Datenspeicher

Begriff und grundlegende Einteilung

Ein Datenspeicher (englisch data storage) dient in der Datenverarbeitung zur Speicherung von Daten. Im engeren Sinn ist er ein Element der Zentraleinheit eines Computers. Er besteht aus vielen Speicherzellen und umfasst Arbeitsspeicher, Schnellspeicher und Register.

Im weiteren Sinn sind Datenträger oder Speichermedien transportable Medien. Sie können Unterhaltung wie Musik, Sprache und Film enthalten und mit Wiedergabegeräten abgespielt oder gespeichert werden; solche Medien werden auch Bildträger, Tonträger oder Wechseldatenträger genannt. Sie können außerdem digitale Daten jeder Art enthalten, die Computer, Computeranlagen oder Peripheriegeräte lesen oder auch schreiben.

Datenspeicher für elektronische Geräte sind entweder elektronische Bauteile, also Halbleiterspeicher, oder Medien, die nur mit elektronischen Geräten gelesen oder beschrieben werden können, aber keine Halbleiterspeicher sind. Zu sonstigen Datenspeichern gehören Schrift- und Printmedien wie Bücher, Zeitungen, Papier, Glas, Tierhaut und Pergament, Bildträger wie Leinwand, Teppich, Mikrofilm und Fotofilm sowie Tonträger wie Schallplatten, Stiftwalzen und Magnetbänder.

Daten können als Schrift gespeichert sein, etwa Sprache und Daten in kodierter Form. Musik kann durch Notenschrift festgehalten werden; Blindenschrift ist vor allem für die haptische Wahrnehmung bestimmt. Analoge Bilder speichern ein Abbild der realen oder fiktiven Welt, zum Beispiel Fotografien, Gemälde oder Zeichnungen. Maschinell lesbare Kodierungen können analog oder digital sein und benötigen ein Gerät zur Umwandlung: mechanisch etwa eine Schallplatte mit Grammophon, elektrisch eine Musikkassette und elektronisch CD, DVD oder USB-Stick.

Nichttechnische Speicherung

Bei nichttechnischer Speicherung hält der Mensch Informationen von Hand auf einem Trägermaterial fest. Sie ist ohne technische Vermittlung unmittelbar wieder lesbar. Abgesehen von einfachen Hilfsmitteln zum Führen mit der Hand, beispielsweise Messer oder Pinsel, erfolgt weder das Speichern noch das Lesen mit Technik. Grundsätzlich können alle festen Materialien Träger von Zeichen, Schriften und Bildern sein.

Verwendet wurden oder werden unter anderem Papier als Blatt oder Buch, Folien, Kerbhölzer, Rollen aus Papyrus und Pergament sowie Tafeln aus Ton, Holz, Wachs, Stein oder Schiefer. Auch Stoffe und Webwaren können Informationen tragen, beispielsweise Bilder oder die Knotenschrift des Quipu. Als historische Beispiele nennt der Artikel den Teppich von Bayeux, Höhlenmalerei, Quipu, Abydos-Hieroglyphen und Schriftrollen vom Toten Meer.

Technische Speicherung und Halbleiterspeicher

Technische Speicherung umfasst Speicher und Medien, die nicht direkt mit den Sinnen gelesen oder eigenhändig erzeugt werden können. Zum Speichern oder Verständlichmachen ist ein technisches Hilfsmittel nötig.

Fotografische Speicherung sind chemo-optische Speicher: Ein chemischer Prozess speichert Daten als Lichtbilder, also als statische oder bewegte Bilder sowie Lichtton. Dazu gehören Filme, fotografische Papiere, Mikrofilme, Fotoleinen und Fotoemulsion. Die Speicherung auf Mikrofilm wird im Artikel als zurzeit immer noch sicherste Archivierungsmethode bezeichnet; zum Lesen genügt ein Vergrößerungsgerät, sodass Probleme mit der Dauerhaftigkeit von Formaten und Lesegeräten entfallen.

Bei mechanischer Speicherung werden Daten großtechnisch als physische Vertiefungen oder Erhöhungen auf dem Medium angebracht. Die hergestellten Medien sind nur lesbar. Eine CD-ROM entsteht beispielsweise durch Pressen; Vertiefungen, Pits genannt, tragen die Information. Mechanisch gelesen werden analoge Medien wie Phonographenwalze, LP, Schellackplatte und Tonsteuerungsträger sowie digitale Lochkarten und Lochstreifen. Gepresste Medien können auch optisch mit Laser gelesen werden, darunter Laserdisc, Compact Disc, DVD, Blu-ray Disc und HD DVD.

Elektronische Speicherung beruht auf elektronischen Halbleiterbauelementen. Heute werden mehrere Tausend oder Millionen Speichereinheiten in einem Speicherbaustein zusammengefasst. Dieser enthält meist auch Steuer- und Verwaltungselektronik und bildet einen integrierten Schaltkreis (IC) oder ist als Register oder Cache Teil eines Schaltkreises. Erweiterte eingebaute Speicherfunktionen heißen embedded memory.

Flüchtige Speicher verlieren ihre Information ohne Auffrischung oder beim Abschalten des Stroms; dazu zählen DRAM (dynamic random access memory) und SRAM (static random access memory). Nicht-flüchtige Speicher behalten Informationen mindestens Monate ohne Betriebsspannung. Permanente Speicher sind nach dem Speichern oder Festverdrahten nicht veränderbar, etwa ROM und PROM. Semi-permanente Speicher behalten Daten dauerhaft, können aber verändert werden: EPROM, EEPROM, Flash-EEPROM, FRAM, MRAM und Phase-change RAM. Flash-EEPROM wird beispielsweise in USB-Speichersticks verwendet.

Für Nutzer erscheinen diese Speicher meist als kombinierte Produkte. Mehrere DRAM-Bausteine werden zu Arbeitsspeicher-Modulen verbunden. Flash-Speicher für mobile Multimedia-Anwendungen stecken häufig in Speicherkarten oder USB-Speichersticks mit Controllern; auch Solid-State-Drives verwenden Flash-Speicher, jedoch in anderer Gerätebauform und mit anderen Schnittstellen.

Magnetische, optische und magneto-optische Speicherung

Magnetische Speicherung nutzt magnetisierbares Material auf Bändern, Karten, Papier oder Platten. Außer beim Kernspeicher lesen und beschreiben Lese-Schreib-Köpfe die Medien. Rotierende Platten oder Plattenstapel werden mit einem beweglichen Kopf bearbeitet; nicht rotierende Medien werden gewöhnlich an einem feststehenden Kopf vorbeigeführt. Daten können analog, digital oder in beiden Formen gespeichert sein.

Zu magnetischen digitalen Medien zählen Kernspeicher, Magnetband wie DLT, DAT, digitales Ton- oder Videoband, Magnetkarte, Magnetstreifen, Magnetblasenspeicher, Trommelspeicher, Platter in Festplattenlaufwerken, Disketten und Wechselplatten wie die Zip-Diskette. Analoge Beispiele sind Tonband in Musikkassetten und Videoband. Weil beim Schreiben nur Magnetfelder umgelegt werden, ist die Zahl der Schreibzyklen im Unterschied zu Flash-Datenträgern unbegrenzt. Die Lebensdauer magnetischer Datenträger wie Festplatten wird durch den Verschleiß mechanischer Bauteile begrenzt, nicht durch die Datenhaltbarkeit.

Optische Speicherung liest und schreibt mit einem Laserstrahl. Sie nutzt Reflexions- und Beugungseigenschaften: nichtgepresste CDs nutzen Reflexion, holografische Speicher Lichtbeugung. Heute ist diese Speicherform ausschließlich digital. Beispiele sind holografische Speicher im Format HVD, optisches Band, Tesa-Film sowie nichtgepresste Varianten von Laserdisc, PD, CD, DVD und deren Nachfolgern BD, HD DVD und UDO. Bei CD-ROM ist die langfristige Haltbarkeit in Frage gestellt: Victor Cárdenes entdeckte 2001, dass spezieller Pilzbefall unter tropischen Bedingungen ganze CDs unbrauchbar machen kann. In gemäßigten Breitengraden wurde dies bisher nicht beobachtet; laut Artikel ist eine Übertragbarkeit auf ähnliche Medien wie DVD in Tropengebieten anzunehmen. Lichtton alter Kinofilme war eine analoge optische Speicherung.

Bei magneto-optischer Speicherung wird das Medium über seinen Curie-Punkt erhitzt, meist mit einem Laser. Dann richtet ein Magnetfeld die „Elementarmagnetchen“ aus; beim Abkühlen wird ihr Zustand fixiert und ist kaum noch ummagnetisierbar. Das Lesen erfolgt optisch mit einem Laser über den polaren MOK-Effekt: Magnetisch wird geschrieben, optisch gelesen. Beispiele sind MiniDisc und MO-Disk.

Weitere Formen und Abgrenzung

Zu den sonstigen Speicherformen gehören Laufzeitspeicher, Speicherröhren, Relaisspeicher, biologische Speicher mit künstlicher DNA von Deinococcus-radiodurans-Bakterien, Molekularspeicher und atomare Speicher. Laufzeitspeicher beruhen auf einer Endlosschleife und sind daher nicht Speicher im eigentlichen Sinn: Elektrische Signale mit analogen oder digitalen Daten werden beispielsweise durch Umwandlung in akustische Signale stark verlangsamt, zurückgewandelt und wieder in die Leitung eingespeist. Speicherröhren wie Williamsröhre und Selectron arbeiten ähnlich; eine Lumineszenzschicht leuchtet genügend lange nach. Relaisspeicher spielten in der Computergeschichte kaum eine Rolle, waren aber Grundlage des ersten funktionsfähigen Digitalrechners Zuse Z3 und einiger Nachfolgemodelle.

Speicher lassen sich außerdem nach Speicherkapazität, Datenübertragungsrate, Zugriffszeit, Zugriffsart, Beschreibbarkeit, Lebensdauer, analoger oder digitaler Speicherform, Mediumverwendung, benötigten Lesegeräten und Schreibgeräten, deren Lebensdauer, Datenformaten und Zeichenkodierung einteilen. Bei der Zugriffsart wird zwischen wahlfreiem und sequentiellem Zugriff unterschieden; bei der Beschreibbarkeit zwischen Schreib-Lese-Speicher und Nur-Lese-Speicher.

Datenspeicher und Datenträger werden manchmal gleichgesetzt, sind jedoch zu unterscheiden. Der Datenspeicher im engeren Sinn ist Teil der Computerzentraleinheit mit Speicherzellen, Arbeitsspeicher, Schnellspeicher und Registern. Transportable Datenträger heißen zur Unterscheidung von in Computern eingebauten Festplatten auch Wechseldatenträger.