Was heute so läuft
Ein falscher Mausklick zur falschen Zeit, und es ist passiert: Nichts geht mehr. Der Computer hängt, und nur ein Neustart kann die unsägliche Maschine von ihrem Hänger befreien. Trotz einer immer höher gezüchteten Technik hinter dem Gehäuse von PCs und Mac-Rechnern sind diese nach wie vor nicht vor Abstürzen gefeit. Und wehe, wenn man im Ernstfall nicht rechtzeitig seine eben bearbeiteten Daten auf der Festplatte gesichert hat: Sie sind dann meist unwiederbringlich verloren. Ähnliches gilt beim Werkeln mit einem Notebook: Macht während des Arbeitens mit dem mobilen Computer plötzlich der Akku schlapp, bleiben ungesicherte Daten auf der Strecke. Schuld an der ärgerlichen Vergesslichkeit der Computer, die ihre Benutzer zum ständigen Drücken der Speichertaste nötigt, sind Art und Struktur der in den Rechnern steckenden Speicher.
Solange man mit dem Elektronengehirn arbeitet, liegen das Betriebssystem, das intern alle Rechenabläufe steuert und koordiniert, sowie die benutzten Programme und Dateien im so genannten Arbeitsspeicher. Beim Hochfahren, dem „Booten” der Maschine nach dem Einschalten, werden sie – oft quälend langsam – von der Festplatte dorthin kopiert. Beim Herunterfahren des Rechners schreibt die Elektronik die Daten wieder vom Arbeitsspeicher auf die Festplatte zurück.
Der Arbeitsspeicher ist bei allen modernen Computern aus Halbleiter-Elementen aufgebaut, so genannten RAM-Bausteinen. Sie sind zum Speichern von Software und Daten darauf angewiesen, dass sie ständig mit elektrischer Spannung versorgt werden. Dadurch werden die elektrischen Ladungen auf den Kondensatoren, die das Herz einer Speicherzelle darstellen, daran gehindert, abzufließen – wodurch die in den geladenen Kondensatoren gespeicherten digitalen Einsen und Nullen verlorengehen würden. Die so genannten DRAM-Speicher (dynamischer RAM), die in den meisten Rechnern als Hauptspeicher eingesetzt werden, benötigen zusätzlich einige tausend Mal pro Sekunde einen kurzen Stromstoß, um die Elektronenladung aufzufrischen.
RAM steht für den englischen Begriff „Random Access Memory”, was auf Deutsch so viel bedeutet wie „Speicher mit willkürlichem Zugriff” und deren Eigenschaft beschreibt, dass die Elektronik des Rechners auf jedes einzelne gespeicherte Bit direkt zugreifen kann, um es auszulesen oder zu ändern. Darin unterscheiden sich RAM-Speicher von einer Festplatte, dem Hauptlagerplatz für Programme und Dateien. Die Festplatte besteht aus einer dünnen Scheibe mit einer extrem glatten Oberfläche. Diese ist in zahllose winzige Bereiche aufgeteilt, die den einzelnen Speicherbits entsprechen und die durch einen Schreib-Lese-Kopf magnetisch verändert werden können: Eine nach oben gerichtete Magnetisierung entspricht beispielsweise einer digitalen Eins – ist die Magnetisierung nach unten gerichtet, markiert sie dagegen eine Null. Diese Art der Datenspeicherung ist äußerst hartnäckig: Das Abschalten des Rechners oder ein Stromausfall können den auf der Festplatte abgelegten Informationen nichts anhaben.
Anders als bei einem RAM-Speicher können die einzelnen Bits auf einer Festplatte jedoch nicht direkt angesteuert werden. Stattdessen muss der Kopf zum Lesen und Schreiben von Daten zunächst durch eine mechanische Einheit an die entsprechende Position der Scheibe gefahren werden. Das kostet Zeit und würde die schnellen Prozessoren, die in Computern der neuesten Generation mehrere Milliarden Rechenschritte pro Sekunde ausführen können, gnadenlos ausbremsen.
Der Traum der Computer-Technologen ist daher ein Speicher, der die Vorteile von Festplatte und RAM-Baustein in sich vereint: Er soll Informationen auch ohne Stromversorgung speichern können und gleichzeitig einen sehr schnellen Zugriff auf die Daten erlauben. Mit einem solchen Speicher wäre man nicht nur vor einem Datenverlust beim Absturz der Maschine gefeit – auch ein „ Instant-on”- und „Instant-off”-Betrieb des Rechners wäre möglich: Denn nicht flüchtige Speicher könnten auch die Festplatte ersetzen und das Kopieren von Daten zwischen ihr und dem Arbeitsspeicher überflüssig machen. Das Nerven zehrende Hoch- und Herunterfahren des Computers wäre damit Vergangenheit.
Derzeit decken den Markt für nicht flüchtige Datenspeicher fast ausschließlich so genannte Flash-Speicher ab. Sie bestehen wie RAM-Speicher aus Halbleiter-Transistoren und -Kondensatoren, die allerdings auf andere Art miteinander verschaltet sind. Die Folge: Flash-Speicher brauchen keine elektrische Spannung, um die Daten in ihrem Gedächtnis zu behalten. Solche Speicherbausteine sind vor allem in Handys, PDAs, Digitalkameras und Camcordern enthalten – Geräten, die einerseits zu klein sind, um eine Festplatte als Datenspeicher aufzunehmen. Da sie stets per Akku betrieben werden, droht ihnen andererseits jederzeit die Gefahr eines Ausfalls der Stromversorgung. Würde man bei diesen Geräten ausschließlich auf eine flüchtige Speichervariante à la Arbeitsspeicher im PC setzen, wären Adressen, Nachrichten, Fotos und Videoclips beim Versagen des Akkus verloren. Auch mobile, wechselbare Speicherkarten, wie Memory Sticks, Compact-Flash-Cards oder xd-Picture-Cards, bauen auf der Flash-Technologie auf. Deren Nachteil ist jedoch ihre Behäbigkeit: Flash-Speicher erlauben nur einen langsamen Zugriff auf die Daten, außerdem sind vergleichsweise wenige (rund eine Million) Schreib-Lese-Zyklen möglich, bevor der Speicher unbrauchbar wird. Für PCs und Notebooks, wo bei den meisten Anwendungen vor allem eine hohe Geschwindigkeit gefragt ist, taugen Flash-Speicher daher nicht.
An der Entwicklung anderer nicht flüchtiger Speicherchips, die diese Nachteile nicht besitzen, arbeiten Wissenschaftler zahlreicher Forschungsinstitute und praktisch aller großen Unternehmen der Mikroelektronik seit Jahren mit Hochdruck. Dabei haben sich inzwischen ein paar heiße Kandidaten herauskristallisiert, von denen teilweise bereits funktionstüchtige Prototypen existieren oder es gar erste Modelle zu kaufen gibt.
Als besonders aussichtsreich für nicht flüchtige Datenspeicher, die künftig auch in Computern im Büro und zu Hause Einzug halten könnten, gelten PCRAM (Phase Change RAM), MRAM (Magnetic RAM), FRAM (Ferroelectric RAM). Alle drei Technologien ähneln in der Art des Zugriffs und in der Einbindung in die elektrischen Schaltkreise eines Computers den bisher gebräuchlichen RAM-Speichern. In der Weise, wie sie die Daten intern sichern, unterscheiden sie sich allerdings deutlich von diesen. So nutzen PCRAM-Bausteine Materialien aus, die beim Erhitzen ihre innere Struktur verändern und so zwischen einem geordneten kristallinen und einem ungeordneten amorphen Zustand umgeschaltet werden können.
Das kleine US-amerikanische Unternehmen Ovonics, das eng mit dem Halbleiterriesen Intel zusammenarbeitet, hat vor kurzem demonstriert, dass sich mit PCRAM-Speicherchips mehrere Bits pro Zelle speichern lassen. Alle heute benutzten Speicherbausteine erlauben es nur, je ein Bit pro Zelle abzulegen. Damit verspricht die PCRAM-Technologie besonders hohe Speicherdichten – und damit sehr kompakte Speicherchips. Neben Ovonics und Intel, dessen Mitbegründer Gordon Moore bereits in den siebziger Jahren ähnliche Technologien erforschte, arbeiten unter anderem auch Philips und STMicroelectronics an der Realisierung von marktfähigen PCRAM-Speichern.
An der Entwicklung von FRAM-Speichern wirken unter anderem Forscher beim Münchner Halbleiterhersteller Infineon und dem japanischen Elektronikkonzern Toshiba mit. Führend bei dieser Technologie sind jedoch die Koreaner: Die Firma Samsung vermarktet bereits einen 4-Megabit-Speicher auf FRAM-Basis, Bauelemente mit 32 Megabit Speicherplatz wurden Anfang des Jahres als Prototyp demonstriert und sollen ebenfalls bald auf den Markt kommen.
Die magnetischen MRAM-Chips entsprechen am besten dem Wunschbild der Forscher von einem schnellen und zugleich ausdauernden nicht flüchtigen Datenspeicher. Sie vereinen in sich die Schnelligkeit und hohe Zahl von Schreib-Lese-Zyklen eines DRAM und das gute Gedächtnis von Flash-Speichern. Einen ersten funktionsfähigen MRAM-Speicher hat IBM im Jahr 2000 präsentiert. Im Frühjahr 2003 stellte das US-Unternehmen zusammen mit Infineon ein von einem gemeinsamen Forscherteam entwickeltes serienreifes Produkt vor: einen Speicherchip, der auf der MRAM-Technologie basiert und 256 Megabit an Daten fasst.
Was früher mit Daten geschah
Die ersten computer wurden in den vierziger Jahren in Betrieb genommen – zum Beispiel ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator), der einen ganzen Raum füllte, rund 30 Tonnen wog und mit Hilfe von 18000 Strom fressenden Elektronenröhren arbeitete. Weitaus kompakter und effektiver waren da schon die Magnetkernspeicher, die erstmals Anfang der fünfziger Jahre in Rechenmaschinen zum Einsatz kamen. Sie speicherten die Datenbits in kleinen Eisenringen, die auf ein Geflecht aus elektrischen Leitungen aufgezogen waren. Um die Speicherringe zu beschreiben, schickte man einen schwachen Stromstoß durch zwei der Leitungen. Am Kreuzungspunkt der beiden Drähte addierten sich die Ströme und reichten damit aus, um den dort angebrachten Eisenring zu magnetisieren oder seine Magnetisierung zu löschen. Zum Auslesen wurde dasselbe Prinzip angewendet – auf einer separaten Leseleitung wurde dadurch ein Strom induziert. Der Speicher wurde beim Lesen der Daten gelöscht und musste anschließend erneut mit der Information beschrieben werden.
Bis in die siebziger Jahre blieben Magnetkernspeicher die in Rechnern am häufigsten verwendeten Speicherbausteine. Ihr Vorteil: Sie waren nicht flüchtig, behielten die Daten also auch nach einem Abschalten des Stroms. Ihr Nachteil waren die hohen Kosten: Da die Kernspeicher von Hand verdrahtet wurden, waren sie sehr teuer. Die ersten Speicher besaßen Ringe mit einem Durchmesser von etwa vier Millimetern, bei den letzten in den siebziger Jahren verwendeten Magnetkernspeichern war der Ringdurchmesser auf etwa einen halben Millimeter geschrumpft. Die Speichermodule von rund sechs mal sechs Zentimeter Größe waren mit bis zu 4096 einzelnen Eisenringen bestückt – mit denen sich 8192 Bits sichern ließen.
Ab 1970 bekamen die magnetischen Speichersysteme Zuwachs durch die so genannten Magnetblasenspeicher. Bei ihnen wurden winzige, gegeneinander bewegliche magnetische Bereiche in einem ferromagnetischen Material zum Speichern der Information genutzt. Auch die Blasenspeicher merkten sich die gesicherten Daten beim Abschalten der Spannungsversorgung. Ende der siebziger Jahre ließen sich mit einem rund 20 Quadratmillimeter großen Modul bis zu 512 Kilobit speichern. Halbleiterspeicher, die zu dieser Zeit bereits erhältlich waren, brachten es dagegen lediglich auf eine Speicherkapazität von 16 Kilobit. Die Kosten der Magnetblasenspeicher waren mit denen der Halbleiterspeicher vergleichbar oder sogar niedriger. Der Nachteil dieser Speichertechnik war allerdings die langsame Datenübertragung, die den immer schnelleren Computer-Prozessoren bald nicht mehr gewachsen war. Gleichzeitig wurden Speicher auf Halbleiterbasis immer schneller und preisgünstiger – und machten der Blasentechnik rasch den Garaus.
RAMs aus Halbleiterelementen gibt es seit Ende der sechziger Jahre. DRAMs, wie sie in heutigen Rechnern gebräuchlich sind, kamen 1970 auf den Markt. Sie bestehen aus Zellen mit je einem Kondensator – der elektrisch geladen ist und als eigentlicher Speicher fungiert – und einem Transistor, der den Kondensator von den Datenleitungen abschirmt. Soll der Kondensator beschrieben oder gelesen werden, wird der Transistor auf Durchlass geschaltet. Mit dieser einfachen Konstruktion lassen sich auf winzigem Raum riesige Datenmengen unterbringen.
Wie man künftig speichern wird
Die Vergesslichkeit der heute benutzten Halbleiter-Speicher und das Zeit raubende Hin- und Herschieben von Dateien zwischen Festplatte und Arbeitsspeicher beim Aus- und Einschalten des Rechners ist nicht allein der Grund für die emsige Suche nach Alternativen. Auch viele der Visionen, mit denen Wissenschaftler seit einigen Jahren die Zukunft der Informations- und Kommunikationsgesellschaft ausmalen, werden sich nur durch den Einsatz dicht gepackter und schnell arbeitender nicht flüchtiger Datenspeicher verwirklichen lassen. Zum Beispiel die Idee der Ambient Intelligence: Man werde künftig überall von Gegenständen umgeben sein, die über eine Art von Intelligenz verfügen. Sie sollen nämlich – ausgestattet mit Mikroprozessoren und Speicherbausteinen – ständig eine Fülle von Daten sammeln und diese bei Bedarf überall und blitzschnell zur Verfügung stellen können. Solche Objekte könnten etwa Autos, Möbel, Teppichböden oder Kleidungsstücke sein. Beispielsweise sollen künftig in spezielle Textilien eingearbeitete Sensoren die Körperfunktionen chronisch kranker oder gesundheitlich gefährdeter Menschen überwachen und im Notfall automatisch Hilfe anfordern. Speicher, die eine permanente Stromversorgung benötigen, um ihre Daten nicht zu verlieren, wären für solche Anwendungen untauglich.
Auch die rasant fortschreitende Miniaturisierung und die immer kompaktere Packung elektronischer Bauelemente auf den Mikrochips in Computern zwingt die IT-Unternehmen zur Entwicklung nicht flüchtiger Speicher. So drängeln sich auf den Speicherchips der neuesten Generation mehr als 300 Millionen Transistoren auf der Fläche eines Daumennagels. Laut dem vom Intel-Mitbegründer Gordon Moore aufgestellten Moore’schen Gesetz, das seit fast 40 Jahren präzise wie ein Uhrwerk immer wieder seine Gültigkeit unter Beweis gestellt hat, wird sich auch in den nächsten Jahren die Zahl der elektronischen Bauteile pro Mikrochip etwa alle zwei Jahre verdoppeln. Die dicht an dicht sitzenden Bauelemente stellen jedoch enorme Anforderungen an die Kühlung eines Mikrochips. Die zum Auffrischen der Informationen in einem DRAM erforderlichen Stromstöße verschärfen durch die dabei entstehende Abwärme noch das Problem der Hitzeabfuhr vom Chip.
Deshalb ist der Druck auf die Unternehmen groß, möglichst rasch nicht flüchtige Speicher auf den Markt zu bringen, die in Preis und Leistungsfähigkeit mit den heutigen Speicherchips konkurrieren können. Kleine FRAM-Bausteine gibt es bereits zu kaufen, MRAM-Speicherchips sollen 2004 in Massenfertigung gehen. Auch PCRAM-Elemente dürften schon bald auf den Markt kommen, wenn auch derzeit den Forschern noch vor allem Materialprobleme einiges Kopfzerbrechen bereiten.
Dr. Hanns-Ulrich Habermeier, ein Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart, zeigt sich in einem Beitrag der VDI-Nachrichten überzeugt davon, dass die neuen nicht flüchtigen Speicher in den nächsten Jahren „ihren großen Marsch” beginnen werden. Nach seiner Prognose werden sich zunächst MRAM- und FRAM-Speicher durchsetzen, die schon in einigen Jahren die Festplatten in Rechnern überflüssig machen könnten. Dadurch würden die Rechner schneller, kleiner und billiger – und bräuchten vor allem weniger Strom als die heutigen Maschinen. In tragbaren Geräten wie beispielsweise Handys, Digicams und PDAs werden die neuen Speicher die bislang verwendeten langsamen Flash-Speicher verdrängen.
Allerdings sind die Herstellerfirmen bei der Fertigung der neuen Speichertypen einem enormen Preisdruck ausgesetzt, wenn sie mit Festplatten und herkömmlichen RAM-Speichern konkurrieren wollen. Festplattenspeicher erreichen derzeit die höchste Speicherdichte bei den niedrigsten Kosten pro gespeicherter Datenmenge. Und die Kosten pro Megabyte Speicherkapazität fallen bei allen konventionellen Speichertypen seit Jahrzehnten rasant. So beträgt der Preisverfall bei Halbleiterspeichern – vor allem wegen des durch die Miniaturisierung der Bauelemente immer kleineren Flächenbedarfs pro Bit – zurzeit etwa 35 Prozent pro Jahr. Bezogen auf die Speicherkapazität sind mittlerweile sowohl Festplatten als auch RAM-Speicher billiger als Papier. Und nach einer Prognose der International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) werden die Kosten weiter sinken: bis 2016 von heute 5,4 Mikrocent auf 0,042 Mikrocent je gespeichertem Bit.
Während die MRAM-, FRAM- und PCRAM-Speicher bereits in den Startlöchern stehen, werden andere Technologien noch länger auf ihren Marktstart warten müssen. In ein paar Jahrzehnten aber könnte erneut eine Revolution bei den Computerspeichern anstehen. Dann könnten organische Speicher, die aus Polymeren aufgebaut sind, die Speicherdichten gewaltig nach oben treiben. Bei ihnen lassen sich mehrere Lagen von dünnen Polymerfilmen übereinander stapeln – was eine extrem hohe Dichte an Datenbits ermöglicht. Ein weiterer Vorteil organischer Speicher: Die Plastikchips ließen sich mit simplen und preisgünstigen Drucktechniken herstellen. Viele Forschungsprojekte zu dieser Art von Speichern laufen bereits seit Jahren, etwa bei dem norwegisch-schwedischen Unternehmen Thin Film Electronics, an dem auch Intel beteiligt ist. Bislang aber ist es den Forschern lediglich gelungen, Labormuster zu fertigen.
Ebenfalls noch Zukunftsmusik ist die Idee, Daten mit Hilfe einzelner Moleküle oder mit Hilfe der so genannten Spintronik zu speichern – einer neuen Form der Elektronik, die Forscher erst seit wenigen Jahren entwickeln. Während die herkömmliche Elektronik nur die Ladung der Elektronen nutzt, um elektrische Ströme zu erzeugen und zu steuern, macht sich die Spintronik auch den Spin – eine Quanteneigenschaft, die einem mechanischen Drehimpuls um die eigene Achse des Elektrons entspricht – zu Eigen. Forscher am Physikalischen Institut der Universität Würzburg beispielsweise arbeiten derzeit daran, diese Eigenschaft der Elektronen nutzbar zu machen – für künftige ultraschnelle Prozessoren und für extrem dichte, schnelle und Strom sparende Datenspeicher.
Anwendung
Der Prozessor eines Computers ist für seine Berechnungen ständig auf Daten angewiesen, die er von einem Speicher holen und nach der Berechnung wieder dorthin zurückschreiben muss. Würde der Rechner die Daten allesamt von der Festplatte besorgen, würde er quälend langsam arbeiten. Denn der Zugriff auf die Daten dort braucht viel Zeit. Daher werden nach Einschalten des Computers zunächst alle für den Betrieb wichtigen Daten in den Arbeits- oder Hauptspeicher geladen. Er besteht aus RAMs – Halbleiter-Bauelementen, die ein weitaus schnelleres Lesen und Schreiben ermöglichen. Neben dem Betriebssystem landen auch alle Programme, mit denen man am Rechner arbeitet, sowie damit erstellte oder geöffnete Dateien im Arbeitsspeicher. Der Datenstrom zwischen ihm und dem Prozessor ist gewaltig: Bis zu mehrere Millionen Mal pro Sekunde werden Informationen auf dieser Verbindung ausgetauscht.
Für schnelle und leistungsfähige Rechner reicht auch die Geschwindigkeit der RAM-Bausteine im Arbeitsspeicher nicht aus. Daher nutzen sie einen weiteren Speicher für den Zugriff zu denjenigen Daten, die besonders häufig und rasch benötigt werden: den so genannten Cache, seinerseits in zwei Teile separiert. Ein Teil des Cache-Speichers – meistens in einer Größe zwischen 256 Kilobyte und 2 Megabyte – ist auf einem eigenen Chip untergebracht, der sich unmittelbar neben der Prozessoreinheit befindet. Ein zweiter, mit einer Speicherkapazität von 2 bis 62 Kilobyte deutlich kleinerer Teil des Cache ist sogar direkt auf dem Prozessorchip integriert. Auch der Cache ist aus RAM-Elementen aufgebaut. Der schnelle Speicher nutzt allerdings so genannte SRAM-Bauteile, die – anders als die im Arbeitsspeicher eingesetzten billigeren DRAM-Elemente – zwar ständig eine elektrische Spannung für die Sicherung der Daten benötigen, bei denen aber die aufbewahrten Informationen nicht durch regelmäßige kurze Stromstöße immer wieder aufgefrischt werden müssen.
Am obersten Ende der Speicherhierarchie befindet sich das Register – ein Teil des Prozessors, der zum Beispiel die logischen Codes enthält, nach denen der seine Rechenoperationen ausführt. Am unteren Ende der Hierarchie steht bei vielen PCs ein „virtueller Speicher”: Er ist ein Teil der Festplatte, der für den Austausch von selten gebrauchten Daten mit dem Prozessor reserviert ist.
Ralf Butscher
