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Der Unterschied zwischen Hauptspeicher und Massenspeicher

Hauptspeicher und Speicher sind zwar verbunden, haben aber getrennte Rollen. Memory erfüllt die Anforderungen temporärer Datenzugriffe, und Storage speichert Daten langfristig.

Die Begriffe Arbeitsspeicher (auch Hauptspeicher, Memory oder Primärspeicher) und Speicher (Storage, Massenspeicher) beziehen sich beide auf den internen Speicherplatz eines Computers. Hauptspeicher ist der Ort, an dem eine Anwendungdie Daten ablegt, die sie während der Verarbeitung verwendet. Ein Speicherlaufwerk (Drive) ist ein Laufwerk, auf dem Daten zur lang- oder kurzfristigen Aufbewahrung abgelegt werden. Speicher wird zudem auch als Massenspeicher bezeichnet, da mittlerweile selbst einzelne Laufwerke mehrere TByte an Daten aufnehmen können.

Das Speicherlaufwerk war traditionell eine Festplatte, aber SSDs mit Flash-Speichermodulen werden heute üblicherweise als primärer Massenspeicher verwendet. Der Arbeitsspeicher, der oft als RAM (Random Access Memory) bezeichnet wird, ist schneller als Platten- oder Flash-Speicher, aber er ist in der Regel auch teurer auf einer Pro-Gigabyte-Basis.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen Hauptspeicher und Storage besteht darin, was mit den Daten geschieht, wenn das System abgeschaltet wird. RAM ist im Allgemeinen flüchtig (volatil), das heißt die Daten bleiben nur so lange erhalten, wie das Betriebssystem läuft. Speichergeräte sind in der Regel nicht flüchtig (non-volatil), das heißt sie behalten Daten auch dann, wenn das System ausgeschaltet ist.

Die Grenze zwischen Memory und Storage verwischt bei Techniken wie Paging, auch als Swap Space bekannt. Swap Space ist ein Teil des Speicherlaufwerks, der in Hauptspeicher umgewandelt wird, damit das Betriebssystem Anwendungen und Daten aus dem aktiven Memory auf das Laufwerk auslagern kann. Auf diese Weise fungiert das Speicherlaufwerk als aktiver Hauptspeicher, der langsamer als der RAM-Speicher des Systems ist, aber zur Schaffung größerer virtueller Memory-Bereiche verwendet werden kann. Die meisten Betriebssysteme schaffen einen Swap- oder Paging-Bereich, der dem zweifachen des RAM-Speichers auf einem Computer entspricht.

Was ist Memory?

RAM ist die Hauptspeicherhardware in einem Computer, in der das Betriebssystem, die Anwendungen und Daten zur Verarbeitung aufbewahrt werden. Wenn ein Computer hochfährt, lädt er diese Dateien in den RAM-Speicher, normalerweise von den Speichermedien. Wenn der Computer ausgeschaltet wird oder den Strom verliert, kehren die Dateien wieder in den Massenspeicher zurück.

RAM fungiert als Kurzzeitspeicher des Computers. Es kann viel schneller gelesen und beschrieben werden als Festplatten, SSDs und andere Arten von Laufwerken, die zur Speicherung verwendet werden. Die CPU des Computers ist auf den Hauptspeicher angewiesen, um schnell die Daten und Anwendungen zu erhalten, die sie zum Funktionieren benötigt.

Die Grenze zwischen aktivem Memory und Storage verschwimmt nicht nur immer mehr, sondern verschwindet sogar ganz.

RAM besteht aus Mikrochips, die zu Memory-Modulen zusammengefasst sind. Diese Module werden in die Hauptplatine eines Computers eingesteckt und über einen Bus mit der CPU verbunden. Die Menge an RAM auf einem Computer ist im Vergleich zur Speichermenge normalerweise klein. Wenn ein Computer seinen gesamten freien Hauptspeicher verbraucht, muss der Prozessor alte Daten aus dem RAM zurück in den Speicher kopieren und durch neue Daten ersetzen. Dieser Vorgang verlangsamt den Betrieb des Computers, aber die meisten Rechner verfügen über zusätzliche Steckplätze, um mehr RAM zur Lösung dieses Problems hinzuzufügen.

Der Primärspeicher eines Computers besteht in der Regel aus dynamischen RAM (DRAM)-Modulen. Computer verfügen auch über Cache-Memory für die Hochgeschwindigkeitsdatenverarbeitung, die aus leistungsstärkeren statischen RAM (SRAM)-Modulen bestehen, die schneller als DRAM sind. Häufig verwendete Befehle und Daten für Hochleistungsoperationen werden in den Cache-Speicher verschoben, der physisch näher an der CPU liegt als DRAM. Der Prozessor kann dann vom SRAM schneller auf Befehls- und Datendateien zugreifen, als wenn sie sich im Primärspeicher befänden. Der Cache-Speicher ist 10 bis 100 Mal schneller als der RAM-Speicher. Er benötigt nur wenige Nanosekunden, um auf eine CPU-Anforderung zu reagieren.

Zu einem Computersystem gehört auch ein Nur-Lese-Hauptspeicher (Read-Only Memory, ROM), in dem Dateien wie System-Firmware oder BIOS-Programme, die nur gelesen werden, im ROM vorgehalten werden. Sie können die Informationen in dieser Art von Speicher in einem Prozess namens Flashing aktualisieren, aber ansonsten können sie vom Computersystem nur gelesen und nicht beschrieben werden. Andere Arten von Hauptspeicher fungieren als Speicherlaufwerke für alles von MP3- und Bilddateien bis hin zu Präsentationen und anderen Daten. Zu diesen Formaten gehören USB-Flash-Laufwerke, CompactFlash-Karten oder Memory Sticks.

Abbildung 1: Die verschiedenen Memory-Typen bieten unterschiedliche Leistungswerte.
Abbildung 1: Die verschiedenen Memory-Typen bieten unterschiedliche Leistungswerte.

Was ist Storage?

Wenn ein Computer nur über RAM verfügen würde, müssten die Benutzer bei jedem Einloggen alle Daten und Anwendungen, die sie nutzen wollen, neu eingeben. Speicher ermöglicht es Computern, die Daten, Anwendungen, Dokumente und andere Materialien, die für den Betrieb des Computers und die Aktivierung von Anwendungen benötigt werden, unbegrenzt vorzuhalten, und sie bleiben auch dann erhalten, wenn die Stromversorgung ausfällt oder der Computer zurückgesetzt wird. Computerspeicher bezieht sich auf die gespeicherten Daten und die Hard- und Software, die zur Erfassung, Verwaltung und Priorisierung der Daten verwendet wird.

Der Speicher auf einem Computer besteht in der Regel aus einem Speichergerät, zum Beispiel einer SSD oder HDD. Festplatten speichern Daten auf magnetisch drehenden Platten und SSDs speichern Daten auf Flash-Speicherchips. Speichergeräte bieten einen nichtflüchtigen Speicher, der es ihnen ermöglicht, Daten auch ohne Stromversorgung und bei ausgeschaltetem Computer zu speichern.

Storage ist im Allgemeinen langsamer als RAM, und HDDs sind langsamer als Flash-basierte SSDs. Im Gegensatz zum RAM ist der Speicher nicht direkt mit der CPU verbunden. Die Schnittstelle, die den Speicher mit der CPU verbindet, wirkt sich auch auf die Speichergeschwindigkeit aus. Die SATA-Schnittstelle ist seit Jahren die Standardschnittstelle für SSDs und HDDs. Das begann sich im letzten Jahrzehnt mit dem Aufkommen der NVMe-Technologie zu ändern. NVMe ist für NAND-Flash optimiert und verwendet eine PCIe-Schnittstelle zur Verbindung von Flash-Speicher und CPU. NVMe-Laufwerke reduzieren die Latenzzeit und liefern höhere IOPS. Laufwerke, die eine PCIe 3.0-Verbindung verwenden, haben Schreibgeschwindigkeiten, die mehr als sieben Mal schneller sind als SATA-Laufwerke. Neben der Geschwindigkeit bieten NVMe-basierte SSDs weitere Vorteile, darunter skalierbare Leistung und Energieeffizienz.

Da der Preis für das in SSDs verwendeten Flash-Memory gesunken ist, sind Solid-State-Laufwerke zur ersten Wahl für primären Massenspeicher geworden. HDDs weisen jedoch nach wie vor Preisvorteile auf und werden für Sekundärspeicher weiterhin stark bleiben. Es wird erwartet, dass Festplatten mit hoher Kapazität, die auf den Technologien SMR, HAMR und MAMR basieren, im Jahr 2020 oder 2021 auf den Markt kommen werden, mit einem Geschwindigkeitsschub durch Multi-Aktuator-Laufwerke, die dazu beitragen werden, dass HDDs weiterhin relevant bleiben.

Andere Arten externen Speichers sind der optische Speicher, der Daten mit einem Laser schreibt und liest, und der Bandspeicher. Diese dienen meist der langfristigen Datenspeicherung beziehungsweise der Archivierung. Zu den optischen Speichern zählen Blu-ray, CD-ROM und DVD.

Das Band (Tape) ist eine Form der magnetischen Speicherung, die einst die gebräuchlichste Speicherart für die Datensicherung war. HDDs und sogar SSDs sind wegen ihrer Leistung und Benutzerfreundlichkeit im Vergleich zu Bändern zur wichtigsten Wahl für die Datensicherung geworden, aber Bänder bleiben wegen ihrer niedrigen Kosten, hohen Kapazität und langfristigen Haltbarkeit für die Archivierung beliebt.

Die Zukunft von Memory und Storage

Die Grenze zwischen aktivem Hauptspeicher und Speicher verschwimmt nicht nur, wie beim Paging, sondern verschwindet ganz. Die Hersteller arbeiten an Technologien, die versprechen, die Geschwindigkeit von RAM mit der Fähigkeit von Flash als nichtflüchtigem Speicher zu kombinieren.  Zu diesen Technologien gehören ferro-elektrischer RAM und magneto-resistiver RAM, aber diejenige, die dem Ziel, sowohl aktives Memory als auch Storage zu sein, am nächsten kommt, ist der Phase Change Memory (PCM). Intel und Micron Technology haben die 3D XPoint-Technologie entwickelt, um die Leistungslücke zwischen DRAM und NAND-Flash zu schließen. 3D XPoint basiert auf PCM mit einer transistorlosen Kreuzpunkt-Architektur, die Selektoren und Memory-Zellen an den Schnittpunkt von senkrechten Drähten setzt.  Intel hat 3D XPoint-basierte SSDs, Hauptspeicher und Dual In-Line Memory Modul (DIMM)-Karten unter seiner Marke Optane auf dem Markt. Intel gibt an, dass frühe Tests seiner kommenden SSDs der zweiten Generation eine durchschnittliche Lese-E/A-Latenzzeit von etwa 10 Mikrosekunden bis zu einer Last von mindestens 800.000 IOPS aufrechterhalten würden. Im Jahr 2019 brachte Micron seine erste 3D XPoint SSD auf den Markt, die nach eigenen Angaben dreimal schneller als NAND ist, eine 11-mal geringere Latenz aufweist und bis zu 2,5 Millionen IOPS und eine Lese-/Schreibbandbreite von 9 GBps unterstützt.

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