Es gibt viele Arten von Computerspeicher – ein Sammelbegriff für Datenspeichertechnologien, die in ein Computergerät oder einen Server integriert oder extern damit verbunden sind. Einige sind auf hohe Geschwindigkeit ausgelegt, sodass die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) schnell auf die dort gespeicherten Daten zugreifen kann, während andere kostengünstig sein sollen, damit große Datenmengen wirtschaftlich gespeichert werden können.
Alle Arten von Computerspeicher fallen je nach Zweck und Anwendungsfall in eine von zwei Kategorien: Primär- oder Sekundärspeicher. Wer ihre unterschiedlichen Einsatzgebiete und Stärken kennt, versteht besser, wie Datenspeicherung funktioniert und wie sich ihr Potenzial optimal nutzen lässt.
Arten von Primärspeicher
Der Primärspeicher ist der Teil des Computerspeichers, auf den für eine schnelle Verarbeitung und einen schnelleren Systemstart direkt zugegriffen werden kann. Er befindet sich in der Regel in unmittelbarer räumlicher Nähe zur CPU, um Kommunikationszeiten zu minimieren. Zu den Arten von Primärspeicher gehören der Arbeitsspeicher (RAM) und der Nur-Lese-Speicher (ROM).
Sowohl RAM als auch ROM werden zur Speicherung von Daten verwendet, auf die die CPU direkt zugreifen kann. RAM ist flüchtig, das heißt, seine Daten werden gelöscht, sobald das System heruntergefahren wird. ROM ist nichtflüchtig, das heißt, seine Daten bleiben auch nach dem Herunterfahren des Systems erhalten.
| RAM | ROM | |
|---|---|---|
| Bedeutet | Arbeitsspeicher | Nur-Lese-Speicher |
| Flüchtigkeit des Speichers | Flüchtig | Nichtflüchtig |
| Speicherkapazität | Bis zu 256 GB pro Chip | bis zu 8 GB pro Chip |
| Geschwindigkeit | Schneller | Langsamer |
| Verwendung | Bei standardmäßigen Computeroperationen | Während des Bootvorgangs |
| Arten | DRAM, SRAM | PROM, EPROM, EEPROM |
| Kosten | Höher | Niedriger |
| Chipgröße | Größer | Kleiner |
Arbeitsspeicher
Arbeitsspeicher (RAM) verdankt seinen Namen der Art und Weise, wie die CPU auf ihn zugreift und seine Speicherzeilen zufällig nach den benötigten Informationen durchsucht, anstatt strikten Anweisungen zu folgen. Dadurch wird die Zugriffszeit für alle gespeicherten Datenbits angeglichen.
Eines der entscheidenden Merkmale von RAM ist seine enorme Geschwindigkeit – er ist nur geringfügig langsamer als die CPU selbst. RAM speichert die Daten, die die CPU während der Ausführung eines Programms benötigt. Dadurch muss sie nicht jedes Mal auf den Sekundärspeicher zugreifen, wenn sie ein Datenstück oder eine Anweisung benötigt.
RAM ist jedoch auch eine der teuersten Komponenten eines Computergeräts; die Kosten werden üblicherweise pro Gigabyte berechnet. Der hohe Preis von RAM ist der Hauptgrund dafür, dass Computer sowohl auf Primär- als auch auf Sekundärspeicher angewiesen sind. Es gibt zwei Hauptarten von RAM.
Dynamischer RAM (DRAM)
Die häufigste RAM-Variante enthält in jeder ihrer Speicherzellen sowohl einen Transistor als auch einen Kondensator. Alle Computer müssen sowohl RAM als auch DRAM enthalten, um ordnungsgemäß zu funktionieren und effizient zu arbeiten. Die älteste DRAM-Version ist als Single-Data-Rate-(SDR-)DRAM bekannt, während neuere Versionen wie DDR2, DDR3, DDR4 und DDR5 in der Regel energieeffizienter und leistungsfähiger sind. Die verschiedenen Typen sind nicht kompatibel, und Computer können nur eine DRAM-Variante verwenden.
Statischer RAM (SRAM)
SRAM ist schneller als RAM oder DRAM, aber deutlich teurer. Außerdem ist er größer, da jede Speicherzelle sechs Transistoren enthält. Daher wird SRAM nur in kleinen Mengen eingesetzt, fast immer als Cache-Speicher zur Vermittlung der Kommunikation zwischen dem Haupt-RAM und der CPU eines Geräts sowie zum Überbrücken des Unterschieds bei den Taktgeschwindigkeiten. Die schnellste und kleinste Implementierung von SRAM ist ein Cache-Speicher im Kern der CPU, der mit derselben Geschwindigkeit arbeitet und Verzögerungen verhindert.
Nur-Lese-Speicher
ROM verdankt seinen Namen der Tatsache, dass die darauf gespeicherten Daten unveränderlich sind – sie können mit gewöhnlichen Methoden weder entfernt noch geändert werden. Wie RAM ist ROM ein außerordentlich schneller Computerspeicher, der sich in unmittelbarer Nähe der CPU des Geräts befindet. Anders als RAM ist ROM jedoch nichtflüchtig: Es verliert seine Daten nicht, wenn die Stromversorgung unterbrochen wird. Diese Eigenschaft teilt es mit dem Sekundärspeicher.
Wenn ein Gerät eingeschaltet oder gebootet wird, liest die CPU als Erstes die Anweisungen auf dem ROM. Dieses enthält üblicherweise den sogenannten „Bootstrap-Code“, der es dem Computer ermöglicht, die erforderlichen Schritte zum Starten des Betriebssystems im Sekundärspeicher auszuführen.
Es gibt drei Hauptarten von ROM, die in allen Arten elektronischer Geräte zu finden sind – von Spielekonsolen bis hin zu Autoradios und Navigationssystemen.
Programmierbarer ROM (PROM)
PROM unterscheidet sich vom echten ROM dadurch, dass es im leeren Zustand hergestellt wird, anstatt verkauft und ausgeliefert zu werden, nachdem bereits Anweisungen darauf programmiert wurden. PROM kann nachträglich mit einem PROM-Programmiergerät oder -Brenner programmiert werden.
Löschbarer programmierbarer ROM (EPROM)
Die auf EPROM gespeicherten Informationen können gelöscht und anschließend neu programmiert werden. Dazu muss der Chip aus dem Gerät entfernt und ultraviolettem Licht ausgesetzt werden, um die Daten zu löschen, bevor neue Daten darauf gebrannt werden.
Elektrisch löschbarer programmierbarer ROM (EEPROM)
EEPROM unterscheidet sich von PROM und EPROM dadurch, dass es zum Löschen und Neuprogrammieren nicht aus dem Gerät entfernt werden muss. Der Umformatierungsprozess kann zwar langsam sein, wird aber nicht häufig durchgeführt und dient in der Regel nur zur Aktualisierung kritischer Codes wie Firmware oder BIOS.
Arten von Sekundärspeicher
Der Sekundärspeicher ist der dauerhafte, nichtflüchtige Teil des Computerspeichers, auf den die CPU nicht direkt zugreift. Er ist für die kostengünstigere Langzeitspeicherung großer Datenmengen ausgelegt. Beispiele sind Festplattenlaufwerke (HDDs), Solid-State-Laufwerke (SSDs), Cloud-Speicher und Bandlaufwerke.
Sekundärspeicher ist in der Regel kostengünstiger als Primärspeicher und mit deutlich höheren Kapazitäten verfügbar. Die verschiedenen Arten von Sekundärspeicher ermöglichen es Nutzern, persönliche Daten und Informationen sowie Software, Anwendungen und Dienste zu speichern, auf die der Computer indirekt über seinen RAM zugreifen kann.
Festplattenlaufwerke (HDDs)
Festplattenlaufwerke sind elektromechanische Datenspeichergeräte, die Daten über einen langen Zeitraum speichern und wiederherstellen können. Sie bestehen aus einem Stapel rotierender Scheiben, die von Spindeln an ihrem Platz gehalten werden. HDDs sind im Vergleich zu anderen langfristigen Sekundärspeichern pro Gigabyte die günstigste Option, aber weniger robust.
HDDs enthalten zahlreiche bewegliche Teile, von denen jedes eine potenzielle Fehlerquelle darstellt. Sie sind außerdem laut, verbrauchen viel Energie und können beim Zugriff und Schreiben langsamer sein als der durchschnittliche RAM. Dennoch eignen sich HDDs hervorragend für die langfristige Speicherung und Archivierung. Man findet sie häufig in älteren und preisgünstigeren Desktop-Computern und Laptops.
Solid-State-Laufwerke
Solid-State-Laufwerke sind eine Art halbleiterbasierter, langfristiger, nichtflüchtiger Speicher. Sie verwenden NAND-Flash-Speicher zur dauerhaften Datenspeicherung und werden in Computern typischerweise als Sekundärspeicher für persönliche Dateien eingesetzt. SSDs speichern Daten mithilfe von Flash-Speicher in einer integrierten Schaltung. Daten auf einer SSD können elektronisch geschrieben, gelesen, dupliziert und übertragen werden, ohne Geräusche zu erzeugen oder bewegliche Teile zu benötigen.
Da ihnen die mechanischen Teile ihrer HDD-Pendants fehlen, können SSDs geräuschlos und effizient betrieben werden, bei minimalem Risiko physischer Schäden. Sie sind zwar nicht ebenso langlebig, können aber bis zu 5 Jahre halten und eignen sich daher weniger gut für Archivierung und Langzeitspeicherung. Sie sind schneller und kompakter als HDDs, aber deutlich teurer und haben tendenziell eine geringere Kapazität.
Optische Laufwerke (CD oder DVD)
Optischer Speicher ist ein Sammelbegriff für Speicher, der Laser verwendet, um Daten auf optischen Medien wie CDs, DVDs und Blu-ray-Discs zu speichern und abzurufen. Die meisten optischen Speichermedien können gelesen und beschrieben werden, sodass sich neue Informationen wiederholt von ihrer Oberfläche löschen und darauf brennen lassen; dafür ist jedoch ein spezielles Laufwerk erforderlich.
Ein optisches Laufwerk arbeitet, indem es einen energiearmen Laserstrahl aussendet, der die Oberfläche des rotierenden optischen Speichermediums abtastet. Wie schnell der Schreib- und Lesevorgang abläuft, hängt von der Rotationsgeschwindigkeit der Disc ab. Auf mikroskopischer Ebene weisen optische Discs Rillen und Erhebungen auf, die das optische Laufwerk anhand der Reflexion des Lasers an ihrer Oberfläche erkennen kann.
Bandlaufwerke
Bandlaufwerke sind dauerhafte, nichtflüchtige Datenspeichergeräte zur Langzeitspeicherung, die Magnetbänder zum Speichern, Lesen und Schreiben von Datenbits verwenden. Sie bestehen aus einer äußeren Hülle, die eine Schlaufe aus flexiblem Material schützt, auf der die Daten gespeichert sind. Ähnlich wie auf optische Speicher kann auf Bandspeicher nur mit spezieller Ausrüstung zugegriffen werden. Bandlaufwerke verwenden lineare Bandtechnologie oder einen Schrägspur-Scan, um die magnetischen Markierungen auf dem Band zu lesen.
Bandlaufwerke eignen sich ideal für die Langzeit- und Archivspeicherung, da ein durchschnittliches Gerät bis zu 30 Jahre halten kann. Sie sind außerdem kosteneffizient und einfach zu warten und daher für die Aufbewahrung großer Datenmengen geeignet. Allerdings sind sie sperrig und außerordentlich langsam: Das Laufwerk muss zurückspulen und die gesamte Bandlänge durchlaufen, um eine bestimmte Stelle zu erreichen und Daten daraus abzurufen – anders als HDDs und SSDs, auf die effizienter zugegriffen werden kann.
Speicher-Arrays
Speicher-Arrays, auch Disk-Arrays genannt, bestehen aus einer Gruppe schnell rotierender HDDs, SSDs oder einer Kombination beider Speichertypen und werden meist zum Speichern objekt-, datei- oder blockbasierter Daten verwendet. Sie sind die gängigste Alternative zum Serverspeicher, da Arrays mehrere Laufwerke zu einem einzigen, groß angelegten Datenspeichersystem mit zentraler Verwaltung verbinden.
Speicher-Arrays können Petabytes an Daten gleichzeitig speichern und zuverlässig verwalten. Sie machen die Daten sowohl für lokale Clientknoten als auch für entfernte Computer über eine Anwendungsprogrammierschnittstelle (API) oder ein dediziertes grafisches Bedienfeld (GUI) zugänglich. Speicher-Arrays werden von Organisationen, Unternehmen und Konzernen mit großen Datenmengen eingesetzt, die zentral verwaltet, aber von mehreren Nutzern aus der Ferne abgerufen werden müssen.
Network Attached Storage
Network Attached Storage oder NAS ist ein dateibasierter Speicher, der mit einem größeren Computernetzwerk verbunden ist und einer Vielzahl von Nutzern Zugriff bietet. NAS wird zwar überwiegend von großen Unternehmen und Konzernen genutzt, kann aber an die Bedürfnisse eines kleinen Teams von Fachkräften angepasst werden. Es eignet sich ideal für Situationen, in denen mehrere Geräte gleichzeitig auf dieselben Daten zugreifen müssen. Auch für die Zusammenarbeit ist NAS gut geeignet, da es nur die jeweils aktuelle Version einer Datei bereitstellt.
Cloud-Speicher
Beim Cloud-Speicher werden Daten aus der Ferne auf Servern gespeichert, auf die von überall und mit jedem Gerät über eine Internetverbindung zugegriffen werden kann. Er wird von Unternehmen und Privatpersonen häufig genutzt, um Daten und Dateien zu speichern, auf die regelmäßig zugegriffen werden muss, ohne sie lokal oder auf einem externen Speichermedium mitführen zu müssen.
Was ist der Unterschied zwischen Primär- und Sekundärspeicher?
Wenn die CPU des Computers direkt mit einem Datenspeicher kommuniziert, gilt dieser als Primärspeicher und ist für die Funktion und den Betrieb des Geräts unverzichtbar. Der Sekundärspeicher umfasst dagegen verschiedene Arten von Speichergeräten, auf die die CPU nicht direkt, sondern über den Primärspeicher zugreift. Hier sind einige weitere wichtige Unterschiede:
- Flüchtigkeit –RAM gilt als flüchtiger Speicher: Alle Daten werden gelöscht, wenn die Hardware ihre Stromversorgung verliert. Der Sekundärspeicher kann seine Daten hingegen auch nach einem Stromausfall behalten.
- Geschwindigkeit –Der Primärspeicher muss schnell sein, um mit der Geschwindigkeit des CPU-Kerns Schritt zu halten. Der Sekundärspeicher ist dagegen vergleichsweise langsamer und nicht für den direkten Zugriff durch die CPU geeignet.
- Kosten –Da Primärspeicher auf eine besonders hohe Geschwindigkeit ausgelegt ist, ist er auch teuer und wird mit geringeren Speicherkapazitäten verkauft. Ein einzelnes Sekundärspeichergerät kann dagegen eine Größe von mehreren Terabytes erreichen und dennoch erschwinglich sein.
Unterschiede zwischen flüchtigem und nichtflüchtigem Speicher
Flüchtiger Speicher benötigt Strom, um gespeicherte Informationen zu erhalten. Wird ein Computer ausgeschaltet oder fällt der Strom aus, gehen alle im flüchtigen Speicher abgelegten Daten verloren. Flüchtiger Speicher ist in der Regel schneller als nichtflüchtiger Speicher. In ihm werden Daten gespeichert, auf die schnell zugegriffen werden muss – etwa das Betriebssystem, laufende Anwendungen und die von diesen Anwendungen verwendeten Daten.
Das wichtigste Merkmal flüchtigen Speichers ist sein vorübergehender Charakter. Er wird für Daten verwendet, auf die sofort zugegriffen werden muss, die aber nicht dauerhaft gespeichert werden müssen. Flüchtiger Speicher ermöglicht außerdem einen schnellen Datenzugriff und eignet sich daher ideal für Aufgaben, die eine rasche Datenverarbeitung erfordern.
Nichtflüchtiger Speicher kann gespeicherte Informationen auch ohne Stromversorgung erhalten. Ein wichtiges Beispiel für nichtflüchtigen Speicher ist die Festplatte eines Computers, auf der Daten gespeichert werden, auf die nicht schnell zugegriffen werden muss – etwa Dateien, das Betriebssystem, Anwendungen und Software. Nichtflüchtiger Speicher zeichnet sich dadurch aus, dass er Daten auch ohne Stromversorgung bewahren kann. Er ist jedoch in der Regel langsamer als flüchtiger Speicher, da er nicht für schnellen Datenzugriff ausgelegt ist.
Fazit: Die verschiedenen Arten von Computerspeicher verstehen
Technologie ist sowohl für die kurz- als auch für die langfristige Speicherung auf viele Arten von Computerspeicher angewiesen. Einige sind für den schnellen Zugriff ausgelegt, während andere größere Datenmengen über längere Zeit kostengünstiger speichern sollen. Wer die Unterschiede zwischen den verschiedenen Arten sowie ihre Anwendungen und Anwendungsfälle versteht, kann die eigene Datenspeicherung und Datenverwaltung besser optimieren.
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