Einleitung Magnetband Scheibenwelten Die Exoten Quo vadis, Speichertechnologie?| Einleitung |
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Der erste, der den Magnetismus zur Datenspeicherung nutzte, war der dänische Ingenieur Valdemar Poulsen. Im Jahre 1900 erfand er eine Maschine, das Telegraphon, mit der er Sprache magnetisch auf einen Stahldraht aufnahm.
In den folgenden Jahren wurde Poulsens Erfindung konsequent von Forschern in Deutschland, Großbritannien und den USA weiterentwickelt, die immer neue Medien suchten, um eine magnetische Aufnahme zu ermöglichen. Somit folgten bahnbrechende Erfindungen wie das Magnetband und Magnet-Disks, die nicht nur Töne und Bilder speichern und wiedergeben konnten, sondern auch in der Lage waren (und sind), computerlesbare Daten aufzubewahren.
Die Ausnutzung des Magnetismus zur digitalen Datenspeicherung scheint eigentlich ein logischer Schritt zu sein. Beim Magnetisieren einer magnetisch empfindlichen Fläche richten sich die Teilchen gleichförmig in eine Richtung aus. Man kennt das vom Gebrauch eines Kompass, der mit seiner magnetisierten Nadel hartnäckig in immer dieselbe Richtung, nämlich nach Norden zeigt. Entmagnetisiert man die Fläche, so verlieren die Teilchen ihre Ausrichtung und positionieren sich chaotisch ungeordnet. Man erhält somit zwei unterschiedliche Zustände: Geordnet bedeutet 1, ungeordnet steht für 0, und schon verfügt man über ein digitales Vokabular, womit ein Computer arbeiten kann.
Über die Jahre haben sich unterschiedliche Formen der magnetischen Speicherung herausgebildet.
Ursprünglich war Magnetband zur Aufnahme von Tönen erfunden worden. Während des Zweiten Weltkriegs entwickelten deutsche Ingenieure eine Tonbandmaschine, die sie Magnetophon nannten. Amerikanische und britische Wissenschaftler übernahmen die Grundlagen dieser Maschine, um ihrerseits ein Tonbandaufnahmegerät zu entwickeln, welches schon in den späten 1940ern in der Lage war, qualitativ hochwertige Audioaufnahmen zu liefern. Während der 1950er wurde Magnetband neben den Schallplatten ein fester Bestandteil für Radiostationen in aller Welt. Ende der 1960er zogen vorbespielte Magnetbänder in Form von Cartridges und Kassetten auch in die Musikanlagen der Haushalte und der Automobile ein.
1956 entwickelten Charles P. Ginsburg und Ray Dolby aus der amerikanischen Ampex Corporation den ersten funktionierenden Videorecorder. Ihre Maschine revolutionierte das Fernsehen und ersetzte schlagartig fast alle Live-Übertragungen.
Als Datenspeicher wurde Magnetband 1951 eingeführt. Es wurde als Zusatzspeicher für den Univac I, dem ersten für kommerzielle Zwecke produzierten Digitalcomputer, angeboten. Über etwa die zehn nächsten Jahre wurden fast alle Computer mit Magnetbandspeichern ausgerüstet. Doch schon ab den 1960ern musste das Magnetband zugunsten der schnelleren Magnetplatten oder Trommelspeichern weichen, die den schnellen Anforderungen in Wissenschaft und Geschäftswelt besser Rechnung tragen konnten. Erst in den 1980ern, als die Heimcomputer ihren Siegeszug durch die Wohn- und vor allem Kinderzimmer antraten, kam das Magnetband noch einmal zu Ruhm und Ehre. Aufgrund seines niedrigen Preises und der verhältnismäßig hohen Speicherkapazität - man konnte immerhin 48.000 Bit Information auf nur einem Zoll Magnetband speichern - war es ein beliebtes Speichermedium und wurde vor allem in Form von Kassetten vertrieben.
Heute spielt das Magnetband als Speichermedium nur noch eine untergeordnete Rolle. Dadurch, dass die Daten sequenziell auf das Band geschrieben werden müssen, ist ein schnelles Auslesen und Bereitstellen nicht möglich. Daher ist Magnetband nur noch im Bereich der Archivierung von Bedeutung. Doch auch diese Nische wird ihm durch die schnelleren und leichter bedienbaren CD-Rs und CD-RWs streitig gemacht.
Die Welt ist eine Scheibe. Zumindest die Welt der digitalen Datenspeicherung. Über die andere lasse ich noch einmal mit mir reden. Scheibenförmige Platten oder Disks sind heute das meistgenutzte Speichermedium in der Datenverarbeitung.
Eine Disk besteht aus einer kreisrunden Platte, die mit einem magnetischen Material (Eisenoxid) überzogen ist. Man kann dabei zwei Typen unterscheiden: Hard Disks, welche aus Aluminium oder Glas bestehen und starr sind; sowie flexible Floppy Disks aus Plastik. In beiden Fällen werden die Daten in konzentrischen Tracks auf der Oberfläche gespeichert. Dabei schreibt ein winziger Magnet, der Kopf, den binären Code 1 oder 0, indem er die Teilchen auf einem winzigen Fleck der Platte in verschiedene Richtungen magnetisiert. Gelesen werden diese Daten dann, indem die unterschiedlichen magnetischen Ausrichtungen vom Kopf erkannt werden. Der Kopf kann dabei mit größer Präzision auf jede beliebige Position der Disk zugreifen. Das gibt ihr den entscheidenden Vorteil über die Magnetbänder: Bei einer Disk kann man auf jeden Datenblock zugreifen, ohne vorher einen Großteil ihres Inhalts sequenziell passieren zu müssen. Das Lokalisieren der Information kann auf einem Band Minuten in Anspruch nehmen. Bei einer Disk wird dieser Prozess auf den Bruchteil einer Sekunde verkürzt. Um die Speicherkapazität von Hard Disks zu erhöhen werden mehrere dieser Platten auf eine Spindel gesteckt und von jeweils eigenen Köpfen abgetastet. Solche Systeme werden dann Hard Drive genannt.
1956 fertigte IBM die erste Hard Disk. Diese Technologie zur Datenspeicherung kam erstmals 1962 zum Einsatz. Der schnelle Zugriff auf alle beliebigen Daten war besonders als Zusatzspeicher in Highspeed-Computersystemen gefragt. Das erste Hard Drive bestand aus 50 24-Zoll-Disks (ein Durchmesser von 60 cm), wurde auf einem LKW geliefert und konnte sagenhafte 5 Megabytes an Daten speichern. Die ersten Laufwerke kosteten mehr als 1000 US-Dollar. Zum Vergleich: Ein durchschnittlicher PC von heute besitzt ein kleines 3,5-Zoll-Laufwerk mit zwei Disks, die mehr als 10.000 Megabytes fassen können. Dabei kostet so ein Laufwerk weniger als 200 US-Dollar. Man kann also sagen, dass sich das Fassungsvermögen einer Hard Disk aller 18 Monate verdoppelt hat.
Um mehr Daten auf eine Platte zu drängen, muss man - logischerweise - kleinere Punkte setzen. Das bedeutet also kleinere Köpfe, die zudem noch näher über der Oberfläche der Platte befinden müssen. Deshalb haben sich Hard Disk zu immer präziseren mechanischen Maschinerien entwickelt, bei denen der Kopf nur noch wenige Luftmoleküle über der Disk schwebt. Doch dieser Abstand, der noch nie riesig war, nähert sich nun dem theoretischen Minimum.
Um die Kapazität einer Disk trotzdem zu vergrößern, wendeten sich die Entwickler neuen Materialen zu. Indem man von der alten Technologie, bei der man Eisenpartikel in die Platte selbst implementiert hatte, zu einer neuen wechselte, bei der ein dünner Film vom magnetischen Molekülen auf die Oberfläche der Disk aufbringt, schafften es Unternehmen wie IBM, die Magnetfelder auf der Oberfläche zu verstärken. Somit konnten die Datenspuren dichter geschrieben werden.
Außerdem änderte man die Form der magnetisierten Bits. Noch bis vor wenigen Jahren war ein Bit etwa 20 mal länger als breit, wobei starke magnetischen Felder an deren Kanten auftraten. Das war zum einen Platzverschwendung, zum anderen machte dieser Fakt den Übergang von einem zum anderen Bit unscharf. Die Folge davon waren häufigere Lesefehler. Moderne Laufwerke benutzen quadratische Bits, die durch kleine Freiräume voneinander getrennt sind, so dass sie sich besser voneinander absetzen und somit ein sichereres Lesen ermöglichen.
Verläuft die Miniaturisierung der Datenspeicher so rasant weiter, wird die Magnettechnologie schon um das Jahr 2010 an seine Grenzen stoßen. Dann nämlich werden die Köpfe so klein und so nah wie möglich an der Disk sein, der magnetische Film auf der Platte so dicht, wie es Material nur erlaubt. An diesem Punkt werden nur noch so wenige magnetische Partikel ein Bit darstellen, dass ein unvermeidliches Kippen von einem oder zwei Partikeln durch thermische Vibration genug sein wird, um die Daten unzuverlässig zu machen. Dann wird die Speicherdichte 70 bis 100 Gigabytes pro Quadratzoll betragen, meint Bob Scranton, Vizepräsident für Technologie der Abteilung Speichersysteme bei IBM. 1997 betrug die Speicherdichte noch 1 Gigabyte pro Quadratzoll.
Noch ein kurzes Wort zu den beliebten Disketten. Die kleinen, flexiblen Floppy Disks wurden in den 1970ern entwickelt. Obwohl sie eine weitaus geringere Speicherkapazität besitzen und auch nicht an die Geschwindigkeit der Hard Disks herankommen, gelang ihnen der Durchbruch jedoch vor allem im Bereich der Heimcomputer und PCs, wo man es im Regelfall mit kleineren Datenmengen zu tun hatte und der geringe Preis und einfache Handhabbarkeit eine wichtige Rolle spielen.
Magnetbänder und Disks waren nicht die einzigen Versuche, Daten magnetisch zu speichern. Auch andere Medien, die nach dem gleichen Prinzip arbeiteten, wurden erfunden und tatsächlich eingesetzt. Solche Medien sind zum Beispiel der Trommelspeicher und der Eisenkernkernspeicher, welche schon in den frühen 1950ern angewendet wurden. Eine etwas jüngere Erfindung ist der magnetische Bubblespeicher, der in den späten 1970ern in den Bell Telephone Laboratories entwickelt wurde.
Der Trommelspeicher ist eine Mischung aus Band- und Diskspeicher. Er speichert Daten in Form von magnetisierten Punkten in nebeneinander herlaufenden, kreisförmigen Spuren auf der Oberfläche eines Metallzylinders. Eine einzelne Trommel kann etwa bis zu 200 Spuren fassen. Die Daten werden von mehreren Köpfen geschrieben und gelesen, die sich nahe der Oberfläche befinden, während sich die Trommel bei etwa 3.000 Umdrehungen pro Minute dreht. Trommeln gewährleisten schnellen Zugriff und sind dabei schneller als Band oder auch Disklaufwerke, haben allerdings ein geringeres Speichervolumen.
Kernspeicher benutzt hunderttausende kleiner Ferrit-Kerne, die winzigen Donuts ähneln. Durch jeden Kern verlaufen zwei oder mehr Drähte, welche elektrische Ströme leiten, die wiederum die Kerne im Uhrzeigersinn oder entgegengesetzt magnetisieren. Kernspeicher erlauben einen extrem schnellen Datenzugriff. Im Gegensatz zu anderen magnetischen Speicherarten muss er nicht darauf warten, dass das Band zurückgespult oder die Trommeln in die richtige Position rotiert sind, die Informationssuche wird einfach durch das Senden von elektrischen Impulsen zu den entsprechenden Kernen, welche die gewünschten Daten enthalten, gesteuert. Diese Impulse kehren die Richtung der Magnetisierung in den Kernen um, was in einer Ausgabe der gespeicherten Daten endet.
Der magnetische Bubblespeicher ist wirtschaftlicher zu bedienen als ein mechanisches Band, Disk oder Trommel und ist beträchtlich kompakter als sie. Der Speicher besteht aus einem Chip aus einem synthetischen Granat in der Größe eines Streichholzheftchens. Er speichert die Daten in winzigen zylinderförmigen, magnetischen Feldern, die Bubbles genannt werden und die durch ein elektrisches Feld erscheinen und verschwinden können. Das Vorhandensein und die Abwesenheit von diesen Bubbles (Bläschen) repräsentiert die Information im binären Code. Weil jeder kleine Chip hunderttausende dieser Bläschen beherbergen kann, ist es möglich, enorme Datenmengen in einer kleinen Gruppe dieser Chips aufzubewahren.
Magnetische Speichermedien scheinen schon jetzt, auf der Blüte ihrer Nutzung, ein Auslaufmodell zu sein. Schon jetzt ist absehbar, wann die Entwicklung ihre Grenzen erreicht haben wird. Doch die immer größere Anwendungen und Anwendungsbereiche in der Computertechnik verlangen nach immer mehr Speicherplatz. Neue Medien müssen erschlossen werden, die nach den Magnetspeichern ihren Dienst antreten müssen.
Holographischer Speicher scheint fürs erste eine sichere Bank zu sein. Damit ist es möglich, etwa 1000 Gigabyte auf der Fläche eines Quadratzolls zu speichern.
Auf längere Sicht erscheint jedoch Speicher auf atomarer Ebene die Antwort zu sein. In ersten Experimenten bei IBM erreichte man immerhin eine Datendichte von 45 Gigabytes pro Quadratzoll, indem man Informationen ein paar Millionstel Millimeter tief in eine rotierende Scheibe, ähnlich der heutigen Hard Disks, aufbrachte.
Darauf könnte das Bewegen von einzelnen Atomen folgen. Dadurch könnte man eine Datendichte von bis zu einer Milliarde Megabytes pro Quadratzoll erreichen. Eine großartige Vorstellung! Doch zweifellos wird Microsoft Office 2030 diese auch brauchen, wenn nicht sogar mehr...