存储介质的演变经历了多个阶段，从最初的机械存储到现代的固态存储，每一次变革都极大地提高了数据存储的容量、速度和可靠性，每一次革新都极大地推动了信息社会的进步。
作为业务连续性计划的关键组成部分，存储介质可确保在系统故障时数据不会丢失，而高性能的存储介质，更可以提高系统的整体性能，特别是在处理大量数据时。
存储介质使得数据持久化、信息共享、备份恢复、合规管理成为可能。
新型存储介质的开发推动了云计算、大数据分析和人工智能等信息技术的创新，存储成本的降低使得更多的数据可以被经济高效地存储。可以说，存储介质的演变和多样化为现代社会提供了丰富的数据存储解决方案，支撑了数字经济的发展和信息社会的进步。
存储介质的演变
1.传统存储技术：磁存储、光存储
1)磁存储
作为最早期的主流存储技术之一，磁存储技术以其低成本和高容量迅速普及。
磁存储利用磁性材料记录信息，磁带和硬盘是最常见的形式，其中IBM于1956年推出的RAMAC 305是首个商用硬盘系统，开启了磁存储的新纪元。磁存储设备容量大、成本低廉，但速度相对较慢，且易受物理损坏和磁场干扰，随着时间推移可能出现数据退化。
尽管如此，磁存储介质特别是磁带至今仍是数据中心和服务器群中不可或缺的部分，用于数据归档和备份。
2)光存储
20世纪80年代，随着光盘（CD，Compact Disc）的问世，光存储技术开始普及。光盘通过激光读写数据，提供了一个相对耐用且成本较低、具有良好稳定性和较长保存期限的存储方案，广泛应用于音乐、视频及数据备份等领域。光盘的写入速度较慢，且一旦刻录完成便难以修改。此外，光驱和光盘的生产对环境有一定的负面影响。
2.热门应用存储：闪存存储、3D XPoint与相变存储
1) NAND
1989年，东芝公司发明了NAND型闪存，标志着新型存储时代的到来。闪存存储包括闪存和固态硬盘（SSD），其以快速读写速度和高可靠性受到青睐，在一定程度上取代了传统的机械硬盘。固态硬盘不仅提高了数据访问速度，还大幅减少了功耗和噪音，成为个人电脑和移动设备的标准配置。
固态硬盘成本相对较高，且存在写入寿命限制。但随着技术进步，这些问题已经逐步改善，市场占有率正大幅提升。
2）3D XPoint
3D XPoint是由英特尔和美光科技联合开发的一种非易失性存储技术，“XPoint”代表交叉点，这反映了其独特的存储单元排列方式——采用三维交叉点阵列结构：该结构允许每个存储单元直接连接到字线和位线，从而实现对单个存储单元的直接访问而不需要通过晶体管。3D XPoint填补了DRAM和NAND闪存之间的存储空白，提供了比传统NAND闪存更快的速度和更高的耐用性。
3D XPoint 被定位为高性能计算和数据中心的存储解决方案，适用于需要快速数据访问的应用，通常被用于高端存储产品，如英特尔的Optane系列。
尽管3D XPoint 是一项突破性技术，但它在市场上的普及受到了成本和市场接受度的限制，英特尔和美光双方合作于2019年终止后，双方声称将开启各自的研发之路。但时至今日，该技术已经淡出了人们的视野。
3）相变存储
相变存储（PCM, Phase Change Memory）也是一种比闪存具有更快的写入速度和更高耐久性的非易失性存储技术，它利用材料在晶态和非晶态之间的相变来存储数据。相较于3D XPoint依赖于其独特的三维架构和电阻变化机制方式，PCM采用的是材料的物理相变特性。
相变存储主要用于汽车电子、工业控制以及游戏机等嵌入式系统和少数企业级存储解决方案，未来可能进一步扩展到消费电子产品中。但目前市场上的实际应用案例相对较少，部分原因是制造成本较高和生产技术尚未完全成熟。
在国内，中国科学院下属的多个研究所，清华大学、上海交通大学、武汉光电国家研究中心以及中国电子科技集团都在进行相变存储技术的研究。
3.有望突破的存储：玻璃存储、生物存储、量子存储、石墨烯存储
1）玻璃存储
近年来，科学家们探索使用玻璃作为长期数据存储的媒介。2017年，南安普顿大学的研究团队开发了一种名为“五维数据存储”的技术，能够在石英玻璃上以极高的密度存储信息，理论上可保持数百万年而不腐坏。这项技术特别适合于档案资料的永久保存。
保存电影《超人》的玻璃（图源微软）
该技术目前还处于实验室阶段，面临成本高昂和读写速度慢等问题。未来，随着技术成熟，玻璃存储有望在特定领域得到应用。
2）生物存储
利用DNA分子的高密度特性来存储数字信息是另一项前沿研究方向，其优点在于能够以极小的体积存储海量数据，并且理论上可以无限期保存。哈佛大学和微软研究院等机构正致力于此领域的突破，未来有望实现高效能、低成本的数据存储解决方案，在基因组学、医疗健康和大数据存储方面有望发挥重要作用。
3）量子存储
量子计算的发展催生了对量子存储的需求，它利用量子比特的叠加状态存储比经典计算机更多的信息，具有巨大的存储密度和潜在的高速读写能力。谷歌、IBM等科技巨头正积极投入量子存储技术的研发。
NASA格伦研究中心量子团队与新的量子存储器实验设备（图源：NASA）
虽然仍处于实验阶段，如量子态的不稳定性和复杂的冷却需求，但其潜力巨大，未来有望在安全通信、加密和高性能计算等领域产生重大影响，可能彻底改变未来的信息处理方式。
4）石墨烯存储
石墨烯作为一种二维材料，因其独特的物理和化学性质，在数据存储领域展现出巨大潜力。该技术利用石墨烯的高导电性和机械强度，其优异的性能和环境友好性支持实现高速度、低功耗的数据读写。2013年，美国加州大学伯克利分校的研究团队首次展示了基于石墨烯的存储器件。
目前石墨烯存储仍处于研发阶段，需要克服制造工艺和成本控制等挑战。未来，石墨烯存储有望在高性能计算和物联网设备中找到应用场景。
全球存储介质的发展见证了信息技术的飞速进步。随着新材料和新技术的不断涌现，未来的数据存储将更加高效、可靠和环保，为人类社会带来更加丰富多样的数据存储选择。
企业级数据中心存储介质的选择与布局
在设计企业级数据中心时，存储介质的选择和布局是至关重要的环节，直接影响到数据的安全性、访问速度、成本效益和维护便利性。
有哪些值得考虑的关键因素？笔者进行了简单的归纳和整理。
1）性能需求。根据业务需求选择合适的存储介质。对于高频访问的热数据，通常使用固态硬盘或相变存储，以确保快速读写和低延迟。而对于冷数据或归档数据，可以采用成本更低的磁盘阵列或磁带存储，以节省成本。
2）数据安全性。选择具有高可靠性和冗余机制的存储介质，例如，RAID技术可以提高数据的可用性和容错性。此外，加密技术和物理安全措施是确保数据不被未授权访问或篡改的有效对策。
3）扩展性和灵活性。支持横向扩展和纵向扩展的存储架构，可根据业务增长灵活调整存储容量。模块化设计的存储系统可以更容易地添加新的存储节点，而不会影响现有系统的运行。
4）成本效益。虽然高端存储介质如SSD性能优越，但成本较高。可以通过混合使用不同类型的存储介质，优化成本与性能的平衡。例如，采用分层存储策略，将热数据放在高性能存储上，冷数据放在低成本存储如磁带上。
5）环保影响。选择低功耗和环保的存储介质，可减少数据中心的能源消耗和碳排放。固态硬盘和相变存储在功耗和散热方面通常优于传统机械硬盘，而且由于容量上的优势，该类型磁盘减少了数据中心的占地面积，也在一定程度上降低了资源的消耗。
6）维护和管理。选择易于管理和维护的存储系统，可减少IT运维的复杂性和工作量。自动化管理和监控工具可以帮助及时发现和解决问题，确保系统的稳定运行。
综合以上因素考虑，企业可以设计出高效、可靠且经济的数据中心存储方案，在支持业务发展的同时满足成本、环保等方面的要求。
