Wie Computerspeicher funktionieren – Kanawat Senanan

Die ganze Lektion unter: http://ed.ted.com/lessons/how-computer-memory-works-kanawat-senanan

In vielerlei Hinsicht macht unser Gedächtnis aus, wer wir sind. Dank ihm erinnern wir uns an unsere Vergangenheit, lernen und behalten Fähigkeiten und schmieden Zukunftspläne. Und für Computer, die uns oft als Erweiterung unserer selbst dienen, spielt das Gedächtnis eine ähnliche Rolle. Kanawat Senanan erklärt, wie Computerspeicher funktioneieren.

Lektion von Kanawat Senanan. Animation von TED-Ed.

In vielerlei Hinsicht macht
unser Gedächtnis aus, wer wir sind.

Mit ihm erinnern wir uns an Geschehenes,

lernen und behalten Fähigkeiten

und schmieden Zukunftspläne.

Für Computer, die uns oft
als Erweiterung unserer selbst dienen,

spielt das Gedächtnis eine ähnliche Rolle.

Sei es ein zweistündiger Film,

eine Textdatei aus zwei Wörtern,

oder Befehle zum Öffnen dieser Dateien --

alles in einem Computerspeicher hat
die Form von Bits, also Grundeinheiten,

oder auch Binärziffern.

Sie sind alle in einer Zelle gespeichert,

die zwischen zwei Zuständen
für zwei mögliche Werte wechseln kann,

nämlich 0 und 1.

Dateien und Pogramme bestehen
aus Millionen dieser Bits,

die alle in einem Prozessor
verarbeitet werden,

kurz CPU für Central Processing Unit.

Er ist wie das Gehirn eines Computers.

Weil die Anzahl zu verarbeitender Bits
exponentiell ansteigt,

stehen Computerdesigner ständig
vor der Schwierigkeit,

Größe, Kosten und
Geschwindigkeit zu vereinen.

Computer haben ein Kurzzeitgedächtnis
für sofort auszuführende Aufgaben,

und ein Langzeitgedächnits
für einen langfristigen Speicher.

Wenn ein Programm läuft,

stellt das Betriebssystem Bereiche
im Kurzzeitgedächtnis dafür ab,

diese Befehle auszuführen.

Drückst du zum Beispiel eine Taste
in einem Textverarbeitungsprogramm,

ruft der Prozessor einen Bereich ab,
um Datenteile abzufragen.

Er kann sie auch verändern
oder neue erstellen.

Die hierzu benötigte Zeit
nennt man Speicherlatenz.

Weil Programmbefehle schnell
und laufend verarbeitet werden müssen,

können alle Bereiche im Kurzzeitgedächtnis

in beliebiger Reihenfolge
abgerufen werden.

Daher der Name RAM (Random Access Memory)
oder Direktzugriffsspeicher.

Am geläufigsten ist der dynamische RAM,
auch DRAM genannt.

Hier besteht jede Speicherzelle aus einem
winzigen Transistor und einem Kondensator,

die elektrische Ladungen speichern.

Eine 0 steht für keine Ladung,
eine 1 für Ladung.

Man sagt dynamischer Speicher,

weil Ladungen nur kurz gespeichert werden,
bevor sie entweichen.

Zum Speichern von Daten muss
periodisch nachgeladen werden.

Doch selbst die kurze Latenz
von 100 Nanosekunden

ist für moderne Prozessoren zu lang.

Deshalb gibt es einen kleinen internen
High-Speed-Zwischenspeicher

aus statischem RAM.

Er besteht meist aus sechs
verbundenen Transistoren,

die nicht aufgefrischt werden müssen.

SRAM ist der schnellste Speicher
für Computersysteme,

aber auch der teuerste,

und er braucht bis zu drei Mal
mehr Platz als DRAM.

RAM und Zwischenspeicher können Daten
aber nur bei Stromzufuhr behalten.

Damit Daten bei abgeschaltetem Gerät
gespeichert bleiben,

muss man sie auf ein
Langzeitspeichermedium überspielen.

Davon gibt es drei Hauptarten:

Der günstigste ist der Magnetspeicher.

Daten werden als Magnetmuster

auf eine rotierende Scheibe
mit Magnetfilm gespeichert.

Doch die Scheibe muss sich dorthin
drehen, wo die Daten sind,

damit sie gelesen wird.

Deshalb ist die Latenz solcher Speicher
100 000-mal langsamer als die vom DRAM.

Auch optische Speichermedien
wie DVD und Blu-ray

nutzen rotierende Scheiben,

aber mit einer reflektierenden Schicht.

Bits werden mit einer von Lasern lesbaren
Farbe als helle und dunke Stellen kodiert.

Optische Speichermedien sind
günstig und können entfernt werden,

haben aber noch längere Latenzen
als Magnetspeicher

und eine geringere Kapazität.

Die neuesten, schnellsten Langzeitspeicher
sind Solid-State-Speicher,

zum Beispiel Flash Sticks.

Sie haben keine beweglichen Teile,

sondern Floating-Gate-Transistoren,

die auf ihren speziellen
inneren Strukturen Bits speichern,

indem elektrische Ladungen
eingeschlossen oder entfernt werden.

Aber wie verlässlich sind
diese Milliarden Bits?

Wir stellen uns den Computerspeicher
oft stabil und dauerhaft vor,

doch tatsächlich baut er recht schnell ab.

Die Hitze des Geräts und aus der Umgebung

entmagnetisiert
die Festplatte nach und nach,

zersetzt die Farbe in optischen Speichern

und führt zu Ladungsverlusten
in Floating Gates.

Solid-State-Speicher haben einen
weiteren Schwachpunkt.

Werden Floating-Gate-Transistoren öfters
beschrieben, nutzen sie sich ab,

wodurch sie unbrauchbar werden.

Da die Daten auf neuesten Speichermedien

eine Lebenserwartung von
weniger als 10 Jahren haben,

versuchen Wissenschaftler, physikalische
Eigenschaften der Materialien

bis auf die Quantenebene auszunutzen.

Sie hoffen, Speichermedien so schneller,

kleiner

und langlebiger zu machen.

Noch ist ewiges Leben außer Reichweite --
sowohl für Menschen als auch Computer.