Speichertechnik
Ein Bit kennt nur zwei Zustände: 0 und 1. Um es zu speichern, braucht man also etwas, das zwei unterscheidbare Zustände annehmen und halten kann. Dafür gibt es drei grundlegende physikalische Prinzipien:
| Prinzip | Zustände | Beispiele |
|---|---|---|
| elektronisch | elektrische Ladung vorhanden / nicht vorhanden | DRAM (Arbeitsspeicher), SRAM (Cache), Flash (SSD, USB-Stick) |
| (elektro)magnetisch | Magnetisierung in die eine / andere Richtung | Festplatte (HDD), Magnetband |
| optisch | Licht wird stark / schwach reflektiert | CD, DVD, Blu-ray |
Elektronisch: DRAM und Flash
DRAM – der Arbeitsspeicher
Im DRAM (Dynamic Random Access Memory) besteht jede Speicherzelle aus einem winzigen Kondensator und einem Transistor, der als Schalter dient. Ist der Kondensator geladen, steht dort eine 1, sonst eine 0.
Das Problem: Die Kondensatoren sind so klein, dass sie ihre Ladung nach wenigen Millisekunden verlieren – die Information wäre weg. Deshalb muss jede Speicherzelle regelmäßig (etwa alle 50 ms) aufgefrischt werden: Sie wird gelesen und neu geschrieben. Das nennt man Refresh – daher das „dynamisch“ im Namen.
Probiere es aus: Schalte den Refresh ab oder verlängere das Intervall – und beobachte, was mit den Daten passiert.
DRAM – Arbeitsspeicher
flüchtigJedes Bit ist ein winziger Kondensator mit einem Transistor als Schalter. Geladen = 1, ungeladen = 0. Tippe ein Bit an, um es neu zu schreiben.
178 · Gelesen 178 ✓Flash – SSD, USB-Stick
nicht flüchtigElektronen werden in einem isolierten Floating Gate eingesperrt. Sie bleiben dort jahrelang – auch ohne Strom.
Schreiben dauert länger und nutzt die Zellen ab (einige tausend Schreibzyklen je Zelle).
SRAM – der Cache
SRAM (Static RAM) speichert jedes Bit in einer Schaltung aus sechs Transistoren (einem Flipflop). Solange Strom fließt, bleibt der Zustand stabil – kein Refresh nötig. SRAM ist schneller als DRAM, braucht aber viel mehr Platz und ist teurer. Er wird deshalb für die Caches im Prozessor verwendet.
Flash – SSD und USB-Stick
Beim Flash-Speicher werden Elektronen durch eine hauchdünne Isolierschicht in ein Floating Gate gedrückt und dort eingesperrt. Sie bleiben jahrelang dort – auch ohne Strom. Flash ist deshalb nicht flüchtig. Nachteil: Jede Zelle verträgt nur eine begrenzte Zahl von Schreibvorgängen.
Magnetisch: die Festplatte
Eine Festplatte (HDD) enthält mehrere rotierende Scheiben mit einer magnetisierbaren Beschichtung. Ein Schreib-/Lesekopf schwebt wenige Nanometer über der Oberfläche. Beim Schreiben richtet sein Magnetfeld winzige Bereiche in die eine oder andere Richtung aus; beim Lesen erkennt er diese Richtungen bzw. ihre Wechsel.
Weil sich Kopf und Scheibe mechanisch bewegen müssen, dauert ein Zugriff lange:
- Suchzeit: Der Kopf muss zur richtigen Spur fahren.
- Rotationslatenz: Man muss warten, bis der richtige Sektor unter dem Kopf vorbeikommt.
7200 Umdrehungen pro Minute = eine Umdrehung in 8,3 ms. Hier läuft alles 150-fach verlangsamt.
Wie werden Bits gespeichert?
Die Scheibe ist mit einer magnetisierbaren Schicht überzogen. Der Schreibkopf richtet winzige Bereiche in eine von zwei Richtungen aus. Tippe einen Bereich an, um ihn umzumagnetisieren.
Beim Lesen erzeugt jeder Wechsel der Magnetisierung einen kleinen Spannungsimpuls im Lesekopf. Ohne Strom bleibt die Magnetisierung erhalten → nicht flüchtig.
Optisch: CD, DVD und Blu-ray
Auf einer optischen Disc liegt eine spiralförmige Datenspur aus Pits (Vertiefungen) und Lands (Flächen). Ein Laser tastet die Spur ab: Auf einem Land wird er stark reflektiert, bei einem Pit schwächer. Eine Fotodiode misst die Helligkeit. Ein Übergang zwischen Pit und Land bedeutet eine 1, gleichbleibende Fläche eine 0.
Auf einem Land wird der Laser stark reflektiert, im Pit schwächer. Nicht die Vertiefung selbst ist die 1, sondern jeder Übergang. Je kürzer die Wellenlänge, desto kleiner der Laserpunkt – und desto dichter lassen sich die Daten packen.
Vergleich
| DRAM | Flash (SSD) | Festplatte | Blu-ray | |
|---|---|---|---|---|
| Prinzip | elektronisch | elektronisch | magnetisch | optisch |
| flüchtig? | ja | nein | nein | nein |
| Zugriffszeit | ≈ 80 ns | ≈ 0,1 ms | ≈ 10 ms | ≈ 100 ms |
| bewegliche Teile | nein | nein | ja | ja |
| typische Nutzung | laufende Programme | Betriebssystem, Programme | große Datenmengen | Filme, Archiv |
Welches physikalische Prinzip steckt dahinter?
VertiefungWie lange halten Daten eigentlich?
Flüchtiger Speicher (DRAM) hält Daten nur Millisekunden ohne Refresh, SRAM nur solange Strom fließt. Flash-Speicher verliert seine Ladung langsam über Jahre – eine SSD, die jahrelang ungenutzt im Schrank liegt, kann Daten verlieren. Festplatten halten ihre Magnetisierung viele Jahre, sind aber mechanisch empfindlich. Optische Discs können bei guter Lagerung Jahrzehnte überdauern. Rechenzentren archivieren deshalb gern auf Magnetbändern: billig, dicht und langlebig.