在上一篇文章中，阿怪分享了他对计算机计算能力的物理本质的理解：电流变化提供信息基础，电路组合提供运算基础.我们知道，计算机的能力远不止& quot计算& quot，不然就是个耗电的算盘。电脑能实现更神奇的功能，也是因为它强大的存储能力。今天阿贵就为大家分享一下电脑存储的物理本质。

简述“存储”的发展史

后来，古人用竹子、丝绸、碳墨记录各种信息；

到了现代，随着嘀嗒计时器的发明，人们发现不同排列的小纸片和小孔也可以记录信息(英国天文学家乔斯林贝尔通过分析& quot纸张上的孔& quot);

脉冲星——的母亲乔斯林和& quot纸带& quot她分析道。

现在，我们有各种各样的手段来存储信息，如磁带，光盘，u盘，硬盘等等。不同的是，这些科学的存储方法与以前的方法相比，并不那么直观易懂，这就让我们需要一个答案来知道现代存储设备的物理本质是什么。

实现存储功能的基本条件

实现存储功能的发条音乐盒组件

我们对这些对象进行了总结，发现了以下共同特征：

存储对象本身的物理结构和属性可以长期保持不变；存储对象的局部位置可以手动控制，产生有规律的变化，这种变化是可以保持的(比如在八音盒的鼓上做不同的凸点，这些凸点存储音乐信息，金属音片就相当于这个音乐信息的读取设备)。我们可以把这些存储对象称为信息的载体，同时也可以把这些载体上的人为变化称为信息的规则。因此，我们不难得出结论，存储的基本条件就是：载体和规则.

理论上，任何物理性质稳定的物体都可以作为载体(即可以作为存储设备)，同时可以任意定义信息记录规则(密码学由此诞生：即使我们看清楚了载体，如果不知道规则，信息也无法被破解)。

你能破译这根羽毛携带的信息吗？

由此，阿怪有了一个发散性的思维：对于自然界的任何一块石头或者其他物体，这些自然现象都会在一定程度上改变它(也就是信息会被记录下来)。如果我们人类能够破译这些& quot录制规则& quot我们不会从自然中获得非常详细的信息吗？事实上，考古学家正在利用这一原理为我们破译历史信息。

食人魔好像跑题了。让我们赶快进入正题。根据前面的结论，我们只需要了解磁带、硬盘等现代存储设备的两个基本情况，就可以很好的理解这些存储设备的物理本质！

电子存储设备的物理基础

磁带存储的物理过程

磁带的橡胶条上覆盖着磁性物质(细磁粉)。当输入信息时，变化的电流导致磁场的强度和方向改变。当这些橡胶条经过变化的磁场时，上面的细磁粉的排列会随着磁场的变化而变化，就像我们这些军训时听教官口令改变队形的人一样，所以信息就记录在橡胶条上。当我们播放一盘磁带时，胶带上的细小磁粉会随着胶带的移动产生一个变化的磁场，这些变化的磁场会使播放器中的电流发生相应的变化。通过电流和扬声器的相互转换，我们可以听到之前录制的美妙音乐。

磁带的物理基础就是电磁感应原理，胶条就是信息的载体.值得注意的是，磁带上记录的信息规则与计算机的信息规则(二进制)并不匹配。磁粉在磁带上的排列方式有很多种，也就是复杂的信息单元越来越多。随着计算机的普及和使用，磁带与& quot特立独行& quot信息规则逐渐被淘汰。

我们初中做的电磁感应实验

光盘存储的物理过程

光盘，顾名思义，就是利用物质对光有不同反射率的原理来记录信息。

最早的光盘，如果我们用放大镜看，会发现这些光盘的表面并不是& quot平滑& quot由许多不同排列规则的凹槽组成。当激光扫过这些凹槽时，会出现不同的反射光线，被光信号接收器接收，转换成不同强度的电流信号，这样我们就可以读取光盘上凹槽中记录的信息。这种光盘是厂家统一刻制的，不能重复记录信息。

后来通过技术上的改进，人们在光盘光滑的表面涂上了一层特殊的物质。当不同强度的激光扫过这些物质时，会导致物质的极性发生变化(极性：可以理解为同一物体在不同方向上的物理性质的差异。比如一个玻璃珠飞到茶杯口，飞到茶杯底就会被挡住，同一个茶杯的口和底极性不同)，使物质的反射率发生变化，从而起到记录信息的作用。读取时，类似于最初的光盘读取原理，用不会引起那种物质极性变化的激光扫过光盘表面，由于反射率不同，会得到不同强度的反射光，这些光信息可以进行相应的处理。

​光盘存储的物理基础就是特殊材料的反射率变化，光盘就是信息的载体。同时，光盘的信息规则就跟电脑的二进制完全匹配起来了，反射率的强弱信号对应“0”、“1”，所以在之前的很长一段时期，光盘仍是电脑的主要存储工具，但是由于光盘对表面的光洁程度要求十分苛刻，容易因磨损而造成信息丢失，于是也慢慢被淘汰了。

U盘存储的物理过程

这里我们需要先认识一个重要物理元件：栅晶体管

栅晶体管实物图，常用大小为毫米级，最小可达纳米级

​栅晶体管也属于半导体的一种，我们可以通过控制输入电压的高低使栅晶体管内部电容发生改变，并且这种改变在断电后依然能长时间保存，这样就起到了存储信息的作用。读取时，电流通过栅晶体管，因其内部电容的不同，会引起输出电流的强弱变化，这样的变化恰好对应于“0”、“1”的电脑语言，于是我们就能快速的获取想要的信息了。

U盘存储的物理基础就是电学元件随电压变化的材料特性，栅晶体管就是信息的载体。

因为U盘的小巧、便捷等优点，现在几乎成为了人手一个的的存储工具。但我们会想，既然U盘这么好用，而且还小巧，为什么不直接把它用于电脑的存储系统呢？

首先，电脑内存条的工作原理就跟U盘是类似的，不同的是，内存条没有能够保持电容或电压改变效果的元件结构，所以内存条只能在通电状态下实现暂时存储的功能。这么看来，其实电脑的存储系统中也有U盘的“踪迹”。

​其次，由于U盘的物理结构和存储方式决定了它的存储上限，对于电脑而言，需要的存储量是U盘无法满足的，所以U盘只能作为电脑的辅助存储工具。

最后，在高强度的存储和读取工作中，U盘由于固化的物理结构，导致其散热是个很大的隐患，也不适用于电脑的存储系统。

所以，这项艰巨的任务还得由即将为大家介绍的“硬盘”来承担。

硬盘存储的物理过程

阿怪的一个坏掉的硬盘

​为了直观的阐述硬盘的工作原理，阿怪把自己家里一个坏掉的硬盘拆开来为大家进行图解：

硬盘的内部结构实物图

​硬盘存储的物理基础与前文提到的磁带一样，都是电磁感应原理，只是硬盘更为精密，其信息载体就是上图中的盘片（由于阿怪拍摄的盘片比镜子还光洁，所以拍出来的效果不是很好，大家应该能看见盘片的轮廓）。

录入信息时，上图红框区域控制电流变化，磁头的磁场随着电流变化而变化，当磁头靠近盘片某个位置时，该位置的磁极就跟着发生改变，于是不同的磁极情况分布就构成了我们需要存储的信息。（我们可以把盘片理解成由无数小磁针构成，磁头控制各个小磁针的针尖是向上还是向下，“上”“下”分别对应“0”“1”信息，这样就能把信息以这种二进制的方式保存起来了。）

同样的道理，读取信息时，磁头本身不通电，当它通过不同的盘片区域时，由于盘片磁场的变化，会引发磁头产生感应电流，这些不同变化的感应电流通过图中红框区域就被转换成我们之前录入的“0”“1”信息了。

​看完以上的介绍，大家是不是觉得看起来不可思议的科技产品，其原理竟然如此简单！诚然，要理解这些存储设备的本质原理的确不难，但要把这些原理应用于生产制造，最终成为一个个精密的电子产品却是非常漫长的，其间需要极为精确的计算和制造手段。所以，科学技术厉害之处实质是科学工作者们的鬼斧神工！

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