Wie Computerspeicher funktionieren – Kanawat Senanan
Bleib neugierig — TED-Ed
https://www.youtube.com/watch?v=F6jo5yboOyA

Transkript (automatisch erstellt)

0:00 Übersetzung: Milena Koch Lektorat: Jo Pi In vielerlei Hinsicht macht unser Gedächtnis aus, wer wir sind.
0:10 Mit ihm erinnern wir uns an Geschehenes, lernen und behalten Fähigkeiten
0:13 und schmieden Zukunftspläne. Für Computer, die uns oft als Erweiterung unserer selbst dienen,
0:19 spielt das Gedächtnis eine ähnliche Rolle. Sei es ein zweistündiger Film,
0:23 eine Textdatei aus zwei Wörtern, oder Befehle zum Öffnen dieser Dateien --
0:27 alles in einem Computerspeicher hat die Form von Bits, also Grundeinheiten, oder auch Binärziffern.
0:35 Sie sind alle in einer Zelle gespeichert, die zwischen zwei Zuständen für zwei mögliche Werte wechseln kann,
0:42 nämlich 0 und 1. Dateien und Pogramme bestehen aus Millionen dieser Bits,
0:47 die alle in einem Prozessor verarbeitet werden, kurz CPU für Central Processing Unit.
0:51 Er ist wie das Gehirn eines Computers. Weil die Anzahl zu verarbeitender Bits exponentiell ansteigt,
0:58 stehen Computerdesigner ständig vor der Schwierigkeit, Größe, Kosten und Geschwindigkeit zu vereinen.
1:05 Computer haben ein Kurzzeitgedächtnis für sofort auszuführende Aufgaben, und ein Langzeitgedächnits für einen langfristigen Speicher.
1:13 Wenn ein Programm läuft, stellt das Betriebssystem Bereiche im Kurzzeitgedächtnis dafür ab,
1:18 diese Befehle auszuführen. Drückst du zum Beispiel eine Taste in einem Textverarbeitungsprogramm,
1:24 ruft der Prozessor einen Bereich ab, um Datenteile abzufragen. Er kann sie auch verändern oder neue erstellen.
1:33 Die hierzu benötigte Zeit nennt man Speicherlatenz. Weil Programmbefehle schnell und laufend verarbeitet werden müssen,
1:43 können alle Bereiche im Kurzzeitgedächtnis in beliebiger Reihenfolge abgerufen werden.
1:48 Daher der Name RAM (Random Access Memory) oder Direktzugriffsspeicher. Am geläufigsten ist der dynamische RAM, auch DRAM genannt.
1:55 Hier besteht jede Speicherzelle aus einem winzigen Transistor und einem Kondensator, die elektrische Ladungen speichern.
2:02 Eine 0 steht für keine Ladung, eine 1 für Ladung. Man sagt dynamischer Speicher,
2:09 weil Ladungen nur kurz gespeichert werden, bevor sie entweichen. Zum Speichern von Daten muss periodisch nachgeladen werden.
2:16 Doch selbst die kurze Latenz von 100 Nanosekunden ist für moderne Prozessoren zu lang.
2:22 Deshalb gibt es einen kleinen internen High-Speed-Zwischenspeicher aus statischem RAM.
2:28 Er besteht meist aus sechs verbundenen Transistoren, die nicht aufgefrischt werden müssen.
2:33 SRAM ist der schnellste Speicher für Computersysteme, aber auch der teuerste,
2:38 und er braucht bis zu drei Mal mehr Platz als DRAM. RAM und Zwischenspeicher können Daten aber nur bei Stromzufuhr behalten.
2:46 Damit Daten bei abgeschaltetem Gerät gespeichert bleiben, muss man sie auf ein Langzeitspeichermedium überspielen.
2:53 Davon gibt es drei Hauptarten: Der günstigste ist der Magnetspeicher.
2:57 Daten werden als Magnetmuster auf eine rotierende Scheibe mit Magnetfilm gespeichert.
3:03 Doch die Scheibe muss sich dorthin drehen, wo die Daten sind, damit sie gelesen wird.
3:08 Deshalb ist die Latenz solcher Speicher 100 000-mal langsamer als die vom DRAM. Auch optische Speichermedien wie DVD und Blu-ray
3:18 nutzen rotierende Scheiben, aber mit einer reflektierenden Schicht.
3:22 Bits werden mit einer von Lasern lesbaren Farbe als helle und dunke Stellen kodiert. Optische Speichermedien sind günstig und können entfernt werden,
3:31 haben aber noch längere Latenzen als Magnetspeicher und eine geringere Kapazität.
3:37 Die neuesten, schnellsten Langzeitspeicher sind Solid-State-Speicher, zum Beispiel Flash Sticks.
3:44 Sie haben keine beweglichen Teile, sondern Floating-Gate-Transistoren,
3:48 die auf ihren speziellen inneren Strukturen Bits speichern, indem elektrische Ladungen eingeschlossen oder entfernt werden.
3:56 Aber wie verlässlich sind diese Milliarden Bits? Wir stellen uns den Computerspeicher oft stabil und dauerhaft vor,
4:03 doch tatsächlich baut er recht schnell ab. Die Hitze des Geräts und aus der Umgebung
4:09 entmagnetisiert die Festplatte nach und nach, zersetzt die Farbe in optischen Speichern
4:13 und führt zu Ladungsverlusten in Floating Gates. Solid-State-Speicher haben einen weiteren Schwachpunkt.
4:20 Werden Floating-Gate-Transistoren öfters beschrieben, nutzen sie sich ab, wodurch sie unbrauchbar werden.
4:26 Da die Daten auf neuesten Speichermedien eine Lebenserwartung von weniger als 10 Jahren haben,
4:31 versuchen Wissenschaftler, physikalische Eigenschaften der Materialien bis auf die Quantenebene auszunutzen.
4:38 Sie hoffen, Speichermedien so schneller, kleiner
4:42 und langlebiger zu machen. Noch ist ewiges Leben außer Reichweite -- sowohl für Menschen als auch Computer.