后是速度,为了满足AI应用的实时处理需求,存储设备将采用更快的缓存技术,例如利用更新的NVMe协议和下一代PCIe接口,PCIe 6.0标准将数据传输速率提高到 64 GT/s,是 PCIe 5.0 的两倍,PCIe 3.0 的八倍。同时,为了进一步提高数据处理速度,未来的存储设备可能会集成更多的并行处理能力,以便同时处理多个数据请求。

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展望更长期的未来,在网络带宽不断增加之后,云存储可能也会逐渐成为更多消费者的选择。云存储将进一步发展,采用分布式存储架构,提高数据冗余和恢复能力,确保数据的高可用性。个人将利用云存储来上传海量的信息资料,然后交给AI或者数据处理中心来进行分类、处理、实时的交互。而企业可能会采用多云或混合云策略,以获得更大的灵活性和成本效率。

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