Computerhardware: Speicher: Geschichte

Lochstreifen

Lochstreifen wurden bereits im 18. Jahrhundert für die Steuerung von Webstühlen, Klavieren und anderen Geräten verwendet.

Die nächste bedeutende Anwendung für Lochstreifen waren die Fernschreiber. Fernschreiber wurden nach dem ersten Weltkrieg entwickelt. Als die Auslastung der Telegrafenleitungen stieg, wurden die Fernschreiber mit Lochstreifenlesern und -stanzern ausgestattet, um Nachrichten Offline vorbereiten und schnell versenden zu können. Mit 5 Bit kann man 32 Zeichen verschlüsseln. Für die wenigen in Telegrammen erlaubten Zeichen genügten 5-Kanal-Lochstreifen.

Später wurde diese bewährte Technik für Computer verwendet, allerdings in einer Ausführung mit acht Kanälen.

Diskettenlaufwerke und Festplatten gab es in den 60er Jahren noch nicht beziehungsweise sie waren nicht bezahlbar. So wurde die bewährte Lochstreifentechnik als Computer-Massenspeicher verwendet. Meist kamen 8-kanalige Lochstreifen zum Einsatz. 4.000 Byte passten auf einen 10 m langen Streifen. Für den Betrieb des Computers wurden mindestens drei Lochstreifen benötigt:

Der Streifen mit dem Betriebssystem wurde nach dem Einschalten des Computers eingelesen.
Der nächste Streifen enthielt das Anwendungsprogramm.
Die zu bearbeitenden Daten befanden sich auf einem weiteren Streifen.

Für die Datenausgabe war ein Lochstreifenstanzer angeschlossen.

Der Umgang mit Lochstreifen war umständlich und Bandsalat war häufig. Gerissene Streifen mussten aufwändig zusammengeklebt werden. Für große Datenmengen waren Lochstreifen ungünstig, weil bei jeder Veränderung der gesamte Streifen in voller Länge neu gestanzt werden musste. Manchmal genügte es, einzelne Löcher mit einem Handlochgerät nachzustanzen oder einen Teil des Lochstreifens herauszuschneiden und dorthinein einen geänderten Teil hineinkleben. Das setzte allerdings voraus, die entsprechende Stelle auf dem langen Band lokalisieren zu können.

Lochkarten

Lochkarte, 18,7 cm × 8,3 cm, 0,17 mm dick

Schon im 18. Jahrhundert wurden lochkartengesteuerte Webstühle gebaut (Jacquard-Webstuhl), auch automatische Klaviere und Drehorgeln wurden gebaut. Lochkarten wurden zur Auswertung der elften amerikanischen Volkszählung im Jahre 1890 von dem amerikanischen Ingenieur Hollerith entwickelt und eingesetzt. Im folgenden wurden sie auch für andere Daten verwendet. Lochkarten konnten mit mechanischen Geräten (Hollerit-Maschinen) automatisch sortiert werden, womit statistische Auswertungen von Massendaten möglich wurden.

Eine Lochkarte hat 80 Spalten für 80 alphanumerische Zeichen. Für die Kodierung jedes Zeichens standen 12 Lochpositionen zur Verfügung. Ziffern wurden mit einem einzelnen Loch in der entsprechenden Zeile codiert. Sollte ein Buchstabe oder Sonderzeichen dargestellt werden, wurden mehrere Löcher in die Spalte gestanzt. Die Lochkarten wurden an Stanzmaschinen mit Schreibmaschinentastatur erstellt. Die komfortableren Stanzmaschinen druckten das dargestellte Zeichen zur besseren Lesbarkeit auf den oberen Rand der Karte.

Lochkarten waren einfacher zu benutzen als die früher üblichen Lochstreifen. Einen Lochstreifen zu ändern war äußerst mühsam. Um kleine Änderungen in den Daten oder im Programm vorzunehmen, war es viel einfacher, lediglich eine Lochkarte oder einige wenige Karten im Kartenstapel auszutauschen.

Die ersten Großcomputer von IBM und anderen Herstellern wurden mit Lochkartentechnik ausgestattet. Die Technik war ja ausgereift. Der Lochkartenstapel wurde im Rechenzentrum abgegeben und in die EDV-Anlage eingelesen. Lochkartenstapel von mehreren tausend Karten waren keine Seltenheit. Die Ausgabe der Berechnungsergebnisse erfolgte meist auf Drucker, manchmal zusätzlich auf Lochkarten. Die schreibtischgroßen Lochkarten-Stanzmaschinen machten einen unbeschreiblichen Lärm.

Trommelspeicher

Die frühen Computer der 50er Jahre hatten nur wenige Byte RAM für Daten und Programme: Die dafür verwendeten Elektronenröhren waren teuer, anfällig und kurzlebig. Die ständig geheizten Glühdrähte verursachten einen hohen Energieverbrauch. In den 50er Jahre kam als Alternative der Trommelspeicher (englisch: drum memory) zum Einsatz. Der Trommelspeicher wurde schon 1932 in Österreich erfunden und patentiert.

Die Oberfläche einer ständig rotierenden Trommel ist mit Magnetmaterial beschichtet. Die Oberfläche ist in Spuren eingeteilt, wobei zu jeder Spur ein eigener Magnetkopf zum Schreiben und Lesen gehört. Im Unterschied zur später entwickelten Festplatte fällt die Positionierzeit weg. Die Zugriffszeit hängt von der Umdrehungsgeschwindigkeit der Trommel ab und erreichte 10 ms bei einer Datenrate von 10 Mbit/s. Große Trommeln konnten einige Megabyte speichern.

Magnetkernspeicher

In den späten 50er Jahren begann die Ablösung der Trommelspeicher durch Magnetkernspeicher. Ein Kernspeicher ist schneller und kommt ohne bewegte Teile aus. Die Magnetkerne konnten in zwei Richtungen magnetisiert werden. Der Trick dabei: Das Magnetmaterial hatte eine stark nichtlineare Kennlinie. Es wurde ein gewisser Mindeststrom benötigt, um den Kern umzumagnetisieren. War der Strom etwas schwächer als das Minimum, reagierte der Kern nicht. Im stromlosen Zustand konnte die Information Jahre überdauern.

Ein 1024-Bit-Speicher (2¹⁰ Bit) wurde aus einer 32 x 32 Matrix gebildet. Für eine 8-Bit-CPU stapelte man acht Speicherplatinen übereinander. Durch jeden Kern führten eine waagerechte und eine senkrechte Schreibleitung. Es werden also 32 plus 32 präzise steuerbare Stromquellen benötigt. Wenn ein bestimmter Kern beschrieben werden soll, müssen durch die Zeilen- und Spaltenleitung dieses Kerns gleichzeitig ein genau bemessener Strom geschickt werden. Jeder einzelne der beiden "Halbströme" ist zu schwach, um einen Kern umzumagnetisieren. Doch in dem einen Kern, wo sich die Leitungen kreuzen, reicht der Summenstrom für dessen Ummagnetisierung, alle anderen stromdurchflossenen Kerne änderten ihren Magnetisierungszustand nicht.

Durch alle Kerne ist eine diagonale Leseleitung gefädelt. Um die gespeicherte Information zu lesen, wird in den Kern eine "Null" geschrieben. Wenn vorher eine "Eins" gespeichert war, wird beim Ummagnetisieren ein Spannungsimpuls in der Leseleitung erzeugt. War vorher eine "Null" gespeichert, wird kein Impuls induziert.

Ebenso wie bei den aktuellen DDR-Speichern wird die gespeicherte Information durch den Lesevorgang zerstört. Die Information muss sofort nach dem Lesen in den Kern zurückgeschrieben werden.

Die Fertigung war aufwändig: Durch jeden Kern müssen drei Drähte gefädelt werden. Die Kerne wurden immer kleiner: das verringerte den Energiebedarf und steigerte die Geschwindigkeit, aber das Fädeln wurde schwieriger. Die Kosten von anfangs etwa einem Dollar pro Datenbit sanken auf ca. 0,01 Dollar pro Datenbit, bis die Kernspeicher in den frühen 1970er Jahren durch Halbleiter-RAM abgelöst wurden.

Magnetbänder

Die Lochkarten wurden in den Rechenzentren durch Magnetbänder ersetzt. Die Bandmaschinen, groß wie ein Schrank, konnten viel mehr Daten erheblich schneller lesen und schreiben. An den Wänden wurden bis zur Decke reichende Regale für die Bänder aufgestellt, und bald wurden die Wände knapp.

Diese Bandgeräte waren Wunderwerke der Technik. Das Band wurde mit 3 m/sek am Magnetkopf vorbeigezogen. Die Lücke zwischen zwei Datensätzen auf dem Band betrug 12,7 mm, was 4 Millisekunden entspricht. Die Bandmaschinen schafften es im Start-Stopp-Betrieb, das Band nach dem Lesen eines Datensatzes aus voller Geschwindigkeit in der Mitte der winzigen Lücke zum Stillstand zu bringen. Wenn der nächste Lesebefehl eintraf, musste die restlichen halbe Lücke ausreichen, um das Band auf volle Geschwindigkeit zu bringen. Wenn diese Beschleunigung nicht nur zwei Millisekunden, sondern zwei Sekunden gedauert hätte, hätte das Band Schallgeschwindigkeit erreicht. Also von Null auf 1235 km/h in zwei Sekunden! Doch es war unmöglich, die ganze, etwa 3 kg schwere Bandrolle derart schnell zu beschleunigen. Damit das Band durch die hohen Start- und Bremsbeschleunigungen nicht zerrissen oder gedehnt wird, wurden vor und hinter der aktuellen Bandposition zwei Meter Bandschlinge in Unterdruckschächten bereitgehalten. Diese aufwändige Technik machte die Bandmaschinen sehr wartungsintensiv und sie mussten häufig justiert werden.

Auch heute kommen noch Magnetbänder zum Einsatz, vor allem für Backups und zur Archivierung. Moderne Bänder speichern einige tausend Gigabyte für einige Jahre. Wenn die Nachteile (langes Spulen bis zum Auffinden der Information) in Kauf genommen werden können, sind die Materialkosten pro Bit unübertroffen. Sogenannte "Tape Libraries" können die Bandrollen mit einem Roboterarm automatisch wechseln. Damit sind gegenwärtig Speicherkapazitäten von einigen Petabytes möglich.

Quellen

To-Do:

Ergänzen: Verwendung der Magnetbänder damals (statt Festplatte) und heute (Backup und Archivierung)

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