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Wie Computerspeicher funktionieren – Kanawat Senanan
Das Wichtigste aus dem Video
Tipp auf eine Zeit – das Video springt genau dorthin.
Transkriptautomatisch erstellt · 46 Zeilen
- Übersetzung: Milena Koch Lektorat: Jo Pi 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.