Как ВК хранит фотографии?

Абсолютно не прав. В базе данных может храниться информация об изображении (например, в какой директории какого сервера находится изображение), но само изображение хранится именно в файловой системе. Хранить изображение в БД - лишь снижать производительность базы данных.

VK - это не один сервер, а тысячи серверов, по которым раскиданы файлы. Даже если серверов для хранения изображений всего 1000, на каждый из них приходится уже 50 миллионов, а не миллиардов фотографий. А серверов куда больше, чем тысяча.

Что касается PHP, то идея та же самая: храним само изображение в файловой системе. Но чтобы ускорить доступ к изображению, раскидываем изображения по множеству директорий. Например, одна из стандартных схем: директория pictures содержит 256 поддиректорий (c именами от 00 до FF), в свою очередь, каждая из этих 256 поддиректорий содержит ещё 256 директорий - всего 65536 поддиректорий второго уровня. И уже по этим 65536 директориям в [псевдо]случайном порядке раскидываются файлы. Этого более чем достаточно, чтобы обеспечить быстрый доступ к десятку миллионов изображений.

Что касается самого раскидывания... Например, при сохранении файла берём хэш SHA от microtime(). Два первых символа хэша - имя поддиректории верхнего уровня, два следующих - имя поддиректории второго уровня, остальная часть хэша - собственно имя файла.
Информацию, необходимую для доступа к изображению, сохраняем в БД.

Это коммерческая тайна вообще-то

На серверах