从存储介质的进化了解CVN网络去中心化存储是什么

人类天生有记录的冲动，电影的长期保存一直都是个让人头疼的问题。

胶片时代，人们用胶片储存电影，然而胶片容易受潮发霉变色，保存不当还会变形，遇上火灾也容易烧毁；

然后进入了DVD光盘时代，光盘储存虽然有其优点，但在可靠性上并不比胶片强多少，它同样脆弱，容易损毁，一旦氧化就彻底报废；

如今，很多电影都用数字形式储存，看起来好像不需要实体了，但实际上呢，所有的数字电影都是储存在机房的硬盘里，所谓的“云存储”不过是把这些硬盘集中到了一块儿。硬盘不是一种适合长期存放数据的东西，为了防止数据的丢失，需要每三年左右把数据换到新的硬盘上。

在此，我们看下存储发展的历史进程。

1、模拟时代

也许一半是出于装修的目的，最早的人们在墙上画画。

后来有人发现，这么精致的作品没法随身携带实在可惜，就把目光盯上了昨晚吃剩的骨头（顺便处理了一批干垃圾）。

但这样一来，哪天有人想写个长篇的话，附近十里八乡的小动物就只能瑟瑟发抖了，于是书简和纸张开始上线。

纸张在很长一段时间内都是人们记录信息十分理想的载体，但也仅限于文字和图像的记录，声音的记录还完全没有办法，什么通过贝壳可以听到大海的声音，那个完全不沾边。

直到物理学告诉世人：声音是由物体振动发出的。

搞清楚基本原理之后，人们可以开始尝试记录和重现声音。

终于，在19世纪末期，通过用大喇叭拾取声音，并将声波的形状通过机械装置被刻在松软的蜡质碟片上的方式，实现了声音的记录与重现，这也就是留声机和唱片的工作原理。

可以看到，包括记录声音的时候，人们还是在通过各种介质来记录这个世界的模拟信号，即使是磁带代替了唱片成为潮流，记录声音的原理还是没有变化。

所以，在最初的几万年间，人们通过各种载体去记录真实世界的形状：看到的形状、听到的形状和想到的形状。

2、数字时代——磁存储的进化

信息存储的分水岭，始于第一台计算机的诞生，因为计算机运算需要二进制的数据。

计算机工程师们首先想到的办法是：直接在纸上打洞来表示0和1，有洞的地方就是0，没洞的地方就是1（反过来也行）。

大家一看就知道，这种方法存储密度很低，运行速度也很慢，但它解决了一个至关重要的问题，人们可以跟计算机进行沟通了。

有的时候，解决问题的方法可以不高大上，但是能实现从无到有的就是当下最好的方法。

直到1930年代，IBM每年仍要销售上千万张穿孔纸卡。

提到磁存储，大家的第一反应可能是：磁带。这也是我们个人最早接触到的磁存储的产品了。

而磁存储和二进制结合起来的时候，信息存储就迎来了超进化。

正当最早的程序员面对打孔纸怨声载道的时候，有天才的科学家和工程师们想到，磁场的N/S极天然可以用来表示0和1，再搭配一个检测用的磁头不就可以实现数据的在磁介质上的存储和读取了嘛。

说干就干，1932年，IBM的科学家根据这个原理制造了最早的磁性存储介质——磁鼓，用在了自家IBM 650系列计算机上。

这个设备很笨重，一支磁鼓有12英寸长，一分钟可以转1万2千5百转，它在计算机中被当成主存储器，每支可以保存1万个字符（不到10Kb，以这个磁鼓的空间都保存不下这篇文章）。

最早的计算机用磁存储设备——磁鼓

磁鼓一直被用到上世纪五十年代。

1956年，IBM公司购买了王安博士的“磁芯存储器”专利，磁芯存储器又主宰了计算机存储市场小20年。

再到后来被DRAM技术（DRAM点了半导体科技树，下文会介绍）所代替。

磁鼓虽然战五渣，但是它体现的存储和读取数据的基本思路一直沿用了下来，包括后来的软盘、机械硬盘：

这些存储载体可以看做一个个“小格子”，磁存储的每个小格子其实都是一块小磁铁。

根据我们的原理，想提高磁存储密度很简单，把格子做得更小，更密就可以了。

但这会有两方面的挑战：

一是，材料学能否把这些格子做得更小？

二是，如果格子做小了，磁头还能不能看清里面的磁铁状态？

好在，大部分时候，材料学都说了Yes，问题的关键就在于磁头能不能看清楚。

事实也正是如此，在磁盘开始商用之后，当时各个厂家也都可以做出更高密度的碟片。

可当时的磁头实在是不行，磁头纷纷表示格子太小了，看不清。因此，硬盘存储密度在一段时间内一直徘徊不前，一直到上世纪80年代末期，IBM公司发明了磁阻磁头。

磁场比较野喜欢往外跑，不服管教，电流就要乖很多，所以测量电流比测量磁场要方便得多也准确得多。

磁阻磁头的发明正是改变了磁介质数据读取的方式，磁头从直接检测磁场变成了测量电流大小，此在读取数据时就变得十分敏感且迅速。

用上了磁阻磁头就像是一个老花眼找到了老花镜。

所以 ，在1991年，MR磁头技术被应用到了3.5寸硬盘中后，普通的3.5寸硬盘的容量也可以达到1GB，相当于几百个软盘的容量大小。

但磁阻磁头还是遇到了一些问题：

因为磁阻磁头是根据通过磁头中的电流大小来识别0和1的，

所以0和1状态下电阻的差异程度直接影响到信息读取的准确度，

而一般情况下，导体电阻的增加值跟磁场的平方呈正比（这段略有些超纲了，供有余力的同学自学）。

总之一句话，要想准确的区分出0和1，磁场强度不能太小。

如果上面这段话不太好理解，那也没关系，一句话来说：用磁阻磁头去看磁盘上这些小格子的时候，还是觉得有些吃力，所以限制了格子们没法做得太小。

直到1988年，法国科学家 Albert Fert 和德国科学家 Peter Grünberg发现了巨磁阻效应（GMR，Giant Magneto Resistance）。

我们就直接说结论和应用：

根据这两位大神的发现，IBM的科学家StuartParkin博士制作了一个特殊的磁头——GMR磁头，存储单元磁场方向的转变会导致GMR磁头中电阻的大幅变化。

也就意味着GMR磁头比以往的磁阻磁头灵敏得多，这一下使得磁存储的密度又上升一个台阶。

GMR磁头就像自带显微镜一样，在存储小格子做得很小的时候，都能轻松看清楚

机械硬盘内部结构

从1988年，Albert Fert和Peter Grünberg发现GMR效应，到他们因此获得2007年的诺贝尔物理学，共历时19年，实属基础学科突破在产业应用方面获得巨大成功的代表作。

后来出现的PMR以及SMR技术也都提升了存储密度，但主要是通过改变格子的排列方式来达到提升存储目的。

磁存储进步的历程中，IBM的名字出现了很多次，为磁存储的发展作出了巨大的贡献。

磁存储虽然一路突飞猛进，打怪升级，但磁存储有一个致命的缺陷，那就是读写速度太慢了。这么多格子需要一个个旋转起来让磁头看，怎么也快不起来啊。

插播一下，事实上，有一段时间，光盘也一度十分普及，光驱也一度是各台PC和笔记本电脑的的标配，光盘的存储和磁存储很接近。

也是让光盘高速旋转起来，然后通过激光探头来读写各个存储单元的数据，因此光盘也有和磁存储类似的问题，读写速度偏慢，尤其是刻录（写入）光盘的时候，因此也慢慢消失了。

二十世纪的美妙之处就在于，科学界还有很多低垂的果实，人类每摘取一个，都可能对世界产生重大的影响，巨磁阻效应无疑是其中一个。

3、数字时代——半导体存储的进击

存储的容量固然重要，但读写速度对计算机性能的影响更加显著。相信经历过机械硬盘换固态硬盘的同学一定都懂。

半导体学科和硅工艺的不断进步是现代计算机更新换代的最直接的驱动力，在磁存储迅猛发展的那些年，半导体界也没闲着。

英特尔、三星、海力士、美光、尔必达、金士顿等著名的半导体企业在存储这个领域有过惨烈的厮杀。

计算机运行时，用到的数据可以简单分成两种：

一种是用完就可扔，但用的时候越快越好，主要靠内存（DRAM）；

另一种是用完得保存好，以后还得接着用，速度可以不用那么快，主要靠闪存（Flash）。

数据也是需要分类存储的

先说内存（这里主要指DRAM）。

至于DRAM怎么工作的，电路图就不画了，相信大家也记不住，就算记住了，跟朋友吹牛的时候也用不上。

还是继续用咱们的格子理论来理解，内存也可以看成是很多个格子组成的，不过内存的格子里的就不再是小磁铁了，而是一个个半导体结构的电容。

电容充上电了就代表1，没充电就代表0，充放电的速度比磁存储的机械旋转可快多了。

自从1966年，IBM公司的罗伯特·登纳德博士，发明了半导体晶体管DRAM内存后，DRAM就一直是兵家必争之地。

1970年美国英特尔，依靠批量生产DRAM大获成功，结束了磁芯存储时代。

1976年开始，日本厂商大举进攻DRAM市场，大名鼎鼎的英特尔都被逼无奈，只得转型微处理器市场。

1985年“日美半导体战争”正式开战，韩国厂商获得了大量美国订单，成长了起来。

1997年亚洲金融风暴，差点将韩国厂商逼死。

美国控制韩国经济后，韩国厂商又借着DRAM市场的暴利翻身崛起。此时不怕死的台湾人冲进DRAM市场，投入500亿美元却亏得血本无归。

2007年全球经济危机，逼死了德国厂商，并将台湾DRAM厂商打翻在地，狠踩两脚。

2017年，大陆厂商又冲了进来，准备投资660亿美元，进攻DRAM市场

闪存（Flash）的存储方式

介绍完用完就扔的数据存储方案，接下来轮到需要长期存储的数据了。固态硬盘（SSD，Solid State Drive）里使用的就是一个个闪存颗粒来存储数据。

在我们讲到磁存储的时候，就已经说过，机械硬盘能够做到数据的高密度长期存储了，但是实在是不够快，尤其是读写一批小文件的时候。

那固态硬盘里的用的Flash颗粒比机械硬盘读写快多少？快一个数量级。

Flash颗粒为什么这么快？

因为在 Flash颗粒里不再需要通过机械运动和磁头读写了，全部由电信号来控制，于是速度嗖嗖地就上去了。

还是用我们的格子理论，在每个Flash里面又有很多的小格子，不过这次的格子里面的东西又有点不一样了。

Flash的格子里是一个个浮栅晶体管（能记住是晶体管就行），用晶体管的导通与否来表示0和1。

那怎么控制晶体管的导通呢？在这个管子的中间，有一个开关，由充放电来控制。

在一个固态硬盘里面有很多Flash颗粒，这些Flash颗粒由主控芯片在管理着。

机械硬盘（左）VS固态硬盘（右）内部结构

正因为Flash里面都是晶体管结构，所以它的发展归摩尔定律管。在半导体工艺极限到达之前，晶体管可以越做越小，Flash的发展十分迅速。

1984年，东芝发明闪存。

1989年，第一款固态硬盘出现，应用于专业领域如医疗、航空和军事。

当时固态硬盘的性能远低于机械硬盘，不过专业领域的市场化应用使固态硬盘获得了长足的发展。

2006年3月，三星发布了一款32GB容量的固态硬盘笔记本电脑。

2007年6月，东芝推出了其第一款120GB固态硬盘笔记本电脑。

2012年，苹果公司在笔记本电脑上应用容量为512G的固态硬盘。

摩尔定律的威力得到充分的展现，从96年第一款固态硬盘笔记本推出到如今。

经过十多年的发展，现在世面上在售的纯机械硬盘电脑已经很少见了，在手机和超级本领域更是容不得机械硬盘插足。

做一个小的总结：

机械硬盘——极小的磁铁翻转；内存——电容充放电；固体硬盘（闪存）——晶体管开关。

那各自的优缺点也就自然清楚了：

机械硬盘存储密度大，但读写慢，而且怕磁场影响，但价格便宜；

内存工作速度快，但电容上的电荷时间一长全跑掉了，所以没法长时间保存信息，而且价格高；

SSD比较中庸一些，速度也比较快，可以较长期保存数据，不怕磁铁，价格介于两者之间。

在美剧《绝命毒师》第五季开头。

老白等人用强大的电磁铁隔着墙销毁了电脑硬盘里的信息，幸亏那台笔记本用的是机械硬盘，要是用的是SSD的话，第五季就不用拍了。

美剧绝命毒师 剧照

虽然固态硬盘近几年大杀四方，但它也有一些问题，问题主要存在于三个方面：

第一是成本高，由于固态硬盘中的闪存颗粒、控制芯片都是基于半导体工艺生产的，比起磁存储的磁材料溅射生产，成本高出一大截。反映到消费者端的感受就是相同容量的固态硬盘比机械硬盘贵很多。

第二是存储密度，闪存颗粒中的存储单元是一个个的晶体管，想要持续提升密度就需要受目前半导体技术工艺和成本双重约束，所以我们可以轻松买到容量超过10T的机械硬盘，但超过2T的固态硬盘就很难买到了；

第三是寿命，固态硬盘里的晶体管开关就跟我们日常使用的开关一样，开关的次数太多后也会坏的，所以Flash颗粒擦写的次数多了之后就无法再使用了。

各大闪存厂商都想方设法来解决这些问题，还真的想出两个办法来：

一个办法是，增加每个格子里的存储信息量。你们觉得存储密度不够高？那我把每个格子里可以存储的信息量加倍，总可以了吧？

再不够？超级加倍！

4、区块链技术解决存储问题

早期的分布式存储问题：目前区块容量小，导致网络拥堵，大量的区块数据存到哪里，如何存储，如何高效存储是难点。

我们都知道区块中心化的存储是区块链的底层设计，IPFS、FileCoin采用了PoST存储容量共识算法，实现了存储主链。但是对于节点来说，基于零知识证明的 POC容量证明算法，导致过度依赖于节点的服务器CPU、甚至GPU的计算性能，从而导致出块效率极低，计算资料浪费的局面。其次，在智能合约、虚拟机方面，几乎不太可能实现很好的整合。

近些年，云计算得到广泛的普及和应用，其核心理念就是资源租用、应用托管和服务外包，其通过虚拟化技术将分布的计算节点组成一个共享的虚拟化池，为用户提供服务。但是当用户选择将大量应用和数据部署到云计算平台中时，云计算系统也相应地变为云存储系统，高度集中的计算资源使云存储面临着严竣的安全挑战，这也是中心化服务先天具备的弱点。

中心化的云存储在安全性、可靠性、高昂费用以及服务水平层面还存在很多问题亟待解决。企业数据放在云存储中，他们最关心的是数据是否完整无误，如果出现故障，是否可以实现数据的恢复，而且能够证明这些数据与原来数据完全一致。

这就是去中心存储中经常提到的数据验证。

2020年，CVN提出，VRF（随机验证方法）+PoST时空证明，是区块链主网应用到去中心化存储中的最优解，CVN意识价值网络目前区块高度超过5000万，TPS/CTPS在5万以上，支持超级节点数100个；数据层优化，更换为LevelDB更稳定，启动数据压缩减少节点空间，自动快照功能减少内存使用；StateTrie树升级为64叉树，提供更快的并行交易，优化数值存储和查询复杂度，提高了交易执行性能；新增分片指令，主链提供分片的内部交易执行，提高单片执行和跨片执行效率。

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用户还可以直接通过云端购买云服务器成为CVN意识价值网络的生态节点，享受去中心化存储带来的更安全、更隐秘的数据存储服务外，还能够利用自己的存储空间进行挖矿，获得相应收益。

存储的未来在分布式，而分布式存储的未来一定在去中心化，唯有去中心化的存储网络才能够长久存续与自治，并实现每一个参与者都能够收益的局面，CVN与人人云快播的故事刚刚开始，让我们拭目以待接下来更精彩的后续。

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