In vielerlei Hinsicht macht unser Gedächtnis aus, wer wir sind. Mit ihm erinnern wir uns an Geschehenes, lernen und behalten Fähigkeiten und schmieden Zukunftspläne. Für Computer, die uns oft als Erweiterung unserer selbst dienen, spielt das Gedächtnis eine ähnliche Rolle. Sei es ein zweistündiger Film, eine Textdatei aus zwei Wörtern, oder Befehle zum Öffnen dieser Dateien -- alles in einem Computerspeicher hat die Form von Bits, also Grundeinheiten, oder auch Binärziffern. Sie sind alle in einer Zelle gespeichert, die zwischen zwei Zuständen für zwei mögliche Werte wechseln kann, nämlich 0 und 1. Dateien und Pogramme bestehen aus Millionen dieser Bits, die alle in einem Prozessor verarbeitet werden, kurz CPU für Central Processing Unit. Er ist wie das Gehirn eines Computers. Weil die Anzahl zu verarbeitender Bits exponentiell ansteigt, stehen Computerdesigner ständig vor der Schwierigkeit, Größe, Kosten und Geschwindigkeit zu vereinen. Computer haben ein Kurzzeitgedächtnis für sofort auszuführende Aufgaben, und ein Langzeitgedächnits für einen langfristigen Speicher. Wenn ein Programm läuft, stellt das Betriebssystem Bereiche im Kurzzeitgedächtnis dafür ab, diese Befehle auszuführen. Drückst du zum Beispiel eine Taste in einem Textverarbeitungsprogramm, ruft der Prozessor einen Bereich ab, um Datenteile abzufragen. Er kann sie auch verändern oder neue erstellen. Die hierzu benötigte Zeit nennt man Speicherlatenz. Weil Programmbefehle schnell und laufend verarbeitet werden müssen, können alle Bereiche im Kurzzeitgedächtnis in beliebiger Reihenfolge abgerufen werden. Daher der Name RAM (Random Access Memory) oder Direktzugriffsspeicher. Am geläufigsten ist der dynamische RAM, auch DRAM genannt. Hier besteht jede Speicherzelle aus einem winzigen Transistor und einem Kondensator, die elektrische Ladungen speichern. Eine 0 steht für keine Ladung, eine 1 für Ladung. Man sagt dynamischer Speicher, weil Ladungen nur kurz gespeichert werden, bevor sie entweichen. Zum Speichern von Daten muss periodisch nachgeladen werden. Doch selbst die kurze Latenz von 100 Nanosekunden ist für moderne Prozessoren zu lang. Deshalb gibt es einen kleinen internen High-Speed-Zwischenspeicher aus statischem RAM. Er besteht meist aus sechs verbundenen Transistoren, die nicht aufgefrischt werden müssen. SRAM ist der schnellste Speicher für Computersysteme, aber auch der teuerste, und er braucht bis zu drei Mal mehr Platz als DRAM. RAM und Zwischenspeicher können Daten aber nur bei Stromzufuhr behalten. Damit Daten bei abgeschaltetem Gerät gespeichert bleiben, muss man sie auf ein Langzeitspeichermedium überspielen. Davon gibt es drei Hauptarten: Der günstigste ist der Magnetspeicher. Daten werden als Magnetmuster auf eine rotierende Scheibe mit Magnetfilm gespeichert. Doch die Scheibe muss sich dorthin drehen, wo die Daten sind, damit sie gelesen wird. Deshalb ist die Latenz solcher Speicher 100 000-mal langsamer als die vom DRAM. Auch optische Speichermedien wie DVD und Blu-ray nutzen rotierende Scheiben, aber mit einer reflektierenden Schicht. Bits werden mit einer von Lasern lesbaren Farbe als helle und dunke Stellen kodiert. Optische Speichermedien sind günstig und können entfernt werden, haben aber noch längere Latenzen als Magnetspeicher und eine geringere Kapazität. Die neuesten, schnellsten Langzeitspeicher sind Solid-State-Speicher, zum Beispiel Flash Sticks. Sie haben keine beweglichen Teile, sondern Floating-Gate-Transistoren, die auf ihren speziellen inneren Strukturen Bits speichern, indem elektrische Ladungen eingeschlossen oder entfernt werden. Aber wie verlässlich sind diese Milliarden Bits? Wir stellen uns den Computerspeicher oft stabil und dauerhaft vor, doch tatsächlich baut er recht schnell ab. Die Hitze des Geräts und aus der Umgebung entmagnetisiert die Festplatte nach und nach, zersetzt die Farbe in optischen Speichern und führt zu Ladungsverlusten in Floating Gates. Solid-State-Speicher haben einen weiteren Schwachpunkt. Werden Floating-Gate-Transistoren öfters beschrieben, nutzen sie sich ab, wodurch sie unbrauchbar werden. Da die Daten auf neuesten Speichermedien eine Lebenserwartung von weniger als 10 Jahren haben, versuchen Wissenschaftler, physikalische Eigenschaften der Materialien bis auf die Quantenebene auszunutzen. Sie hoffen, Speichermedien so schneller, kleiner und langlebiger zu machen. Noch ist ewiges Leben außer Reichweite -- sowohl für Menschen als auch Computer.
In many ways, our memories make us who we are, helping us remember our past, learn and retain skills, and plan for the future. And for the computers that often act as extensions of ourselves, memory plays much the same role, whether it's a two-hour movie, a two-word text file, or the instructions for opening either, everything in a computer's memory takes the form of basic units called bits, or binary digits. Each of these is stored in a memory cell that can switch between two states for two possible values, 0 and 1. Files and programs consist of millions of these bits, all processed in the central processing unit, or CPU, that acts as the computer's brain. And as the number of bits needing to be processed grows exponentially, computer designers face a constant struggle between size, cost, and speed. Like us, computers have short-term memory for immediate tasks, and long-term memory for more permanent storage. When you run a program, your operating system allocates area within the short-term memory for performing those instructions. For example, when you press a key in a word processor, the CPU will access one of these locations to retrieve bits of data. It could also modify them, or create new ones. The time this takes is known as the memory's latency. And because program instructions must be processed quickly and continuously, all locations within the short-term memory can be accessed in any order, hence the name random access memory. The most common type of RAM is dynamic RAM, or DRAM. There, each memory cell consists of a tiny transistor and a capacitor that store electrical charges, a 0 when there's no charge, or a 1 when charged. Such memory is called dynamic because it only holds charges briefly before they leak away, requiring periodic recharging to retain data. But even its low latency of 100 nanoseconds is too long for modern CPUs, so there's also a small, high-speed internal memory cache made from static RAM. That's usually made up of six interlocked transistors which don't need refreshing. SRAM is the fastest memory in a computer system, but also the most expensive, and takes up three times more space than DRAM. But RAM and cache can only hold data as long as they're powered. For data to remain once the device is turned off, it must be transferred into a long-term storage device, which comes in three major types. In magnetic storage, which is the cheapest, data is stored as a magnetic pattern on a spinning disc coated with magnetic film. But because the disc must rotate to where the data is located in order to be read, the latency for such drives is 100,000 times slower than that of DRAM. On the other hand, optical-based storage like DVD and Blu-ray also uses spinning discs, but with a reflective coating. Bits are encoded as light and dark spots using a dye that can be read by a laser. While optical storage media are cheap and removable, they have even slower latencies than magnetic storage and lower capacity as well. Finally, the newest and fastest types of long-term storage are solid-state drives, like flash sticks. These have no moving parts, instead using floating gate transistors that store bits by trapping or removing electrical charges within their specially designed internal structures. So how reliable are these billions of bits? We tend to think of computer memory as stable and permanent, but it actually degrades fairly quickly. The heat generated from a device and its environment will eventually demagnetize hard drives, degrade the dye in optical media, and cause charge leakage in floating gates. Solid-state drives also have an additional weakness. Repeatedly writing to floating gate transistors corrodes them, eventually rendering them useless. With data on most current storage media having less than a ten-year life expectancy, scientists are working to exploit the physical properties of materials down to the quantum level in the hopes of making memory devices faster, smaller, and more durable. For now, immortality remains out of reach, for humans and computers alike.