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17.01.1986 - 

In den letzten 50 Jahren überschlug sich die Entwicklung, aber:

Speicherkapazitäten noch nicht ausgereizt

Die Entwicklung der Massenspeicher für Datenverarbeitungsanlagen ist direkt gekoppelt mit dem technologischen Fortschritt der Computertechnik und dem daraus resultierenden Bedarf nach größeren und schnelleren Massenspeichern. Erst 50 Jahre sind seit dem ersten Einsatz von programmierbaren Rechenanlagen und weniger als 40 Jahre seit dem Aufkommen der ersten rotierenden Magnetspeicher vergangen. Man kann beobachten, daß sich in diesem Zeitraum die Leistungsfähigkeit der Speichergeräte alle zehn Jahre um den Faktor 25 gesteigert hat. Diese Entwicklung wird auch in den nächsten 15 bis 20 Jahren anhalten. Rotierende Massenspeicher behalten auch im Jahre 2000 ihre dominierende Rolle in der Datenverarbeitung.

Der erste arbeitsfähige digitale Röhrenrechner, für den der Begriff "Computer" verwendet wurde, war der in den USA entwickelte "Electronic Integrator And Computer" - Eniac. Er wurde 1945 in Dienst gestellt.

Mit dem Einsatz derartiger "schneller Rechenanlagen wuchs der Bedarf an leistungsfähigen Massenspeichern. Während die Firma Sperry Rand für ihren "Universal Automatic Computer" Univac I noch 100 Quecksilber-Verzögerungsleitungen für 1000 Speicherplätze zu je zwölf Dezimalstellen einsetzte (das sind zirka 60 000 Bits nach heutiger Rechnung) wurden bei den ersten IBM-Computern bereits Magnettrommeln mit 8192 Speicherplätzen zu je 36 Bits, entsprechend etwa 250 000 Bits Kapazität, verwendet (IBM 706 Electronic Data Processing Machine).

Band- und Plattenspeicher stellten Trommel ins Abseits

Der erste in größeren Stückzahlen gefertigte Magnettrommel-Rechner IBM 650 (es waren 1500 Stück im Einsatz) speicherte die Daten auf Magnettrommeln mit einer Kapazität von zirka 160 000 Bits und einer Speicherdichte von 1280 Bit pro Quadratzoll. IBM gab allerdings die Weiterentwicklung von Magnettrommelspeichern zugunsten von Magnetband- und Magnetplattenspeichern sehr bald auf, da die Firma Sperry Rand Univac Grundlagenentwicklungen und Patente auch für die IBM-Trommelspeicher von der Firma ERA (Engineering Research Associates, St. Paul/Minn.) erworben hatte.

Sperry Rand Univac und andere Computerfirmen setzten die Entwicklung auf dem Gebiet der Magnettrommelspeicher fort, um entsprechend schnelle und zuverlässige Großraumspeicher für die Computer der zweiten Generation, die Halbleiterrechner, zur Verfügung zu haben. Da die Verarbeitungsgeschwindigkeit gegenüber den Röhrenrechnern wieder um den Faktor 1000 gestiegen war und die Rechenzeiten im Mikrosekundenbereich lagen, mußten auch die rotierenden Massenspeicher sowohl kürzere Zugriffszeiten als auch höhere Speicherkapazitäten aufweisen. So wurden bis 1960 Zugriffszeiten von 4,2 Millisekunden (bei zwei Megabit Kapazität) durch Erhöhung der Drehzahl und Speichervolumen von 200 Megabit bei einer Zugriffszeit von 300 Millisekunden erreicht.

Die ersten Magnetplattenspeicher wurden von IBM ab 1957 mit dem Random Access Memory Accounting Computer (RAMAC) angeboten. Auf dem festmontierten Plattenstapel von 50 magnetisch beschichteten Scheiben konnten etwa fünf Millionen Zeichen (oder 40 Megabit) gespeichert werden. Der Durchmesser der Scheiben betrug 19 Zoll. Die Magnetköpfe wurden durch Druckluftkissen in konstantem Abstand von der Speicherschicht gehalten. Die Bewegung der Köpfe über die einzelnen Spuren und zu den einzelnen Platten erfolgte durch pneumatisch/ hydraulisch gesteuerte Vorrichtungen. Die mittleren Zugriffszeiten lagen in Anbetracht der großen Transportwege des Kopfträgers wie bei den Großtrommelspeichern im Bereich von 0,4 Sekunden.

Burroughs brachte in den 60er Jahren einen Großraum-Plattenspeicher heraus, bei dem für jede Informationsspur ein Schreib-/Lese-Kopf montiert war. Insgesamt konnten auf vier Platten 2,4 Millionen Zeichen oder zirka 20 Megabit bei einer mittleren Zugriffszeit von 20 Millisekunden gespeichert werden. Hier handelte es sich also um eine Variante einer Magnettrommel als Scheibenspeicher.

Die ersten Magnetbandgeräte für Datenverarbeitungsanlagen wurden von H. H Aiken bereits 1950 in seinem Rechner Mark III eingesetzt. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit derartiger Geräte lag zu Anfang bei 40 bis 130 Zeichen pro Sekunde, die Aufzeichnung erfolgte zunächst im 7-Spur-, später im 9-Spur-Verfahren. Als Medium setzte sich sehr schnell das ?-Zoll-Kunststoffband mit Ferritbeschichtung durch. Da das Magnetband (im Gegensatz zu den rotierenden Speichern) am Schreib-/Lese-Kopf aufliegt, konnten schon zu Anfang der Entwicklung gegenüber den Magnetplattenspeichern recht hohe Aufzeichnungsdichten von 500 Bit pro Zoll erreicht werden.

Seit dem Einsatz der ersten magnetischen Massenspeicher vor etwa 40 Jahren haben sich die Anforderungen für Peripheriegeräte moderner Rechenanlagen erheblich gesteigert. Mitbestimmend ist natürlich auch die in Großrechenanlagen erzielbare Rechengeschwindigkeit die nun in MIPS (Millionen Instruktionen pro Sekunde) gemessen wird. Es ist daher notwendig, auch die Speichereinheiten mit verbesserten Eigenschaften zu entwickeln, wobei unter anderem de folgenden Parameter zu berücksichtigen sind:

- Speicherkapazität/Speicherdichte,

- Zugriffszeit,

- physikalische Abmessungen,

- Energieverbrauch und Wärmeerzeugung,

- Fehlerrate (Bit Error Rate, BER)

- Störanfälligkeit

- Kosten (Preis/MB).

Bestimmend für die meisten Faktoren ist die erreichbare Speicherkapazität pro Fläche, gemessen in Bit pro Quadratmilimeter oder in Bit pro Quadratzoll. Mitte der 50er Jahre erreichte man Speicherdichten von 1000 Bit pro Quadratzoll. In der heute verbreiteten Winchester-Technologie ist man bereits bei 24 Millionen Bit pro Quadratzoll angelangt.

In zehn Jahren, also Mitte der 90er Jahre, wird man Speicherdichten von 800 bis 1000 Millionen Bit pro Quadratzoll erreichen. Diese Steigerung wird erreicht durch verbesserte Speicherschichten. Wahrend zu Beginn der Entwicklung die Magnetschicht im Streich- oder Sprühverfahren auf die Trägerschicht aufgebracht wurde, konnte bereits durch Tauchverfahren in den 60er Jahren die Verteilung der einzelnen Magnetpartikel über die gesamte Speicherschicht verbessert werden. Eisenoxyd-Emulsionen nach neuesten Formeln (ein besonders streng gehütetes Geheimnis der einzelnen Hersteller) ergeben eine gleichmäßige Beschichtung bei entsprechend glatter und fehlerfreier Plattenoberfläche. Speicherfehler von maximal einem auf eine Million gespeicherter Bytes sind heute erzielbar.

Diese hohe Speicherdichte wird erreicht, weil der Abstand zwischen Kopf und Medium von 0,1 Millimeter in 1960 auf 0,001 Millimeter in 1975 und auf 0,0003 Millimeter bei heutigen Geräten verringert werden konnte. Es ist zu erwarten, daß zukünftige Produkte in etwa zehn Jahren mit Flughöhen Kopf/Medium von 0,00017 Millimetern und im Jahre 2000 mit solchen von 0,00013 Millimetern arbeiten werden. Damit ist dann aber auch die Grenze dieser Technologie vorgezeichnet, denn die zuletzt genannte Distanz entspricht nur noch der doppelten Größe eines Luftmoleküls.

In bezug auf zukünftige Entwicklungen ist die heutige 3380-Technologie bereits als technisch überholt anzusehen, werden hier doch noch ferritbeschichtete Speicherplatten und Dünnfilmköpfe der ersten Generation eingesetzt. Das Luftpolster von zirka 0,003 Millimetern wird gebildet durch eine Art Katamaran-Schlitten als Teil des Dünnfilmkopfes. Es ist notwendig, durch entsprechende Federkräfte dem Auftrieb des Kopfes weg von der Plattenoberfläche entgegenzuwirken.

Kein Eisenoxid mehr auf der Oberfläche

Die Plattenoberfläche der Zukunft besteht nicht mehr aus Eisenoxid (Fe2O3), sondern aus Materialien, die im Plattierungs- oder Sputtering-Verfahren aufgebracht werden. Das Speichermaterial ist dann Nickel/Kobalt oder Kobalt/Chrom, wodurch eine gleichmäßigere Verteilung der einzelnen Speicherelemente über die gesamte Plattenoberfläche erreicht wird.

Die erforderliche Erhöhung der Speicherdichten wird bei diesen neuen Speichermaterialien durch zwei neue Verfahren erzielt, die sich bereits heute in Laborversuchen bewahrt haben und in den nächsten drei bis fünf Jahren fertigungsreif sein dürften.

Die Grenzen der herkömmlichen Longitudinal-Aufzeichnung sind durch die physikalischen Abmessungen der einzelnen magnetisierbaren Partikel gegeben. In der 3380-Technologie werden Aufzeichnungsdichten von 2000 Bit pro Millimeter erreicht. Zukünftige vertikale Aufzeichnungsverfahren lassen eine Speicherdichte von 20 000 Bit pro Millimeter, das heißt eine um den Faktor zehn vergrößerte Dichte erwarten. Die Grenze der vertikalen Aufzeichnung ist durch die Abmessungen der einzelnen Magnetkristalle gegeben, die wie Stäbchen senkrecht zur Plattenoberfläche angeordnet sind. Der Durchmesser eines solchen Stäbchens beträgt nur noch zehn Mikrometer (0,00001 Millimeter).

Die Weiterentwicklung der Speichertechnik mit verbesserten Speicherplatten, Köpfen und Kopfpositioniereinheiten (Linear- und Rotary-Actuator) läßt absehen, daß Plattenlaufwerke trotz kleinerer physikalischer Abmessungen mit Eigenschaften ausgestattet sein können, wie sie bisher nur von den großen - klassischen 14-Zoll- - Geräten bekannt sind. Speicherkapazitäten von 1000 MB (1 GB) bei 8-Zoll-Winchester-Geräten und 300 bis 500 MB bei 5?-Zoll-Winchester-Geräten werden in den nächsten Jahren verbreitet sein.

Die ähnlich wie Dünnfilmköpfe herzustellenden modularen Positioniereinheiten werden es auch ermöglichen, die Anzahl der gespeicherten Spuren pro Zoll wesentlich zu erhöhen und damit die Möglichkeiten der neuen Aufzeichnungsverfahren voll auszunutzen. Bei der 3380-Technologie werden Werte von 1200 bis 1500 Tpi (Tracks per Inch) erreicht. Mit modularen Positionierern lassen sich diese Werte auf 5000 bis 6000 Tpi erhöhen.

Da die Speichergeräte der Zukunft vorwiegend in automatisierten Prozessen hergestellt werden und unter Verwendung von höchstintegrierten Bauteilen (Very Large Scale Integrated, VLSI) nur noch aus wenigen Komponenten bestehen, sind hohe Zuverlässigkeitsraten von 30 000 bis 50 000 Betriebsstunden der Stardard der nächsten zwei Jahrzehnte. Das bedeutet, daß ein solches Gerät während der Lebensdauer der Datenverarbeitungsanlage ohne Störung arbeiten wird. Dadurch ist es möglich, ganz andere Systemkonzepte zu entwickeln: Die tägliche oder zumindest in kürzeren Abständen erforderliche Sicherungsspeicherung (Backup) für den eventuellen Ausfall der Speichereinheit tritt gegenüber dem "Archivierungs-Backup" in den Hintergrund.

Bekanntlich hat IBM seit Beginn der 70er Jahre keine Wechselplattenspeicher mehr angeboten. Das Konzept hieß: Winchestertechnologie und Backup durch Spulenbandgeräte. Allerdings entstand durch die gewaltige Vergrößerung der Speicherkapazität der 3350- und 3380-Laufwerke (650 beziehungsweise 1300 GB) ein Mißverhältnis zu den Speicherkapazitäten von transportablen Datenspeichern, hier also zu Geräten mit 2400-Feet-?-Zoll-Magnetbandspulen mit Speicherkapazitäten von 100 bis 200 MB.

Die Entwicklung der Magnetbandtechnologie ist aber keinesweg am Ende der Leistungssteigerung angelangt: Die Schreibdichte von 500 Bit pro Zoll auf einem Sieben-Spur-Band der 60er Jahre wurde Ende der 70er Jahre auf 6250 Bit pro Zoll und neun Spuren pro ?-Zoll-Band erweitert. Neuere Entwicklungen lassen jedoch eine Verdoppelung beziehungsweise Vervierfachung dieser Schreibdichten erwarten. Hierfür sind ebenso Dünnfilmköpfe entwickelt worden die wegen ihrer kleineren physikalischen Abmessungen auch 18 Spuren pro ?-Zoll-Band möglich machen.

Die Verwendung neuer Technologien läßt schon heute Kapazitäten auf einer taschenbuchgroßen Magnetbandkassette von 200 bis 300 MB zu. Für diese kompakten Speichermedien werden bereits Laufwerke in der Größe der bekannten 5?-Zoll-Winchester-Plattenspeicher entwickelt, die dann die obengenannten 5?-Zoll-Kassettenbandgeräte ablösen werden.

Für die Magnetbandgeräte der neuen Generation bieten sich zwei Arten von Anwendungen an:

- Preiswerte Geräte, bei denen die Information bitweise in einer Spur seriell geschrieben und gelesen wird - Geräte, bei denen die Information Byte- beziehungsweise 2-Byte-weise parallel geschrieben und gelesen wird. Dadurch ergeben sich gegen über den obengenannten Bit-seriellen Geräten um den Faktor 16 höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten.

Das bedeutet, daß Spulen-Magnetbandgeräte der bisherigen Generation, die mit Bitdichten von 6250 Bit pro Zoll zwar noch nicht ihre technische Grenze erreicht haben, aber wegen der Baugröße und den damit unvermeidlich hohen Herstellkosten durch Kassettenspeicher mit hoher Kapazität verdrängt werden.

Vertikale Speicherung kommt beim Magnetband

Es kann als gesichert angesehen werden, daß das Verfahren der vertikalen Speichertechnik in der Magnetbandtechnologie eingesetzt werden wird. Es erscheint möglich dann die Speicherdichte wie bei den Magnetplatten um den Faktor fünf bis zehn zu erhöhen. Eine taschenbuchgroße Magnetbandkassette würde dann ein bis zwei GB speichern. Neben der magnetischen Speicherung von Daten, sei es auf Platten oder auf Band, beginnt das optische Speicherverfahren zunehmend an Bedeutung zu gewinnen.

Aufbauend auf den Weiterentwicklungen der Halbleiter-Laser-Technologie und der konsequenter Forschung auf dem Gebiet der durch Laserstrahl möglichen Speicherung von Bit-Informationen in dünne Schichten von speziellen Materialien, konnten Anfang der 80er Jahre die ersten individuell beschreibbaren optischen Plattenspeicher mit großer Kapazität vorgestellt werden.

Die "Write-Once-Read-Many Time"-(WORM-)Geräte benutzen im Gegensatz zu den Winchester-Laufwerken wechselbare Speicherkassetten, deren Information über einen längeren Zeitraum (mindestens zehn Jahre, wahrscheinlich auch länger sicher erhalten bleibt und die in normalen - auch nichtklimatisierten - Räumen gelagert werden können.

Mittels moderner Halbleiter-Laserdioden werden - wobei hier ähnliche Verfahren wie bei der Herstellung von Chips benutzt werden - in die im Vakuumprozeß aufgebrachten wenige Moleküle dicken Speicherschichten bleibende Veränderungen pro Bit erzeugt. Da es möglich ist, den Laserstrahl sehr stark zu bündeln, lassen sich diese Markierungen (Vertiefungen, Blasen, Mulden) so klein dimensionieren, daß sehr hohe Speicherdichten erreicht werden. Gegenüber den magnetischen Aufzeichnungsverfahren werden mit optischen Speichern heute bereits etwa zehnfache Dichten erzielt (200 Millionen anstatt 24 Millionen Bit pro Quadratzoll).

Die Grenzen der optischen Aufzeichnung sind durch die erreichbare Bündelung des Laserstrahls gesetzt. Bei den jetzt zur Verfügung stehenden Halbleiterlasern werden bei einer Wellenlänge von 800 bis 850 Nanometern (Infrarotbereich) Lichtpunkte von 1,6 Mikrometern erreicht. Bei zukünftigen Lasern, die mehr im sichtbaren Licht bei Wellenlängen von 700 Nanometern arbeiten, läßt sich eine noch bessere Fokussierung auf 0,6 bis 0,8 Mikrometer erreichen.

Längere Zugriffszeit bei optischer Speicherung

Die heute noch längeren Zugriffszeiten bei optischen Speicherverfahren sind bedingt durch die erforderliche niedrige Umdrehungszahl der Speicherplatte und die noch relativ schwere Positioniereinheit für das optische System mit Lese- und Schreibverstärkern. Durch leistungsfähigere Halbleiterlaser, die kurzfristig mit 100 Milliwatt (gegenüber 10 bis 15 Milliwatt heute zur Verfügung stehender Laser) für den Schreibvorgang arbeiten können, kann die Platte mit höherer Geschwindigkeit rotieren und so Datentransferraten bis zu drei MByte pro Sekunde ermöglichen.

Die mittlere Zugriffszeit bei optischen Speicherplatten wird durch die Erhöhung der Drehzahl bereits erheblich verringert. Eine zusätzliche , Verkürzung wird erreicht, wenn integrierte optische Lese- und Schreibköpfe entwickelt sind, zum Beispiel unter Ausnutzung von Komponenten aus der Holographietechnik.

Die bereits weiter oben erwähnten magneto-optischen Speicherverfahren sind wahrscheinlich in etwa zwei bis drei Jahren serienreif. Bei diesen Verfahren werden die einzelnen magnetisierbaren Partikel einer Speicherplatte durch kurzzeitige Erwärmung vermittels eines Laserstrahls in ihrer Polung verändert. Diese Veränderung bleibt auch nach Abkühlung erhalten und kann durch erneute Erhitzung beliebig oft wiederholt werden. Unter Verwendung dieser Verfahren wird es dann wiederbeschreibbare optische Medien geben.

Es ist vorstellbar, daß in etwa zehn Jahren optische Speicher mit transportablen Speicherelementen (Plattenkassetten) von 1000 GB und Zugriffszeiten von weniger als 50 Millisekunden in der Größe der heutigen 3380-Winchester-Speichereinheit eingesetzt werden. Bereits heute werden sogenannte Dukebox-Plattensysteme eingesetzt, bei denen eine Anzahl von Plattenkassetten elektromechanisch ausgewählt und einem Speichergerät zugeführt werden.

Offen bleibt, ob derartige Einrichtungen durch die obenerwähnten Speicherplatten mit großer Kapazität ersetzt werden. Auch hier sind die Grenzen noch nicht abzusehen.

Welche Möglichkeiten in der magnetischen und opto-magnetischen Speichertechnik in den nächsten zehn bis 20 Jahren zur Verfügung stehen werden, läßt sich wie folgt zusammenfassen:

- Kleinere magnetische Winchesterspeicher mit hoher Kapazität und kurzen Zugriffszeiten, einsetzbar in jede Art von terminalähnlichen Computeranlagen: 5?-Zoll-Geräte mit bis zu 300 bis 500 MB Kapazität und Zugriffszeiten bei 15 Millisekunden.

- Magnetische Winchesterspeicher mit Kapazitäten von 500 bis 2000 MB und Zugriffszeiten von zehn bis 15 Millisekunden in der Größe heutiger Acht- beziehungsweise Neun-Zoll-Geräte.

Optische und opto-magnetische Wechselplattenspeicher mit Kapazitätsbereichen

- 100 bis 500 MB in kleineren Geräten (5? Zoll),

- 1 bis 10 GB in mittleren Geräten (12 Zoll)

- 10 bis 1000 GB in großen Geräten.

Alle Geräte werden hohe Datentransferraten und kurze Zugriffszeiten aufweisen und damit die ideale Ergänzung zu den rein magnetischen Winchester-Laufwerken mit Festplatteneinheiten bilden.

Magnetische Kassetten-Bandspeicher mit bis zu ein bis zwei GB Speicherkapazität

- in kleiner kompakter Bauweise (5? Zoll), relativ langsam, aber sehr preiswert,

- in mittelgroßen Geräten (8 oder 9 Zoll), sehr schnell arbeitend.

Diese Gerätetypen werden die heutigen Spulenmagnetbandgeräte verdrängen und als integrierter Bestandteil moderner Rechenanlagen der 90er Jahre betrieben werden.

Allen Geräten der Zukunft ist aber eines gemeinsam: Der Preis pro MB wird sich verringern in dem Maße, wie sich die Speicherdichte erhöht. Es ist denkbar, daß ein 1-GB-Speichersystem in zehn Jahren zu dem Preis heutiger 100-MB-Systeme angeboten wird.

*Karl-Heinz Klönne, Control Data GmbH, Frankfurt/Main.