你电脑里涨价涨疯了的内存，曾经是工人们一针一线穿出来的

最近存储芯片涨价涨疯了……本来想给手里的笔记本换个新内存条，看了一眼价格，默默退出了购物车。

但是涨价的事先放一边，你是否了解，电脑里那根插在主板上的内存条，到底凭什么能“记住”你打开的所有网页、文档和游戏进度？

这个问题如果往前追溯七十年，答案会让你非常意外。

存储器的迭代

计算机的存储可以看成一个金字塔结构。塔尖是寄存器，几纳秒读写一次，容量几百字节。往下一层是 CPU 缓存（SRAM），读写时间几十纳秒，容量几 MB。再往下是咱们熟悉的内存，几十到几百纳秒，几到几十 GB。塔底是 SSD 和 HDD，慢了几千倍，容量也大了几千倍。

又快又大的存储器不存在。你只能在速度、容量和成本之间做取舍。

但如果把时钟拨回 1950 年代初，让计算机记住哪怕几千个 bit，是一个差点逼疯一代工程师的难题。

先来说说最早的两个方案。

一个叫做水银延迟线。往一根玻璃管里灌满水银，一端用石英晶体发射超声波脉冲，声波在水银里（声速大概 1450 米每秒）慢悠悠走到另一端，被接收放大后再送回发射端。超声波承载的数据就这么在水银里一圈一圈转。一根一米长的管子大概能存一千个脉冲。想读某个 bit ？不好意思，等它转完一圈走到你面前再说。

伦敦科学博物馆收藏的 EDSAC 的水银延迟线

更让人头大的是声速对温度极其敏感。室温波动一摄氏度，时钟频率就得跟着调。而且水银有毒。空调还没普及的年代，几十公斤液态水银在机房里晃荡，今天的安全监察员听了大概会当场昏过去。UNIVAC I 是早期使用水银延迟线的著名计算机之一，它的内存子系统大到人可以直接走进去。

另一个方案叫 Williams 管，是 1946 年英国人 Freddie Williams 和 Tom Kilburn 在曼彻斯特大学发明的。往 CRT屏幕（阴极射线管，老式电视的显像管就是这个东西）上打一束电子，屏幕表面会形成一个微小的电荷斑。这个电荷斑就给了我们编码空间，有电荷斑记为 1，没有记为 0。

Williams 管打出的存储图样

IBM701 计算机用的 Williams 管

但电荷几毫秒就漏光了，想要持续存储数据得不间断刷新。而且这东西对电场极其敏感。1948 年 6 月，曼彻斯特大学用 Williams 管造了世界上第一台存储程序计算机“曼彻斯特 Baby”，内存正好 1024 bit。运行的时候整个实验团队恨不得保持绝对静止。

就在工程师们被这些奇葩存储方案折磨得死去活来的时候，一个从上海来的年轻人在哈佛的实验室里搞出了另一种思路。

王安（An Wang）

王安，1920 年出生在上海，1940 年上海交大电机系毕业，1945 年赴美，三年后在哈佛拿到应用物理博士。他博士论文做的是非线性力学，跟计算机八竿子打不着。但毕业后他留在哈佛跟着计算机先驱 Howard Aiken 做 Mark IV，一台全电子管的巨型机。

当时计算机存储是整套系统里最拖后腿的部件。Aiken 的上一代 Mark III 还在用磁鼓：一个表面镀有磁性涂层的大金属筒，靠机械旋转读写，又慢又不可靠。Mark III 于 1949 年建成，用了九个磁鼓，总存储量 4350 个字节，重 10 吨。Aiken 自己都承认它是“世界上最慢的电子计算机”。王安被分配去解决这个存储问题。

ERA 生产的磁鼓存储器

他的思路很直接，用一个小小的磁性圆环来存一个 bit。磁性材料磁化之后能保持磁化方向，断了电也不会影响磁化。这简直就是天然的 0 和 1。

虽然想法简单，但是真的做起来的时候到处都是麻烦。最主要的一个就是，小磁环组成阵列时，必定会互相产生影响，这就会影响读写数据。1949 年王安和同学 Way-Dong Woo 一起拿到了“脉冲传输控制装置”专利，解决了它。1955 年 IBM 掏 50 万美元买下这个专利。这笔钱后来成了王安创业的第一桶金，他拿它创办了王安实验室，做文字处理机一度做到和 IBM 正面竞争——那是另一个故事了。

真正把磁芯存储器从实验室变成产品的人是 MIT 的 Jay Forrester。

Whirlwind 计算机

Forrester 当时在做一个叫 Whirlwind 的项目，世界上第一台实时交互的电子数字计算机。美国海军为了最先进的飞行模拟器立了这个项目，要求是飞行员在模拟舱里操作，计算机同步算出来飞机的动态响应。这个需求导致 Whirlwind 必须实时跑，不能像当时别的计算机那样慢悠悠吃完一摞打孔卡再吐结果。Forrester 发现市面上绝大多数的方案都无法实现这个要求，直到他看到王安的专利，他如获至宝，随后在王安工作的基础上搞出了“重合电流法”。

1953 年，Whirlwind 装上磁芯存储器，稳定性提了几个数量级。计算机第一次有了一种真正可用的随机存取存储器。Forrester 在 1951 年发表的论文中详细描述了这项技术。

磁芯存储器是怎么存一个 bit 的？

核心单元是一个直径不到两毫米的铁氧体小环。铁氧体是磁性陶瓷，由氧化铁和锰、锌等金属氧化物高温烧结而成，不导电但能被磁化。它的磁滞回线接近矩形：你给它通一下电，它就磁化；断了电，磁化方向纹丝不动。这个特性叫剩磁，铁氧体的剩磁可以保持几十年。更重要的是，在设计中小磁环的磁化方向是顺时针和逆时针，闭合的磁路导致磁性几乎不外泄，因此可以把阵列排的非常密。

铁氧体的矩形磁滞回线示意图

但一块板子上有好几千个磁芯。怎么才能精准选中其中一个来读写，还不碰到旁边的？我们毕竟不能给每个磁芯单独拉根线。

Forrester 的重合电流法是这么搞的：在每个磁芯中穿 X 和 Y 两根地址线。要访问第 3 行第 5 列那个磁芯，在 X3 线上通强度略超翻转阈值一半的电流，Y5 线上也通同样。单走一根线的电流不够翻转，因此这条线上的所有磁芯都不受影响。但在交叉点上，两股电流叠加，磁场强度瞬间超过阈值，这样就实现了针对某一磁芯的操作[8]。

这个方案妙就妙在把“选地址”这个看似需要无数根独立导线的问题，变成了一个简单的二维矩阵。

重合电流法原理

第三根是读出线 S，蛇形穿过整块板上所有磁芯。被选中的磁芯翻转时，由于磁通量变化，读出线上会感应出一个微弱的电压脉冲。有脉冲说明刚才翻转的磁芯原本存储的数据是 1，没脉冲则是 0 。这个读出操作有一个代价：会破坏数据。不管原来是 0 还是 1，读完之后统统变成 0。所以每次读出之后必须马上把原值写回去。这个读-改-写循环是磁芯存储器的核心操作，一次完整读写大概需要几微秒。以今天的标准看慢得离谱，但放在 1953 年，这简直是奇迹。

第四根叫禁止线 Z，写操作时如果你想往某位置写 0，就在禁止线上通一个反向小电流，抵消掉一部分 X 和 Y 的电流，让磁芯磁化方向不翻转。

四根线，一个小磁环，共同组成一个可选取，可独立读写的物理 bit。很优雅对吧？那你猜猜，谁来穿这些线？

人工。纯手工。

女工手工穿制磁芯存储器

每个小磁环上的四根导线，大部分是女工在显微镜下用镊子和针一根一根穿的。导线比头发丝还细，磁环的孔径不到两毫米。一块标准 64×64 存储板有 4096 个磁芯。四根线穿一个，总共 16384 次穿线。一次穿孔穿歪、张力不匀、或者线拉断了，都可能导致整块板报废。由于物理空间限制，多块存储板堆叠起来才能构成一个完整存储模块。一个 16 层 32×32的阵列，16384 个 bit，刚刚好 2KB，不到一张微信表情包的大小。

极小的磁芯组成的存储芯片

这些女工有个专门的名字，磁芯编织工（core stack weavers）。她们大多在东南亚和加勒比海地区的工厂。到 1960 年代，光香港一地就有上万个女工在干这个。一个几十亿美元的产业，靠的是几十万双纤细的手在显微镜前撑起来的。

而且手工编织的磁芯存储器质量好得离谱。它不怕断电，不怕震动，不怕辐射。这在今天的消费者看来简直是黑魔法，我们已经习惯了 DRAM 一断电就什么东西都忘光。突然停电你正在写的文档怎么办？如果没有自动保存的话什么都没了。但磁芯存储器里的数据，来电之后还在那里。这就是磁环作为非易失性存储器件的特别之处。

SAGE 防空系统控制室，使用 AN/FSQ-7 计算机

美国空军在 1950 年代搞了个叫 SAGE 的防空系统，核心计算机 AN/FSQ-7 重达 250 吨，用了近五万个真空管，大片的磁芯存储器，横跨北美大陆几十个雷达站全天候联网运行。这东西几乎没停过机，靠的就是磁芯的可靠性。

不过它最震撼的应用不在地面上。

阿波罗飞船的制导计算机（AGC），登月舱和指令舱里面各有一台。它的 RAM 也是磁芯存储器，大小是 2048 个 16-bit，满打满算 4KB。你手机里随便一张照片都比这个大几千倍。

阿波罗制导计算机（AGC）和 DSKY 显示键盘

AGC 的程序不是存在 RAM 里的，是存在一种叫“磁芯绳存储器”（core rope memory）的 ROM 里。它编码 bit 的方式极其硬核：一根导线如果从磁芯孔中间穿过去，这个 bit 是 1；从磁芯外面绕过去，就是 0。程序是物理上"编织"进硬件的，出厂之后不可能改哪怕一个 bit。

阿波罗的磁芯存储器

某种意义上，这是人类历史上最不可破解的软件。想改程序得先找到那块 ROM，把线拆了重新穿一遍。

雷神公司（Raytheon）的女工把阿波罗的导航程序一针一线穿进了磁芯绳。她们大概率不知道，自己穿过的每一根导线，对应的都是飞船穿越地月空间的一条具体指令。

阿波罗 11 号登月的时候，AGC 的 RAM 是 4KB（2048 个16-bit），ROM 大约 72KB（36864 个 16-bit），处理器主频 2.048MHz。我们目前的手机主频大约 3GHz，比当年的处理器快 1500 倍。

4KB 内存 + 2MHz 主频的 CPU，把三个人送上月球，又安全带回了地球。

磁芯存储器统治了计算机领域二十年。土星五号火箭 1976 年还在用磁芯。B-52 轰炸机的航电系统更夸张，一些子系统一路撑到 1990 年代。

但它最后还是被另一种技术取代了。

1966 年，IBM 的 Robert Dennard 发明了动态随机存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）。原理更加简单直接：一个晶体管加一个微型电容，存一个 bit。电容里有电荷记为 1，没电荷记为 0。由于电容会漏电，要保证数据连续就需要隔几毫秒刷新一次。

DRAM 的优势太明显了。光刻工艺在硅晶圆上就可以批量印刷 DRAM 芯片，一片晶圆一次做几万个存储单元，人手碰都不用碰。同时它还完美搭上了摩尔定律的便车：晶体管每两年缩小一倍，同样面积能塞的 bit 数翻倍。磁芯不行，缩小到一定程度人手就穿不了线了，设计对应的机械也非常困难。

Intel 的第一款商用 DRAM 芯片 1103

此外 DRAM 的成本更是远低于磁芯。1970 年 Intel 推出了第一颗商用 DRAM 芯片 1103，容量 1K bit，每个 bit 一美分。到1974 年，DRAM 的 bit 单位价格已经比磁芯低了。

1974 年到 1978 年的短短四年时间中，手工编织磁芯的产业几乎完全消失。最后一条大规模产线 1978 年正式关闭，磁芯存储从此从计算机中走进了博物馆。

来源：中科院物理所