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.