Ausführungen zu diesem Thema sind aufgrund der Dynamik des Bereichs schon kurze Zeit nach Fertigstellung teilweise überholt. Man bedenke nur die Situation bei Festplatten. Er dient nur zur Darstellung der Grundlagen und als Einstieg. Der aktuelle Stand kann über die Fachzeitschriften, z.B. iX und ct aus dem Heise-Verlag und über Wikipedia erkundet werden.

22.1 Periphere Speicher

Es gibt eine Vielzahl verschiedener Speichermedien für alle in heutigen Computern anzutreffenden Aufgaben. Vgl. die für heutige Computer immer noch typische von Neumann - Architektur mit ihren internen und externen, langsamen und schnellen Speichern. Für Datenbanken finden v.a. die Medien Verwendung, die als schnell wiederbeschreibbare Massenspeicher beschrieben werden können. Sie werden, vom Blickwinkel der heute üblichen Rechnerarchitekturen aus, auch periphere Speicher oder externe Speicher genannt. Die anderen (die internen) sind die rund um den Prozessor und insbesondere der Arbeitsspeicher.

Informations-verarbeitung benötigt Speicher

Die externen Speicher halten die gespeicherten Informationen auch dann (dauerhaft) fest, wenn die Betriebsspannung ausgeschaltet ist, sie sind also für die sog. persistente Datenhaltung geeignet. Sie nehmen in der Regel sehr große Datenmengen auf, sie speichern Massendaten. Ihre wichtigsten Eigenschaften sind:

  • Hohe Speicherkapazitäten. Im Herbst 2014 kamen die ersten Festplatten mit mehreren Terabyte (TB) auf den Markt.
  • Im Vergleich zu internen Speichern sind sie langsam.
  • Sie sind preiswert, bezogen auf die Kosten je Informationseinheit.

Das Einsatzspektrum (und damit die Aufgaben) der externen Speicher kann in vier Gruppen zusammengefasst werden:

  • Speicher für Programme und Daten (dauerhafte Speicherung, aber auch Zwischenspeicherung von Ein- und Ausgabedaten, wenn der interne Speicher dafür nicht ausreicht, sowie Zwischenspeicherung von Programmteilen und Daten, die gerade nicht benötigt werden (virtuelles Speicherkonzept)),
  • Speicher zur Sicherung und Archivierung (Langzeitspeicherung von großen Datenbeständen und Programmen),
  • Speicher für den Informationsaustausch (Transport von Daten und Programmen (Software)) und
  • Mobile Speicher für Einzelobjekte, z.B. zur Identifikation von Gegenständen oder Lebewesen, zur dezentralen Datenerfassung oder zur Bezahlung und Abrechnung (etwa über Kreditkarten).

Jeder Einsatzfall stellt unterschiedlichste Anforderungen an die externen Speicher. Deshalb hat man unterschiedliche Speichermedien, man sagt auch Datenträger, für externe Speicher entwickelt. Je nachdem, wie die Daten auf dem Medium aufgezeichnet werden, unterscheidet man

Speichermedien
Datenträger

  • bedruckte, handbeschriftete und mechanisch gekennzeichnete Speichermedien, z.B. Klarschrift oder Strichmarkierungen auf Papier, Karton, Kunststoff u.a. oder Lochkarten bzw. Lochstreifen,
  • magnetische Speichermedien, bei denen die Daten durch Magnetisierung auf unterschiedlichen Trägermedien gespeichert werden,
  • optische Speichermedien, bei denen mittels Licht (oder Wärme) optisch reaktives Material verändert wird, und
  • elektronische Speichermedien, also externe Halbleiterspeicher.

22.2 Konkrete Speicherung

Die (physische) Belegung der externen Speicher ist grundsätzlich Aufgabe des Betriebssystems, genauer des Dateisystems. Die Speicherung erfolgt immer in Form von Dateien. Im folgenden gehen wir von Dateien mit Datensätzen aus, dem für Datenbanken wichtigsten Dateityp. Die Datensätze werden nacheinander auf das Speichermedium geschrieben.

Die gängigen Speichermedien sind in sog. Blöcke aufgeteilt. Da für einen logischen Datensatz aber nur eine bestimmte Anzahl Bytes nötig sind, fasst das Dateisystem in der Regel mehrere Sätze für einen Block zusammen. Durch dieses Lesen und Schreiben in ganzen Blöcken wird in der Regel der Speicherbereich besser ausgenützt und die Zugriffszeiten werden kürzer. Allerdings erkauft man sich diese Vorteile mit einem größeren Aufwand an anderer Stelle: Will man nämlich nur einen bestimmten Satz lesen, so muss man auf den gesamten (evtl. viel größeren) Block zugreifen.

(Speicher-)Blöcke

Bei einigen Speichertypen (z.B. bei Festplatten oder Disketten) hat die Blocklänge (die Blöcke heißen hier Sektoren) eine fest vorgegebene Größe (in Bytes). Damit der Speicherplatz optimal genutzt werden kann, müssen die Blöcke hier möglichst gut, d.h. ohne viel Leerplatz, gefüllt werden. Dies kann man erreichen, indem man die Satzlängen an die Blocklänge anpasst.

22.3 Magnetische Speicher

Magnetische Speicher sind Speichermedien, auf denen die (binären) Daten magnetisch aufgezeichnet werden. Sie lassen sich hinsichtlich ihrer technischen Realisierung wie folgt unterscheiden (vgl. [Herold, Lutz und Wohlrab 2012, S. 119]):

  • Als rotierende runde Scheibe, bei der ein Schreib-/Lesekopf sich nach außen und innen bewegen kann (Festplatten und Wechseldatenträger).
  • Als magnetisierbare Bänder mit Bandlaufwerken (Magnetbänder)

Sie funktionieren alle nach folgendem Prinzip: Ein Datenträger bewegt sich mit einer festgelegten Geschwindigkeit unter einem Schreib-/Lesekopf, der dabei die einzelnen Bits vom Datenträger liest bzw. sie dort ablegt. Der Datenträger besteht aus einem Trägermaterial (Aluminium- bzw. Kunststoffscheibe oder Kunststofffolie), die mit einem magnetisierbaren Material, z.B. Eisenoxid, Chromnickel oder Chromdioxid, dünn beschichtet ist. Ein einzelnes Bit wird nun durch die Magnetisierung eines kleinen Bereichs dieser Oberfläche gespeichert. Den kleinen Bereich kann man sich wie einen winzigen Stabmagneten vorstellen. Je nachdem, in welche Richtung der Nord- bzw. Südpol dieses Magneten zeigt, hat das Bit den Wert 0 oder 1. Moderne Festplatten greifen für die Abbildung eines Bits noch tiefer bis zu Veränderungen auf Molekülebene.

Die grundsätzliche Lösung ist wie folgt: Wird auf den Datenträger geschrieben, fließt durch den Schreib-/Lesekopf ein Strom. Dieser induziert an der Position, an der sich der Kopf gerade befindet, in der Oberfläche ein Magnetfeld. Je nach Stromrichtung richtet sich das Magnetfeld nach links oder rechts aus, damit richten sich auch die "Stabmagneten" aus. Durch Änderung der Stromrichtung während der Bewegung des Datenträgers kann man also Daten aufzeichnen, denn so entstehen Abschnitte mit wechselnder Ausrichtung (0 und 1). Beim Lesen der Daten misst man den Strom, der in der Spule des Schreib-/Lesekopfes induziert wird, wenn sich ein magnetisierter Bereich unter ihm entlangbewegt, und wandelt diese analogen Signale (je nach erzeugter Stromrichtung) wieder in Bits um.

Klassische Lösung
Zwei Zustände
"0 und 1"

Je kleiner man den magnetisierbaren Bereich machen kann, desto mehr Daten lassen sich pro Flächeneinheit speichern. Allerdings gibt es physikalische und technische Grenzen. Um eine hohe Dichte der Bereiche und damit der Daten zu erreichen, muss sich der Kopf sehr nah und mit gleichmäßigem Abstand zur Oberfläche befinden.

Grenzen und Probleme

Magnetische Speicher haben in der Informationsverarbeitung eine überragende Bedeutung. Die extrem hohen Datendichten erlauben eine hohe Speicherkapazität bei vertretbaren Zugriffszeiten. Mit dem Aufkommen der elektronischen Speicher glaubten nicht wenige, das Ende der Magnetplatten sei gekommen. Dem war aber nicht so. Die Festplattenhersteller entwickeln im Jahresrhytmus neue Technologien, die zu noch größeren Speichermedien mit noch kürzeren Zugriffszeiten.

Vor dem ersten Gebrauch müssen Magnetspeicher durch ein spezielles Programm des Betriebssystems formatiert werden. Dabei wird das Aufzeichnungsformat festgelegt. Denn die Daten werden auf der Diskette nicht wahllos verstreut, vielmehr werden sie Bit für Bit seriell in konzentrischen Kreisen, den sogenannten Spuren aufgezeichnet). Jede Spur (track) wird wiederum in nebeneinanderliegende Sektoren (Blöcke) fester Länge (in Bytes) aufgeteilt.

Spuren und Sektoren dienen zur Orientierung beim Schreiben und Lesen von Daten. Geschrieben oder gelesen wird mindestens immer ein ganzer Sektor (bzw. mehrere Sektoren) auf einer Spur. Die Sektoren dienen der Aufnahme der Blöcke.

Eine Magnetplatte ist eine runde Scheibe, die aus einem hochfesten, verwindungssteifen und exakt bearbeitetem Trägermaterial (meist Aluminium mit einer Schicht aus magnetisierbarem Eisenoxid) besteht. Dies erlaubt eine hohe Drehzahl und eine höhere Positioniergenauigkeit des Schreib-/Lesekopfes. Beide Plattenoberflächen (oben und unten) tragen eine sehr feine und doch besonders gut magnetisierbare Schicht, was hohe Schreibdichten erlaubt. Eine Magnetplatte kann über 1000 Spuren aufweisen. Die Spuren sind in einzelne Sektoren unterteilt. Die Sektoren, typischerweise 512 Byte groß, übernehmen die blockweise Speicherung der Daten.

Magnetplatten (Magnetic Disk)

Magnetplattenlaufwerke enthalten im Normalfall nicht nur eine, sondern mehrere Platten. Sie sind übereinander fest zu einem (Platten-)Stapel angeordnet und auf einer gemeinsamen Achse montiert. Jede Platte hat auf der Vorder- und Rückseite jeweils einen Schreib-/Lesekopf. Alle Schreib-/Leseköpfe sind starr an einem horizontal beweglichen Arm, dem Zugriffskamm, befestigt. Der Zugriffskamm kann auf jede der konzentrischen Spuren eingestellt werden. Wegen der starren Verbindung der Schreib-/Leseköpfe zeigen sie damit immer auf dieselbe Spur, natürlich jeder auf "seiner" Plattenoberfläche. Die Gesamtheit aller Spuren, die sich bei einer bestimmten Stellung des Zugriffkammes erreichen lassen, nennt man einen Zylinder.

Die Spuren auf jeder Plattenoberfläche sind, genau wie bei einer Diskette, von außen nach innen durchnummeriert; ein Zylinder in einem Plattenstapel umfasst also lauter Spuren der gleichen Nummer. Diese Nummer ist damit die Zylindernummer. Der Zugriff auf die einzelnen Sektoren geschieht nach dem gleichen Prinzip wie bei der Diskette, man ersetzt nur die Nummer der Spur durch die Zylindernummer und einer Kennung für die Plattenseite (Nummer des Schreib-/Lesekopfes). Die Einteilung des Plattenstapels in Zylinder macht man sich bei der Datenspeicherung zunutze: Zusammenhängende Daten bringt man nicht in nebeneinander, sondern in untereinanderliegenden Spuren unter. Damit lassen sich die Bewegungen des Zugriffskammes gering halten, man verkürzt auf diese Weise die Zugriffszeit.

Im Gegensatz zur Diskette berührt der Schreib-/Lesekopf nicht die Plattenoberfläche, sondern schwebt auf einem Luftkissen, das durch die konstant hohe Umdrehungszahl entsteht (Winchester-Technik). Dadurch reduziert man ganz erheblich die Abnutzung der Platte und die Wärmeentwicklung durch Reibung. Um trotzdem eine möglichst hohe Aufzeichnungsdichte zu bekommen, hält man den Abstand zwischen Platte und Schreib-/Lesekopf sehr gering, weniger als ein tausendstel Millimeter. Ein Staubkorn oder auch nur ein Fingerabdruck auf der Platte ließen den Schreib-/Lesekopf auf dieses Hindernis prallen. Deshalb ist das Plattenlaufwerk hermetisch abgeschlossen und mit Edelgas gefüllt.

Magnetplattenspeicher stellen den wichtigsten Massenspeicher auf nahezu allen Computersystemen dar. Sie vereinen eine hohe Speicherkapazität mit einer geringen Zugriffszeit (zwischen 2 ms bis 20 ms) bei relativ niedrigen Kosten. Es gibt Magnetplatten in verschiedenen Größen, heute haben sie meist einen Durchmesser von 3,5 Zoll (bei PCs) bis hinunter zu 1 Zoll (bei Notepads und Mobilfunkgeräten). Die Speicherkapazität steigt ständig, inzwischen sind dies mehr als 3 TB bei Festplattenlaufwerken für PCs. Man unterscheidet Magnetplattenspeicher, deren Plattenstapel im Laufwerk fest montiert ist (Festplatten) und solche, deren Plattenstapel auswechselbar ist (Wechselplatten).

Festplattenspeicher (Hard Disk) findet man heute fast überall, jeder Arbeitsplatzrechner verfügt (normalerweise) über ein fest eingebautes Laufwerk. Es ist über den IDE- oder SCSI-Standardbus angebunden. Aber auch in Rechenzentren, bei Großrechnern und für Server in lokalen Netzen verwendet man die kleinen, preiswerten und mit ausreichend hoher Kapazität ausgestatteten Standardfestplatten. Ähnlich wie man Rechner durch Parallelisierung leistungsfähiger macht, hatte man die Idee, die Standardfestplatten zur Leistungssteigerung parallel zu schalten. Dies geschieht allerdings nicht durch lose Kopplung der Laufwerke, man verknüpft sie vielmehr zu sogenannten Disk Arrays, in denen sie gemeinsam verwaltet werden und dem Rechner wie ein einzelnes logisches Laufwerk erscheinen.

Disk Arrays

Neben der Ausweitung der Kapazität und der Verkürzung von Zugriffszeiten hat man bei Disk Arrays auch die Ausfallsicherheit im Auge. Um bei einem Plattenausfall die Daten wiederherstellen zu können, speichert man deshalb neben den Originalen über die Laufwerke verteilt auch Duplikate der Daten. Diese Technologie, mehrere kleine Laufwerke zu größeren, nach Möglichkeit ausfallsicheren Gesamtspeichersystemen zusammenzufassen, wird RAID-Technik (Redundant Array of Inexpensive Disks) genannt. Die Disk Arrays sind in einem eigenen Server zusammengefasst, der Festplattencontroller des Rechners wird durch einen RAID-Controller ersetzt, dem Betriebssystem erscheint der RAID-Server wie eine einzelne leistungsfähige und zuverlässige Festplatte. Änderungen an der Software sind dadurch nicht notwendig.

Bei Wechselplattenspeichern (Removable Disk) sind Laufwerk und Magnetplatte konstruktiv getrennt ausgeführt. Die Wechselplatte ist in einem Plastikgehäuse untergebracht und wird wie eine Diskette in das (eingebaute oder tragbare) Laufwerk geschoben. Wenn die Wechselplatte ihre Betriebsdrehzahl erreicht hat, kann sie wie eine eingebaute Festplatte verwendet werden. Allerdings sind Wechselplattenspeicher teuer als Festplatten. Sie werden deshalb nur in Ausnahmefällen eingesetzt, insbesondere zur Datensicherung. Im Gegensatz zu Festplatten kann man eine Wechselplatte dem Rechnersystem entnehmen und etwa in einem Safe sicher aufbewahren.

Wechselplattenspeicher

Ein Magnetband ist eine lange, schmale und dünne Kunststofffolie mit einer einseitig aufgebrachten magnetisierbaren Schicht. Bei der Benutzung wird das Band von einer Spule abgewickelt, läuft mit hoher Geschwindigkeit an einem, meist jedoch mehreren Schreib-/Leseköpfen vorbei, welche das Band berühren, und wird auf einer zweiten Spule wieder aufgewickelt. Die Daten werden auch hier blockweise in Spuren gespeichert. Die Spuren liegen parallel zur Laufrichtung des Bandes. Dabei kann das Band in mehrere hundert Spuren parallel aufgeteilt sein. Die Blöcke werden sequenziell hintereinander, in der Reihenfolge, in der sie erfasst werden, auf dem Band abgelegt.

Magnetbänder

Möchte man einen Block lesen, der irgendwo in der Mitte des Bandes liegt, muss man erst einen großen Teil des Bandes umspulen. Dabei wird Block für Block gelesen, bis die richtige Stelle erreicht ist. Das geschieht zwar mit hoher Geschwindigkeit und auch in beide Richtungen, kann aber je nach aktueller Stellung des Bandes zwischen einigen Sekunden und mehreren Minuten dauern. Magnetbänder sind deshalb nicht zum Speichern und schnellen (gezielten) Wiederauffinden häufig benötigter, einzelner oder weniger Datensätze geeignet. Möchte man dagegen umfangreiche, zusammenhängende Dateien als Ganzes lesen, hat man durchaus eine akzeptable Datenübertragungsrate. Magnetbänder sind ein sehr billiges Speichermedium mit sehr großer Kapazität (bis zu 1000 GB pro Band). Man setzt sie deshalb vorwiegend zur (regelmäßigen) Datensicherung (backup) z.B. von Festplatten oder zur Langzeitarchivierung von großen Informationsbeständen ein. Sie besitzen eine garantiert lange Lagerbarkeit von teilweise über 30 Jahren.

Magnetbänder gibt es seit über 60 Jahren. Sie werden immer noch eingesetzt, heute v.a. für die Archivierung, insbesondere für die Langzeitarchivierung, wo sie ein unschlagbares Preis-/Leistungsverhältnis bieten.

22.4 Optische Speicher

Bei optischen Speichermedien nutzt man statt der Magnetisierung Licht oder mithilfe von Laserstrahlen erzeugte Wärme zum Schreiben und Lesen von Informationen. Dabei unterscheidet man generell zwischen Mikroverfilmung und optischen Speicherplatten.

Die Mikroverfilmung ist ein relativ altes und ausgereiftes, foto-optisches Verfahren. Dabei werden die Daten entweder konventionell, d.h. mithilfe von Kameras, auf Rollfilmen aufgenommen oder auf Mikrofiches direkt vom Rechner übertragen. Für die Ausgabe vom Rechner hat sich der Begriff COM (Computer Output on Microfilm) eingebürgert. Die Mikroverfilmung spielt heute keine große Rolle mehr.

Mikroverfilmung

Viel wichtiger sind die optischen Speicherplatten (CD, DVD, BD, ...). Ihre Bedeutung als Hintergrundspeicher hat enorm zugenommen. Sie bilden neben den Magnetplatten eine zweite wesentliche Klasse von Massenspeichern. Bei einer optischen Platte werden Informationen mittels Laserstrahlen aufgezeichnet und wieder gelesen. Da der Laserstrahl beim Lesen oder Schreiben nur auf einen winzigen Bereich auf der Platte trifft (es ist viel weniger Platz nötig, als bei der magnetischen Aufzeichnung), können auf sehr kleinem Raum sehr viele Daten gespeichert werden (auf einer Platte bis zu mehreren GB). Zu dieser hohen Speicherdichte kommt, dass das optische Speichermedium praktisch verschleißfrei arbeitet. Der Schreib-/Lesekopf wird mit einem Abstand von ca. 1 mm über der Platte geführt, was einen Head-Crash nahezu ausschließt. Die Kosten der optischen Datenträger sind sehr niedrig, sie sind außerdem austauschbar und damit flexibel handhabbar. Nachteile gegenüber der Magnetplatte sind die etwa zehnmal längeren Zugriffszeiten sowie die Problematik, eine optische Platte mehrfach zu beschreiben. Hier gibt es mittlerweile enorme Fortschritte, ein praktisch beliebig häufiges Beschreiben wie bei der Magnetplatte ist allerdings nicht erreicht.

Optische Speicherplatten

Das Arbeitsprinzip einer optischen Speicherplatte ist wie folgt: Es handelt sich um eine kleine, feste Kunststoffscheibe mit einem Durchmesser von 12 cm (seltener: 8 cm). Man bezeichnet sie allgemein als CD (Compact Disc). Deren Oberfläche ist mit einer metallischen Reflexionsschicht versehen, die durch eine Lackschicht geschützt wird. Die metallische Schicht ist der eigentliche Informationsträger. Bei der Herstellung werden in diese Schicht winzige Vertiefungen (Pits) gepresst oder mit einem Laserstrahl eingebrannt. Die unveränderten ebenen Flächen dazwischen (Erhebungen) heißen Lands. Pits und Lands tragen die binären Informationen. Die CD rotiert mit einer konstanten Geschwindigkeit. Zum Lesen wird die Oberfläche mit einem Laserstrahl abgetastet und die Reflexion des Strahls an der metallischen Schicht von einem Sensor gemessen. Trifft der Strahl auf eine Vertiefung, so wird das Licht gestreut und teilweise absorbiert. Es strahlt weniger Licht zurück zum Sensor, als bei den ebenen Flächen, welche das Licht voll reflektieren. Der Sensor kann so "0" und "1" unterscheiden: Lands werden als "0" interpretiert, Pits als "1".

CD
Pits und Lands

Pits und Lands reihen sich entlang einer einzigen spiralförmigen Spur auf, die sich (im Unterschied zur Schallplatte) von innen nach außen über die gesamte CD windet. Damit sind die Daten bitseriell auf dieser Spirale gespeichert. Eine Unterteilung in Zylinder und Köpfe wie bei der Magnetplatte findet nicht statt. Logisch wird eine CD in Blöcke von je 2048 Bytes aufgeteilt.

Es gibt verschiedene Typen von optischen Speicherplatten. Aus Anwendersicht unterscheidet man:

  • Nur lesbare Platten, die bereits vom Hersteller beschrieben sind und deren unveränderlicher Inhalt vom Anwender nur gelesen werden kann, das allerdings beliebig oft.
  • Vom Anwender nur einmal beschreibbare Platten, die beliebig oft gelesen werden können.
  • Wiederbeschreibbare Platten, die vom Anwender mehrmals überschrieben oder auch gelöscht und beliebig oft gelesen werden können.

Die wichtigsten Vertreter dieser Speichertechnologie sind:

CD-ROM (Compact Disc - Read Only Memory)

Die CD-ROM ist die älteste und am meisten verbreitete optische Speicherplatte. Sie ist der Hauptvertreter der nur lesbaren Platten. Ursprünglich für die Aufzeichnung von Musik entwickelt (als CD-A (CD-Audio)) hat sie sich auch schnell im Computerumfeld verbreitet. Auf ihr lassen sich 74 Minuten Audio oder 650 bis 700 MB Daten unterbringen. Die mittlere Zugriffszeit beträgt zwischen 70 und 115 ms. Die den CD-As entsprechende, einfache Datenübertragungsrate der ersten CD-ROM-Laufwerke von 150 KB/s wurde bis heute durch Erhöhung der Drehzahl (72-fache konstante Drehgeschwindigkeit) auf durchschnittlich 8 MB/s gesteigert. CD-ROMs werden ausschließlich industriell mithilfe eines Masterrohlings aus Glas gefertigt. Dabei werden vom Hersteller die Pits auf der Unterseite der Platte durch Pressen aufgebracht. Die Informationen können beliebig oft gelesen, aber nicht mehr verändert werden. Die CD besteht aus einer Polycarbonatscheibe, der Reflexionsschicht aus Aluminium, was ihr das typische, silbrig glänzende Aussehen verschafft, und einem Schutzlack. CD-ROMs eignen sich sehr gut für die Distribution digitaler Informationsbestände, wie z.B. Software, Kataloge, Lexika, Handbücher, Datenbanken und Ähnliches. Dank der weltweiten Standardisierung und Verbreitung sowie der preisgünstigen Datenträger und Wiedergabegeräte sind sie sehr verbreitet. Allerdings mit abnehmender Bedeutung, wie man daran sieht, dass immer weniger PCs und Laptops mit eingebautem DVD-Laufwerk ausgeliefert werden.

ist praktisch jeder PC mit einem DVD-Laufwerk ausgestattet, das auch CD-ROMs lesen kann.

CD-R (Compact Disc - Recordable)

Normale CDs können nicht wieder beschrieben werden. CD-Rs sind einmal beschreibbar. Man kann sie als CD-Rohlinge kaufen und die Pits in speziellen Aufnahmegeräten, den CD-Recordern oder CD-Brennern, durch einen energiereichen Laserstrahl einbrennen. Bereiche auf der CD, die beim ersten Durchgang nicht beschrieben wurden, können in weiteren Durchgängen noch mit Daten gefüllt werden. Die gespeicherten Informationen kann man beliebig oft in einem CD-ROM-Laufwerk lesen, allerdings nicht nochmals überschreiben oder löschen. CD-Rs eignen sich daher hervorragend für Backups oder Archivierungszwecke sowie als transportable Speicher für große Datenbestände, die nur in wenigen Exemplaren benötigt werden (z.B. Bilddateien). Speicherkapazität und Zugriffszeit entsprechen denen einer CD-ROM.

Die CD-R sieht wie eine gewöhnliche CD-ROM aus, nur dass sie golden statt silbrig glänzt. Das liegt an der Reflexionsschicht aus Gold (anstelle des Aluminiums). Zwischen Gold- und Kunststoffschicht befindet sich eine lichtempfindliche organische Substanz (z.B. Zyanin, wie in der Fotografie verwendet). Mit dem Laserstrahl des CD-Brenners wird das organische Material verfärbt bzw. verschmolzen. Diese Stellen erhalten dadurch eine andere Reflexionseigenschaft. Auf diese Weise werden die Vertiefungen simuliert. Jetzt lässt sich die CD-R wie eine CD-ROM-lesen.

CD-RW (Compact Disc - ReWritable)

Eine CD-RW ist eine circa tausendmal wiederbeschreibbare CD. Statt der organischen Substanz, wie bei der CD-R, benutzt man hier eine bestimmte Metalllegierung (u.a. aus Selen und Tellur). Dieser Stoff kann sich entweder in einem kristallinen Zustand, der stark reflektierend ist, oder in einem amorphen Zustand, der Licht weniger reflektiert, befinden. Zum Lesen tastet ein (schwacher) Laserstrahl diese unterschiedlich reflektierenden Bereiche ab und erhält so die binären Informationen. Zum Schreiben wird die Metalllegierung durch zwei unterschiedlich starke Laserstrahlen lokal unterschiedlich stark erhitzt. Punkte, die langsam abkühlen, gehen in den kristallinen Zustand über und Punkte, die rasch Abkühlen, in den amorphen Zustand. Bei Normaltemperatur bleibt der jeweilige Zustand erhalten. Dieses Verfahren nennt man duale Phasenwechseltechnik. Das Beschreiben einer ganzen CD-RW dauert etwa zweieinhalb Minuten.

Auf dem Markt angebotene CD-RW-Laufwerke können sowohl CD-R als auch CD-RW beschreiben und alle CD-Typen lesen. Ältere CD-ROM-Laufwerke dagegen können die Daten einer CD-RW nicht lesen, da eine andere Laseroptik nötig ist. CD-RW-Platten eignen sich besonders für die Datensicherung, die Speicherung persönlicher Daten und den Transport von Datenbeständen. Sie sind preiswerter als vergleichbare magnetische (wiederbeschreibbare) Wechselplatten.

DVD (Digital Versatile Disc)

Die herkömmliche CD-ROM mit ca. 700 MB Kapazität eignet sich hervorragend als Speichermedium für Software und Datenbestände, digitale Musik und für hochauflösende Fotos. Für Multimedia-Anwendungen, für digital gespeicherte Videofilme und Computerspiele ist ihr Speichervermögen jedoch zu klein. Nach langem Hin und Her einigten sich verschiedene Herstellerkonsortien 1995 auf den DVD-Standard. Das "V" stand ursprünglich für Video, was die damalige Zielrichtung beschreibt: Eine DVD der ersten Generation konnte einen 133 Minuten langen Spielfilm in sehr guter Bild- und Tonqualität digital speichern. Heute steht das "V" für Versatile, was "vielseitig verwendbar" bedeutet. Dieser Begriff spiegelt das mittlerweile sehr breite Einsatzspektrum der DVD-Scheiben wieder.

Eine DVD-ROM unterscheidet sich äußerlich so gut wie gar nicht von einer normalen CD-ROM. Die ebenfalls 12 cm im Durchmesser messende Platte ist grundsätzlich genauso aufgebaut: Kunststoffscheibe mit Vertiefungen (Pits) und ebenen Stellen (Lands) die von einem Laser angestrahlt und von einem Fotodetektor als Sensor gelesen werden. Die DVD-ROM verfügt jedoch über eine deutlich höhere Speicherkapazität. Dies wird durch die Kombination folgender Maßnahmen erreicht:

  • Die Pits und Lands sind bedeutend kleiner und dichter angeordnet. Die Spurspirale lässt sich damit enger winden.
  • Der Laser arbeitet zur feineren Fokussierung mit rotem Licht statt im infraroten Bereich (wie bei der CD-ROM).
  • Eine DVD-ROM kann beidseitig bespielt sein. Dazu werden zwei Scheiben halber Stärke rückseitig aneinander geklebt.
  • Jede Seite der DVD-ROM kann zwei Informationsebenen haben. Die Daten werden dabei pro Seite in zwei übereinander liegenden Schichten gespeichert (Zweischichttechnik). Dazu ist die erste Schicht halbtransparent (semireflektiv) und kann den Laserstrahl auch Daten in der darunter liegenden Schicht lesen lassen. Je nach Fokussierung des Strahls erfolgt die Reflexion des Lichts an der einen oder anderen Schicht.

Für die DVD-ROM gibt es grundsätzlich vier verschiedene Formate:

  • einseitig, mit einer Schicht (SL; Single Layer DVD), Kapazität 4,7 GB (DVD-5);
  • einseitig, mit zwei Schichten (DL, Dual Layer DVD), Kapazität 8,5 GB (DVD-9);
  • zweiseitig, mit einer Schicht (Wenden der DVD im Spieler), Kapazität 9,4 GB (DVD-10);
  • zweiseitig, mit zwei Schichten, Kapazität 17 GB (DVD-18).

Die ursprüngliche Datentransferrate betrug 1,4 MB/s, Laufwerke mit 16-facher Geschwindigkeit erlauben 21,1 MB/s und durchschnittliche Zugriffszeiten von 90 ms. Für DVDs sind eigene Laufwerke notwendig (spezielle Lasertechnik), sie können jedoch in der Regel alle DVD- und CD-Formate lesen. Die vom Anwender beschreibbaren CDs werden allerdings nur mit maximal einem Drittel der Geschwindigkeit einer normalen CD-ROM gelesen.

Die DVD-ROM wird mittlerweile als Nachfolger für die CD-ROM eingesetzt. Auch hier spielt die Distribution von Software und Datenbeständen die wichtigste Rolle. Im Unterhaltungsbereich sind die nur lesbaren DVD-Audio und DVD-Video weit verbreitet. Sie bieten viele Stunden Musik bzw. Spielfilme in hervorragender Ton- und Bildqualität. Sie können ebenfalls mit einem DVD-ROM-Laufwerk am Rechner abgespielt werden.

Neben diesen Formaten, bei denen lediglich an die Wiedergabe von Information gedacht ist, gibt es auch die folgenden, beschreibbaren Formate:

  • Die einmalig beschreibbaren DVD-Rs mit einer Kapazität von 4,7 GB. Die DVD-R-Recorder arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie die CD-Brenner. Neben DVDs können sie auch CDs beschreiben sowie alle DVD- und CD-Formate lesen. Allerdings sind die Rohlinge und die Brenner deutlich teuer als für CD-R.
  • Bei den wiederbeschreibbaren DVD-Platten gibt es verschiedene Formate. Für den Computereinsatz eignet sich besonders die DVD-RAM (DVD - Random Access Memory). Sie basiert auf der dualen Phasenwechseltechnik der CD-RW kombiniert mit einigen MO-Funktion (siehe nächster Abschnitt). Sie bietet eine Kapazität von 9,4 GB bei einer Zugriffszeit von 65 ms. DVD-RAM-Laufwerke können sowohl CDs als auch DVDs verarbeiten. Eine DVD-RAM, meist in einer schützenden Kassette verschlossen, kann über 100.000-mal beschrieben werden, sie soll zwischen 25 und 100 Jahre haltbar sein. Damit eignet sie sich hervorragend zur Datensicherung und Archivierung. Allerdings ist ihre Verbreitung bisher gering.

MO-Platten (Magneto-Optical Disc)

Magneto-optische Plattenspeicher verbinden die Vorteile der magnetischen Platte (Wiederbeschreibbarkeit) mit denen der CD-ROM (hohe Speicherdichte). Zur Aufzeichnung verwendet man Magnetisierung, d.h. die Daten sind magnetisch gespeichert. Zum Schreiben und Lesen werden dagegen Laserstrahlen eingesetzt. Auf die Oberfläche der Platte trägt man ein Material auf, dessen magnetischer Zustand erst bei hohen Temperaturen (der sog. Curie-Temperatur, ca. 200° C) verändert werden kann. Bei Raumtemperatur bleibt die magnetische Information eingefroren. Zum Schreiben wird die Oberfläche durch einen starken Laserstrahl lokal kurzfristig über die Curie-Temperatur erhitzt. Gleichzeitig kann durch ein von außen angelegtes Magnetfeld die Magnetisierung dieser Stelle in die eine oder andere Richtung ausgerichtet werden. Beim Abkühlen bleibt die Magnetisierungsrichtung erhalten. Beim Lesen tastet ein wesentlich schwächerer Laserstrahl diese Bereiche ab, die ihn je nach Magnetisierungsrichtung unterschiedlich reflektieren. Je nachdem, welche Polarisation (Drehrichtung) das durch die magnetisierte Stelle reflektierte Licht hat, wird die Information als "0" oder "1" interpretiert (Kerr-Effekt).

MO-Platten gibt es in Größen von 3,5 und 5,25 Zoll mit einer Speicherkapazität zwischen 650 MB und 9,1 GB je Platte. Sie sind preisgünstiger als Festplatten und wesentlich schneller als CD-RWs (Zugriffszeit ca. 20 ms) und können über eine Million mal wiederbeschrieben werden. Außerdem sind sie sehr robust und verfügen über eine hohe Haltbarkeit (über 30 Jahre). Deshalb setzt man sie vorwiegend zur Archivierung und zum Austausch großer Datenbestände (insbesondere im grafischen Bereich) ein.

BD-Disc (Blu-Ray-Disc)

Die Blu-Ray-Disc ist eine digitale optische Speicherplatte, welche als Nachfolger der DVD entwickelt wurde. Die Blu-Ray-Disc (engl. blue ray = blauer Strahl) basiert auf der Technik, welche blaues Laserlicht zum Lesen und Schreiben einsetzt. Die Blu-Ray-Disc arbeitet mit der Phasenwechseltechnik. Die Speicherkapazität einer Blu-Ray-Disc liegt bei einseitiger und einschichtiger Aufzeichnung bei 25 GB und bei zweischichtiger Aufzeichnung bei 50 GB. Eine zweiseitige Aufzeichnung wie bei der DVD ist bei der Blu-Ray-Disc nicht möglich. Die Übertragungsrate liegt laut Spezifikation bei 36 MBit/s, wobei eine doppelt so hohe Rate (Phase-Change-Technik) für die nächsten Jahre angekündigt ist. Die Blu-Ray-Disc gibt es zurzeit als nur lesbare BD-ROM (ähnlich DVD-ROM), als einmal beschreibbare BD-R und als wiederbeschreibbare BD-RE.

Die folgende Abbildung stellt die verschiedenen Typen zusammen.

Optische Speicher

Kurzbezeichnung

Beschreibung

CD-ROM

Nur lesbare, werkseitig beschriebene CD.

CD-R

Vom Anwender einmal beschreibbare CD, beliebig oft lesbar.

CD-RW

Mehrmals wiederbeschreibbare CD, beliebig oft lesbar.

DVD

Optische Scheibe mit höherer Speicherkapazität und Übertragungsrate als die CD. Es gibt die Versionen DVD-ROM, DVD-R und DVD-RAM.

MO-Disc

Magneto-optische Platte, die praktisch beliebig oft gelöscht und beschrieben werden kann. Aufzeichnung erfolgt durch Magnetisierung, Schreiben/Lesen durch Laserstrahlen.

BD-Disc

Optische Speicherplatte mit höherer Speicherkapazität und Übertragungsrate als die DVD.

22.5 Elektronische Speicher


Ein weiterer Typ von Massenspeichern sind die elektronischen Speicher (auch: elektronische Datenträger). Sie verwenden Halbleiterbauelemente zur Datenspeicherung. Im Gegensatz zu den Laufwerken der magnetischen oder optischen Massenspeicher benötigen sie keine bewegten mechanischen Komponenten. Sie unterliegen deshalb im Allgemeinen keinem Verschleiß durch häufige Benutzung, sind klein, leicht und haben den Vorteil, schneller im Zugriff zu sein. Elektronische Datenträger finden vor allem im mobilen Bereich Anwendung.

Flash-Speicherkarten (Flash Memory Card)

Flash-Speicherkarten sind Plastiksteckkarten in der Größe von Kreditkarten oder kleiner, die mit einem oder mehreren Speicherchips bestückt sind. Die Technik dieser Flash-Chips basiert auf den EEPROMs, ein Chip ist blockweise beschreib- und löschbar. Das bedeutet, dass die Speicherorganisation der von Magnetplatten entspricht. Deshalb dienen Flash-Speicherkarten in erster Linie als Ergänzung oder Ersatz für Festplatten in tragbaren Rechnern (Notebooks, PDAs). Allerdings haben sie eine deutlich kürzere Zugriffszeit (100 ns), sind geräuschlos, aufgrund ihres geringen Gewichts und der kleinen Abmessungen leicht zu transportieren und unempfindlich gegenüber Stößen. Das macht sie zum idealen Massenspeicher in mobilen Geräten aller Art (Mobiltelefone, digitale Kameras, MP3-Player, USB-Sticks). Die Speicherkapazität bei Flash-Speicherkarten reicht bis 16 GB (Single Level Cell - Technik) bzw. 32 GB (Multi Level Cell - Technik), ihr Inhalt bleibt auch ohne Stromzufuhr erhalten (nichtflüchtiger Speicher). Allerdings sind Flash-Speicherkarten sehr teuer (pro MB etwa zehnmal so viel wie bei einer Festplatte) und ihre Lebensdauer ist begrenzt (ca. 100000 Schreib- und Löschoperationen).

Je nach Einsatzzweck gibt es verschiedene Bauformen:

  • Flash-Speicher im PC-Card-Format für tragbare Rechner
  • CompactFlash-Card, nur halb so groß, mit integrierter Steuerungselektronik, z.B. für Mobiltelefone oder PDAs
  • SmartMedia-Card, sehr flach, sehr leicht und preiswert, z.B. für MP3-Player
  • MultiMedia-Card in Briefmarkengröße, z.B. für Diktiergeräte
  • Memory Stick für audiovisuelle Geräte
  • Solid State Disks (SSD) für den Einsatz als schneller Massenspeicher (vgl. den nächsten Punkt)

Solid State Disk (SSD)

SSDs bestehen aus einer großen Anzahl dynamischer Speicherchips (DRAM). Sie sind extrem schnell (um den Faktor 20 schneller als Flash-Speicherkarten), haben eine hohe Kapazität (bis zu 5 TB, auf dem Markt befindliche SSDs hatten Anfang 2015 Kapazitäten bis zu mehreren Terabyte. Allerdings sind sie teurer als Festplatten (pro GByte mindestens das 30-fache). Sie kommen vor allem dort zum Einsatz, wo große Datenmengen mit höchster und garantierter Durchsatzleistung verarbeitet werden müssen. Auch bei besonders leistungsstarken Laptops (Ultrabooks) werden sie eingebaut. Ein Problem bei diesem Speichermedium ist die Haltbarkeit. Grundsätzlich vertragen die Flash-Speicher in SSDs nur eine begrenzte Zahl von Schreibzyklen, wobei die Daten einer nicht mehr beschreibbaren Flash-Zelle weiterhin lesbar sind. Die Lebensdauer einer SSD ist trotzdem hoch, da sie ja zahlreiche Speicherzellen enthält und somit der Verlust von einigen nicht ins Gewicht fällt. Die Hersteller können deshalb meist eine mehrjährige Garantie geben.

Chipkarten (Smart Cards)

Chipkarten sind Plastikkarten in Kreditkartengröße mit eingebautem Halbleiterchip. Der Chip umfasst in der Regel einen Prozessor- und einen Speicherbereich, es gibt jedoch auch ausschließliche Speicherkarten. Das Anwendungsspektrum der Chipkarten ist fast grenzenlos und tangiert alle Bereiche unseres Lebens: z.B. als Kreditkarte, Geldkarte, Telefonkarte, Krankenversichertenkarte, als Ausweis, zur Ver- und Entschlüsselung von Nachrichten, zur Erzeugung elektronischer Unterschriften.

Chipkarten werden durch direkten Kontakt mit speziellen Lesegeräten benutzt. Nach dem Einstecken übernimmt der Prozessor mithilfe des Chipkarten-Betriebssystems die Kommunikation über die Schnittstelle, überprüft die Befugnis des Karteninhabers, führt das Anwendungsprogramm aus, codiert und decodiert Daten, wickelt Speicherzugriffe ab. Auch die Stromzufuhr erfolgt über dafür vorgesehene Kontakte im Lesegerät. Es gibt auch kontaktlose Chipkarten. Sie benutzen eine Antenne und erhalten ihre Energie durch ein starkes Magnetfeld (Induktion), das vom Kartenleser erzeugt wird. Kontaktlose Chipkarten finden überall dort ihr Einsatzgebiet, wo Objekte oder Lebewesen identifiziert werden müssen: z.B. bei der Zugangskontrolle oder bei Mautsystemen.

Chipkarten entsprechen in Form und Größe den Magnetstreifenkarten. Sie haben jedoch eine höhere Speicherkapazität (absolut gesehen ist sie allerdings ziemlich gering, bis zu 64 KB), sind "intelligent" und bieten eine wesentlich höhere Sicherheit (Geheimhaltung, Fälschungssicherheit). Deshalb eignen sie sich z.B. besser als Zahlungsmittel. Allerdings gibt es auch Nachteile: Die Chipkarte ist wesentlich teurer als eine Magnetstreifenkarte, und es gibt im Gegensatz zu diesen keinen weltweit einheitlichen Standard. Trotzdem wird sie in absehbarer Zeit die Magnetstreifenkarte völlig ersetzen.

Soweit ein kurzer Blick auf die heute üblichen Speichermedien. Sie dienen in unterschiedlichen Konfigurationen alle dem Speichern, Verwalten und Abfragen von Daten. Auf vielen werden auch Datenbanken abgelegt oder archiviert. Seit einigen Jahren dient auch der Arbeitsspeicher der Computer als Ort, wo Datenbanken abgelegt und ausgewertet werden (InMemory-Datenbanken, vgl. hierzu Abschnitt 24.11). Für alle Angaben zu Speicherumfang und Preisen gilt: die Entwicklung ist hier sehr dynamisch, die Werte ändern sich im Halbjahresabstand.