Die Geschichte der Massenspeicher

Inhaltsverzeichnis: Lochstreifen; Lochkarten; Vom Stahldraht zum Magnetband; Magnettrommelspeicher; Festplatten; Rechenzentren; Disketten; Disketten sind nicht ausgestorben; Perpendicular Recording

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. Für die wenigen in Telegrammen erlaubten Zeichen genügten 5-Kanal-Lochstreifen. Mit 5 Bit kann man 32 Zeichen verschlüsseln. Mit Umschaltzeichen wurde zwischen 26 Großbuchstaben oder Ziffern und Sonderzeichen gewechselt.
Im Bild: Die Kodierungstabelle für Telegrafie-Lochstreifen.

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. Anfangs kamen die 5-spurigen Telegrafie-Lochstreifen zum Einsatz, schnell wurde auf 8-spurige Lochstreifen umgestellt.

Mehr über Lochstreifen

Ein mit Lochstreifen gesteuertes Klavier, etwa 1885

Auf einen 10 m langen Streifen passten etwa 4.000 Byte. Für den Betrieb des Computers wurden mindestens drei Lochstreifen benötigt:

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

Die Datenausgabe erfolgte über Bedienschreibmaschine oder Drucker. Für eine Weiterverarbeitung bestimmte Daten wurden auf einen Lochstreifenstanzer ausgegeben.

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

Schon im 18. Jahrhundert wurden lochkartengesteuerte Webstühle gebaut (Jacquard-Webstuhl), auch automatische Klaviere und Drehorgeln wurden gebaut.
Zur Auswertung der elften amerikanischen Volkszählung im Jahre 1890 wurden erstmals Lochkarten in großem Umfang eingesetzt. Diese 80-spaltigen Lochkarten wurden von dem amerikanischen Ingenieur Hollerith entwickelt. Lochkarten konnten mit mechanischen Geräten (Hollerith-Maschinen) automatisch sortiert werden, womit vielfältige 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 einer der Zeilen Null bis Neun codiert. Sollte ein Buchstabe oder Sonderzeichen dargestellt werden, wurden zusätzlich die oberen Zeilen benutzt und 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.

In der Computertechnik wurden die früher üblichen Lochstreifen schnell durch Lochkarten abgelöst. Der große Vorteil: Um kleine Änderungen in den Daten oder im Programm vorzunehmen, mussten lediglich eine Lochkarte oder einige wenige Karten im Kartenstapel ausgetauscht werden.

Aus der vom Ingenieur Hollerith gegründeten „Tabulating Machine Company“ wurde die „Computing-Tabulating-Recording Company“ und daraus die „International Business Machines Corporation“. Als IBM die ersten Großcomputer entwickelte, wurden diese mit Lochkartentechnik ausgestattet. Andere Hersteller von Großrechnern folgten. 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.

Mehr über Lochkarten

Im Bild: Mit Lochkarten gesteuerte Jacquard-Webmaschine.

Vom Stahldraht zum Magnetband

Im Jahr 1899 wurde die Tonaufzeichnung auf Stahldraht patentiert. Um eine Stunde Ton aufzuzeichnen, wurden zwei Kilometer eines sehr dünnen Drahtes benötigt.

Die in Deutschland ansässige Marconi-Stille Company baut 1930 die ersten Stahlband-Recorder für die BBC. Das Stahlband war 1/8″ breit (3,2 mm), bewegte sich mit 1,5 m/s Geschwindigkeit und wog 25 kg. Die Verwendung dieser Maschinen war ziemlich gefährlich, da die Bediener tiefe Wunden riskierten, wenn das Stahlband aus der Führung sprang.

1939 wurden „Drahtschreiber“ von der Armor Research Foundation (USA) produziert und während des Zweiten Weltkriegs an das Militär verkauft; bis 1950 waren diese Geräte auch bei Amateuren beliebt.

1935 stellte die AEG das erste Tonbandgerät her. Das Tonband bestand aus Kunststoff, mit Eisenpulver beschichtet.

In den 1960er Jahren machte die Transistortechnik die Tonbandgeräte für Normalverdiener erschwinglich und 1962 hatte jeder vierte Haushalt der Bundesrepublik ein Tonbandgerät. Die ersten Heimcomputer benutzten Tonbandgeräte als Speichermedien. In Elektronik-Zeitschriften wurde Programmcode zum Abtippen vorgestellt. In Radiosendungen für Computerfreaks wurden Anwendungen vorgestellt und der Programmcode wurde zum Mitschneiden ausgestrahlt.

Mehr über die ersten Heimcomputer

Mein erster Heimcomputer war der „LC80“ vom Kombinat Robotron. Er wurde in einem Aktenordner mit viel Dokumentation, aber ohne Software geliefert. Man konnte damit die Programmierung in Maschinencode erlernen und das fertige Programm im Hexadezimalcode eintippen. Wenn das Programm endlich funktionierte, konnte man es auf Tonbandkassette speichern und beim nächsten Einschalten des Computers wieder von Tonbandkassette einlesen. Der LC80 war erweiterbar und geeignet für Steuerungsaufgaben. Ursprünglich wollte ich damit meine Modellbahnanlage steuern, aber der Programmieraufwand hatte mich dann doch abgeschreckt.

In der professionellen Rechentechnik wurde seit 1951 ebenfalls mit Bandgeräten für die Speicherung von Computerdaten gearbeitet, allerdings erreichten diese wesentlich höhere Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit. Die 12,7 mm (1/2 Zoll) breiten Bänder arbeiteten mit neun Spuren (acht Datenspuren plus Parität). Wegen ihrer garantierten Langlebigkeit (30 Jahre) und des exzellenten Verhältnisses zwischen Datenkapazität und Herstellungskosten werden in Rechenzentren noch immer Magnetbänder verwendet, vor allem für die Datensicherung und -archivierung. Bandroboter verwalten Bibliotheken mit tausenden Bändern und legen das gewünschte Band vollautomatisch ein. Heutige Bänder fassen bis 40 TeraByte. Der große Nachteil von Magnetbändern: Die Aufzeichnung erfolgt sequentiell, das bedeutet: Benötigt man die Informationen in einer anderen Reihenfolge, als sie aufgezeichnet wurden, muss man lange Wartezeiten in Kauf nehmen, während das Band vor- oder zurückspult.

Mehr über Bandgeräte

Die ersten Magnetbänder für Datenspeicherung gab es 1951 für den UNIVAC I. Allerdings wurden zuerst Stahlbänder verwendete, die mit 100 Zoll pro Sekunde (2,5 m/s) liefen. Das Band hatte eine Datendichte von nur 128 Bit pro Zoll Band. Spätere Bandgeräte arbeiteten mit beschichteten Kunststoffbändern und erreichten Datendichten von 1600 bis 6250 Bit pro Zoll.
Da das Bandgerät vom Computer gesteuert wurde, konnte es der Computer bzw. der Programmierer als sekundären Speicher nutzen (ähnlich wie eine Auslagerungsdatei). Und weil die Bänder gewechselt werden könnten, waren die Bänder auch zur Weitergabe von Daten oder zur Archivierung nutzbar.

Im Bild sehen Sie ein Magnetbandgerät, wie sie in den 70er und 80er Jahren in Rechenzentren verwendet wurden. Die Bänder speicherten 1600 Bits pro Zoll, also in neun Spuren 64 Byte pro mm. Der Inhalt einer Lochkarte (80 Byte) belegte auf dem Neun-Spur-Band etwas mehr als einen Millimeter. Die Lücke zwischen zwei Datensätzen war 0,6 Zoll lang (15 mm). Um nicht mehr Lücken auf dem Band zu haben als Daten, wurden eine größere Zahl von Lochkarten zu einem größeren Datensatz zusammengefasst.
Das Band konnte vorwärts oder rückwärts mit der gleichen Geschwindigkeit von etwa 5 m/s (18 km/h) gelesen oder beschrieben werden. Bei dieser Geschwindigkeit brauchte es einen „Bremsweg“ von nur etwa 6 mm und zum erneuten Erreichen der vollen Geschwindigkeit reichten die restlichen 9 mm der Lücke. So schnell konnten die Bandteller mit den schweren Bändern nicht reagieren. Um das Band nicht zu überdehnen, gab es aufwendige Verfahren zum sanften Bremsen und Anfahren des Bandes. angewendet. Es wurde ein „leicht beweglicher“ Bandvorrat von etwa einem Meter bereitgehalten: Entweder in einem Unterdruckschacht wie im oberen Bandgerät oder mit einem Spannhebel wie in den Bandgeräten im unteren Bild.
Eine Bandspule fasste 730 Meter Band (2400 Fuß), darauf konnten – wenn der Anteil der Lücken gering war – 45 MByte gespeichert werden. Übrigens: Heutige Bandgeräte können mehr. Das Bandgerät IBM TS1170 packt 40 Terabyte auf ein Band, mit einer Schreibgeschwindigkeit von 1 GB/s.

Skizze: Magnetisieren eines Magnetbandes (engl.)

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. Die Daten wurden auf der magnetischen Oberfläche einer schnelldrehenden Trommel gespeichert. Der Trommelspeicher wurde schon 1932 in Österreich erfunden und patentiert. Im Bild: Ein Magnettrommelspeicher aus den 50er Jahren.

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. Der Z22-Computer von Zuse (1957) benutzte einen Trommelspeicher mit 38 kByte Kapazität und einer Zugriffszeit von wenigen Sekunden. Große Trommeln konnten einige Megabyte speichern, bei einer Datenrate von 10 Mbit/s.

Der große Vorteil des Trommelspeichers im Vergleich zum Magnetband: Man muss höchstens eine Trommelumdrehung auf jede gespeicherte Information warten, also maximal 10 Millisekunden.
Ein Bandgerät muss erst das Band an die richtige Stelle positionieren, um den benötigten Datensatz zu lesen. Je nach der Reihenfolge, in der das Band beschrieben worden ist, kann das einige Minuten dauern.

Festplatte

Ein Trommelspeicher ist sehr teuer, weil für jede von hunderten Spuren je ein Lese- und Schreibkopf benötigt wird. Ein Speichersystem mit einem beweglichen Kopf war weitaus kostengünstiger.
Im Jahr 1956 stellte IBM die erste Festplatte der Welt vor.
Sie bestand aus 50 Scheiben mit einem Durchmesser von 60 cm, hatte 5 Megabyte Kapazität und wog eine halbe Tonne. Die Platte erreichte eine Drehzahl von 1200 Umdrehungen pro Minute und eine mittlere Zugriffszeit von 600 ms. Im rechten Bild: die Hydraulik zur Bewegung der Köpfe. Die aufwendige Mechanik mit Spindelmotor, Getriebe und Hydraulik machten das Gehäuse so groß wie einen Schrank: 1,5 m lang, 1,7 m hoch und 74 cm breit. Die Festplatte war ein echtes Erfolgsmodell: mehr als 1000 Stück wurden hergestellt, bis IBM im Jahr 1961 die Produktion einstellte.
Diese Festplatten-Laufwerke wurden nicht verkauft, sondern für 1000 DM pro Monat an Unternehmen vermietet. „Hard Disk Drive“, abgekürzt HDD, ist die englische Bezeichnung für die Festplatte.
Spätere Festplatten waren etwas kleiner.

Rechenzentrum

Im Jahr 1964 brachte IBM das „System/360″ auf den Markt. Es war das erste modulare, leicht erweiterbare Großrechnersystem auf dem Markt. Die Entwicklung des Systems hatte fünf Milliarden Dollar gekostet (das Doppelte des Jahresgewinns von IBM), doch es hatte sich gelohnt: IBM beherrschte bald 70 % des Großrechnermarktes. 1970 kam das Nachfolgesystem „System/370″ auf dem Markt.
Ein typisches Rechenzentrum der 80er Jahre bestand aus Zentraleinheit mit Festplattenspeicher, Bedienschreibmaschine und Drucker. Ein- und Ausgabe erfolgte hauptsächlich über Lochkarten, gelegentlich über Lochstreifen. Für Massendaten gab es Magnetbandgeräte, mitunter auch Plattenspeicher mit Wechselplatten.

Disketten

IBM suchte für ihre 370er Systeme nach einer preisgünstigen Möglichkeit, regelmäßige Software-Updates an die Kunden weltweit zu senden. Der Mikrocode war zu umfangreich, um ihn per Lochstreifen oder Lochkartenstapel verschicken zu können. Die Ingenieure entwickelten 1969 die Diskette: eine dünne, biegsame Plastescheibe mit einer magnetisch beschichteten Oberfläche in einer Staubschutzhülle. Das englische Wort „floppy“ bedeutet schlapp bzw. biegsam. Das Diskettenlaufwerk wird als Floppy Disk Drive bezeichnet und mit FDD abgekürzt.

Die ersten Disketten wurden auf Schallplattenpressen gefertigt, die Bits wurden mechanisch in die Scheibe gepresst. Sie hatten einen Durchmesser von 8 Zoll (20,3 cm). Sie enthielten nur 80 KB Daten, aber waren billig genug für den Massenversand von Software. Die dazugehörigen Diskettenlaufwerke waren 40 × 30 × 15 cm groß. Der Lesekopf wurde mit einem Schrittmotor und einem Schneckengetriebe (im unteren Bild) auf die benötigte Position bewegt. In ein bis zwei Sekunden konnte jede Information aufgefunden werden.

1972, drei Jahre später, kamen die ersten 8″ Diskettenlaufwerke auf den Markt, welche Disketten auch beschreiben konnten.

Der erste IBM-PC im Jahr 1981 sollte ein Diskettenlaufwerk bekommen, doch das 8-Zoll-Laufwerk mit Maßen von 40 × 30 × 15 cm (das linke im oberen Bild) war viel zu groß – fast so groß wie heute ein ganzer PC. Deshalb benutzte IBM kleinere 5¼“ Disketten und ein Laufwerk dazu (im oberen Bild das mittlere). Ein oder zwei Diskettenlaufwerke wurden in den IBM-PC eingebaut. Eine Festplatte gehörte damals nicht zum Standard-Lieferumfang des IBM-PC, konnte aber nachgerüstet werden.

Sony entwickelte die 3½-Zoll-Diskette (etwa 10 cm groß), die von 1981 bis etwa 2010 in fast jeden PC eingebaut wurde. Die ersten Disketten wurden nur auf einer Seite beschrieben und hatten eine Kapazität von 720 kByte, spätere Disketten wurden auf beiden Seiten beschrieben und fassten 1,44 MByte. Die Disketten waren nicht mehr biegsam, sondern steckten in einer stabilen Hülle. Die magnetisiertere Beschichtung war aus Eisenoxid, daher die Rostfarbe. Der „Spindelantriebsmotor“ drehte die Magnetscheibe mit 300 Umdrehungen pro Minute. Ein Schrittmotor bewegte beide Magnetköpfe gleichzeitig (über und unter der Diskette je einer) mit einem Schneckenantrieb auf die benötigte Spur. Die beiden Magnetköpfe schleifen auf den Oberflächen der Diskette. Deshalb wird der Motor nur bei Bedarf angeschaltet. Eine Zeitschaltung im BIOS sorgt dafür, dass der Spindelmotor mit einer Verzögerung von einigen Sekunden abgeschaltet wird, wenn keine Zugriffe mehr erfolgen.

Mehr über Disketten

1 Schreibschutz
2 Drehlager
3 Schutzblende
4 Gehäuse aus Kunststoff
5 Ring aus Papier
6 Magnetscheibe
7 Disk-Sektor

Zum Vergleich: Was ist bei der Festplatte anders als bei der Floppy Disk?
• Um Daten schneller zu lesen, wurde die Drehzahl der Festplatte erhöht: typisch 5400 bis 7200 Umdrehungen pro Minute statt 300 bei Disketten.
• Die Scheiben der Festplatte sind starr. Die Köpfe schweben in einem minimalen Abstand über der Magnetscheibe, denn bei einer Berührung würden sie durch Reibungshitze zerstört werden.
• Die Drehung wird zwischen den Zugriffen beibehalten.

Disketten sind ausgestorben? Nein!

Die Minuten-Raketensilos der USA, gebaut in den 60er Jahren, benutzen 8″ Disketten. Im Jahr 2020 hat die Umstellung begonnen.
Die Navigationscomputer der Boeing 747 bekommen alle 28 Tage ein Update eingespielt, was sich auf den Flughäfen und Routen der Welt geändert hat. Dazu werden 3,5″ Disketten benutzt. Im Jahr 1988, als die erste 747 gebaut wurde, waren diese Disketten das modernste Wechselspeichermedium, was es gab.
In den ICE-Zügen werden die Sitzplatzreservierungen per Diskette eingespeichert. Man sollte bedenken, dass der erste ICE im Jahr 1991 losgefahren ist. Die ersten USB-Speichersticks mit 8 MByte kamen erst im Jahr 2000 auf den Markt.

Disketten sind defektanfällig und der Zugriff ist langsam. Für den Datentransport und eine mittel- und langfristige Datensicherung sind optische Speicher, USB-Memory-Sticks und externe Festplatten besser geeignet. Neue Hauptplatinen haben keinen Anschluss mehr für ein Floppylaufwerk. Wer noch Disketten mit wichtigen Daten hat, kann sich ein Diskettenlaufwerk mit USB-Anschluss für etwa 25 Euro kaufen. Es kann im Wechsel an mehrere PCs angesteckt werden, auch an ein Notebook.

Es gab zahlreiche Versuche, preiswerte Massenspeicher mit höherer Kapazität zu schaffen. „ZIP-Laufwerke“ mit Disketten von 100, 250 oder 750 MB Kapazität waren in den 90er Jahren beliebt. Mit dem Aufkommen von bezahlbaren CD-Brennern und mehrfach beschreibbaren CDs verschwanden die ZIP-Laufwerke aus den Läden.

https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Disassembled_floppy_disk_drives

https://de.wikibooks.org/wiki/Computerhardware:_FDD:_Geschichte

https://de.wikibooks.org/wiki/Computerhardware:_Speicher:_Geschichte

Longitudal und Perpendicular Recording

Beim klassischen Magnetisierungsverfahren von Festplatten werden die Daten in Längsrichtung auf dem Speichermedium gespeichert, ebenso wie beim Schreiben auf Tonband und Kassettenrecorder. Dabei richtet der Schreib-/Lesekopf die magnetischen Partikel waagerecht auf der Magnetschicht aus. Dieses Verfahren wird als Longitudinal Magnetic Recording (LMR) bezeichnet.

In den Jahren 2005 und 2006 gab es erste Festplatten mit dem Aufzeichnungsverfahren „Perpendicular Magnetic Recording“ (PMR), das wesentlich höhere Speicherdichten ermöglicht als das Longitudinal Magnetic Recording (LMR). Beim PMR sind die einzelnen Datenbits senkrecht zur Oberfläche der sich drehenden Magnetscheibe magnetisiert, die Aufzeichnung geht in die Tiefe.

Der Hauptmagnetpol wird besonders schmal ausgeführt, damit in diesem ein verstärkter magnetischer Fluss entsteht. Der Magnetfluss ist stark genug, das Material umzumagnetisieren. Unter der Magnetschicht befindet sich eine weichmagnetische Zusatzschicht, welche das Magnetfeld verteilt. Der Rückpol ist breit, damit das Magnetfeld in diesem abgeschwächt wird und und nicht stark genug ist, die vorhandene Magnetisierung zu beeinflussen. Sonst würden die vom Hauptpol geschriebenen Daten gelöscht werden.

Pro Bit wird an der Oberfläche weniger Platz benötigt, dadurch lassen sich mehr Daten auf den Scheiben speichern. Es steigt auch die Lese/Schreibgeschwindigkeit, weil die Daten dichter angeordnet sind und mehr Daten pro Umdrehung gelesen werden.

PMR setzte sich schnell durch und war ab circa 2010 die Standardtechnik bei den meisten Festplatten.

HWHM