Durch den Einsatz und die Verbreitung der Computer nehmen die digitalen Datenbestände rasant zu. Die digitalen Speichermedien ersetzen zunehmend die traditionellen analogen Datenträger, namentlich seien hier Papier und Mikrofilme genannt. Aber werden die Daten auch in der Zukunft noch sicher und lesbar bleiben?
Beim Aufbewahren und Lagern analoger Daten treten infolge Alterungsvorgängen Qualitätsverluste auf. Teilweise können diese Schäden behoben werden, oder es wird frühzeitig eine Kopie angefertigt. Beim Kopieren tritt jedoch jedesmal eine Qualitätsminderung ein, die nach mehrmaliger Reproduktion nicht mehr tolerierbar ist.
Der grosse Vorteil der digitalen Datenspeicherung liegt in der verlustfreien Duplizierbarkeit. Somit können digitale Daten beliebig oft kopiert werden, ohne dass eine Qualitätseinbusse in Kauf genommen werden muss. Aber auch die Trägermaterialien digitaler Speichermedien unterliegen den natürlichen Alterungsvorgängen. Darin verborgen liegt eine grosse Gefahr der digitalen Speicherung, denn man „sieht und hört" es den Daten resp. Datenträgern nicht an, ob die Anfertigung einer Kopie vonnöten wäre.
Zudem sind bei der Konservierung digitaler Daten weitere essentielle Aspekte zu bedenken:
Auf die beiden letztgenannten Punkte, welche die Weiterentwicklung von Hard- und Software betreffen, kann der Benützer wenig Einfluss nehmen. Beim ersten Punkt kann der Verbraucher Vorsorge treffen und auf neuere Speichertechnologien zurückgreifen, die Fehlerkorrekturen verwenden und die einzelnen Bits an verschiedene Orte des Speichermediums schreiben, so dass lokale Beschädigungen korrigiert werden können, resp. diese nicht zum kompletten Dateien- und Informationsverlust führen. Solche Fehlerkorrekturen leisten wertvolle Dienste, aber sie beanspruchen auf dem Speichermedium selbst Platz. Deshalb sollten sie so sparsam wie nötig verwendet werden, um nicht den eigentlichen Daten wertvolle Speicherkapazität zu rauben.
Neben der Speicherkapazität ist die Zugriffszeit eine wichtige technische Kenngrösse. Wünschenswert sind kleine Zugriffszeiten bei grosser Speicherkapazität. Wenn häufig auf das Medium zugegriffen wird, müssen die Daten schnell aufgefunden und eingelesen werden können.
In der Abbildung 1 sind die typischen Speicherkapazitäten und Zugriffszeiten der verschiedenen Technologien einander gegenübergestellt.
Abb. 1: Speicherkapazitäten und Zugriffszeiten der heute gängigen Speichermedien (in logarithmischer Darstellung). Wünschenswert sind grosse Speicherkapazitäten bei geringen Zugriffszeiten. Die Marken an der y-Achse bezeichnen die benötigte Anzahl Bits für die erwähnten Anwendungen: 1 = A4-Seite Text; 2 Å Vierfarbsatz, 3 Å Bibliothek mit ca. 100.000 Bänden (aus [1]). -> Text |
Der Wunsch nach höheren Speicherdichten und schnellerem Zugriff läuft jedoch der Forderung nach längerer Haltbarkeit und Lesbarkeit der Daten zuwider. So betreffen gleiche Beschädigungen mehr Information (Bits). Kürzere Zugriffszeiten bedingen, dass schneller ausgelesen werden muss, was wiederum zu vermehrten Lesefehlern führt.
Auf diese Problematiken wird im weiteren nicht näher eingegangen. Das Augenmerk wird auf die physische Haltbarkeit der diversen Speichermedien gerichtet.
Wie die traditionellen Datenträger unterliegen digitale Datenträger den Einflüssen der Zeit. Über die Zeit akkumulieren sich so Fehler, verursacht durch
Die Datenträger altern, und die darauf gespeicherte Information wird in Mitleidenschaft gezogen. Die Bits können nicht mehr gelesen werden, oder sie werden verändert, und die Information geht verloren.
Die richtige Handhabung und Aufbewahrung ist eine Grundvoraussetzung für eine lange Haltbarkeit der Datenträger. Die unsachgemässe Handhabung kann zu Kratzern und damit zu einer mechanischen Beschädigung der Datenträger führen. Die Datenträger müssen vor Staub und anderen Verschmutzungen geschützt sein. Deshalb sollten auch Fingerabdrücke auf den Speichermedien vermieden werden.
Gute Bedingungen bei der Aufbewahrung und Lagerung [2] bewirken, dass chemische Vorgänge langsamer vonstatten gehen. Die wichtigsten chemischen Vorgänge sind in diesem Zusammenhang die Korrosion und die Hydrolyse (wichtig bei den magnetischen Bändern). Durch Korrosion kann bei den magnetischen Datenträgern die Magnetisierung verändert werden. Bei den optischen Verfahren wird die Reflexionseigenschaft der metallischen Schicht beeinflusst, was sich beim Auslesen bemerkbar macht. Unter Hydrolyse versteht man die Zersetzung eines chemischen Stoffes durch Wasser (siehe auch weiter unten).
Grosse Temperaturen führen zur Ausdehnung des Datenträgers. Durch Laufinstabilitäten können sich deshalb beim Lesen Fehler ergeben. Zudem begünstigen hohe Temperaturen die oben erwähnten chemischen Prozesse. Im Falle der magnetischen Speicherung können sehr hohe Temperaturen (ab 250° C) die Daten direkt löschen. Desgleichen kann passieren, wenn die magnetischen Datenträger hohen Magnetfeldern ausgesetzt werden.
Um diese Phänomene eingehender zu studieren, erscheint es sinnvoll, die Funktionsweise der einzelnen Technologien zu erläutern und daraus resultierend die Kernpunkte und Schwachstellen der verschiedenen Techniken herauszuheben.
a) Magnetische Speichermedien
Die magnetische Speicherung ist heute die am meisten verbreitete Technologie. Die typischen und bekannten magnetischen Speichermedien sind die Harddisk und die herkömmliche Diskette. Neuere magnetische Speichermedien sind Disketten von Iomega und Syquest (Zip Drive, Easy Drive) mit je etwa 100 MB Speicherkapazität pro Diskette. Eben vorgestellt wurden 120-MB-Disketten von 3M. Bemerkenswert an diesen ist die Tatsache, dass das Laufwerk die herkömmlichen 3.5?-Disketten mit 1,4 MB resp. 720 kB Speicherkapazität zu lesen vermag. Ebenfalls häufig eingesetzte magnetische Speicher sind Bänder. Verwendet werden sie überwiegend für Backups (= Sicherheitskopien), wo grosse Datenmengen zu speichern sind, auf die nur wenig zugegriffen werden muss (vgl. Abb. 1).
Vom Grundprinzip her sind sämtliche magnetischen Datenträger gleich aufgebaut (Abb. 2 a). Auf ein Trägermaterial wird eine dünne magnetische Schicht aufgetragen. Diese wird überdeckt mit einer äusserst dünnen, sehr harten Schutzschicht, welche gute Schmiereigenschaften aufweist. Die Information wird durch die Ausrichtung der magnetischen Domänen in der magnetischen Schicht gespeichert (Abb. 2 b). Ausgelesen wird die Information, indem ein (magnetischer) Lesekopf sehr nahe über der Oberfläche positioniert wird, der das magnetische Muster des sich bewegenden Mediums ausliest.
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Abb. 2 a: Schichtaufbau bei magnetischen Speichermedien. Die Dicke der Schutzschicht beträgt nur einige zehn Nanometer (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter). -> Text |
Abb. 2 b: Aufnahme der magnetischen Domänen einer Harddiks. Das magnetische Muster, in welchem die Informationen gespeichert sind, befindet sich unterhalb der Schutzschicht. Die Bilder wurden mit einem Magnetischen Kraftmikroskop aufgenommen (Näheres dazu z.B. in [3, 4]. -> Text |
Die Speicherkapazität hängt davon ab, wie nahe und wie schnell das Medium gegenüber dem Lesekopf bewegt werden kann. Dabei dürfen sich die magnetischen Schichten des Lesekopfs und des Mediums physisch nicht berühren. Sonst kommt es zum berüchtigten head crash, wobei die Daten verloren gehen.
Die minimale Höhe und maximale Geschwindigkeit, mit welcher das Medium über den Kopf bewegt werden kann, hängt vom Trägermaterial und der Fixierung des Mediums ab. Bei der festeingebauten Harddisk, die aus starrem Material besteht und sehr eben ist, kann der Abstand des Lesekopfes zur Harddisk äusserst gering gehalten werden, wodurch eine hohe Speicherdichte erreicht wird. Der Abstand beträgt heute zwischen 50 und 100 nm. Damit wird verständlich, dass Verunreinigungen auf einer Harddisk für den Lesekopf als unüberwindbare Hürden erscheinen. Zum Beispiel würde ein Fingerabdruck Spuren hinterlassen, die etwa doppelt so hoch sind wie der Abstand des Lesekopfes zur Harddisk. Als Vorteil erweist sich der Einbau der Harddisk. Sie ist daher Verschmutzungen, Kratzern etc. gegenüber weniger exponiert. Trotz der erforderlichen Präzisionen ist sie das langlebigste magnetische Speichermedium. Die Lebensdauer einer Harddisk wird mit ca. 20 Jahren veranschlagt.
Disketten und Bänder sind wechselbare magnetische Medien, d.h., der gleiche Lesekopf vermag mehrere Disketten resp. Bänder zu lesen. Die magnetische Schicht ist bei Disketten und Bändern auf flexiblen Materialien aufgebracht. Daher kann der Abstand zwischen Lesekopf und Medium nicht so klein gehalten werden wie bei der Harddisk. Da sich das Medium auch langsamer gegenüber dem Kopf bewegt, können nicht die Speicherkapazitäten der Hardddisk erreicht werden.
Die kritischen Punkte bei der Haltbarkeit von Bändern und Disketten sind Staub, Verschmutzungen und grosse Temperaturschwankungen. Da sie leicht transportabel sind, werden sie vielfach kurzzeitig (was sich auch als längerfristig erweisen kann) an Orten abgelegt, wo sie Verschmutzungen und grossen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Magnetische Speichermedien sollten nicht in der Nähe von Magneten oder elektrischen Geräten aufbewahrt werden. Diese besitzen ein permanentes Magnetfeld oder erzeugen ein Magnetfeld, welches recht gross sein kann (z.B. Lautsprecher).
Bei den Bändern kommt es häufiger zu Verklebungen. Durch Hydrolyse verliert der Schutzfilm, der aus Kohlenstoff besteht, seine Schmiereigenschaften, und das Band verklebt. Bänder können sich durch mechanische Beanspruchung zusätzlich verziehen. Daher sind Bänder bei häufigem Zugriff ein weniger geeignetes Speichermedium. Die physische Haltbarkeit von Bändern wird von den Herstellern bei optimalen Bedingungen mit 5 bis 10 Jahren angegeben [5]. Andere Quellen sprechen bei realen Bedingungen von 1 bis 3 Jahren [6, 7]. Disketten haben eine etwas grössere Lebenserwartung (ca. 5 Jahre).
b) Magneto-optische Speicher
Bei den magneto-optischen Disks (= MOD) ist die Information, gleich wie bei den magnetischen Datenträgern, in Form eines magnetischen Musters gespeichert; das Auslesen jedoch geschieht mittels eines optischen Verfahrens. Daher wird die MOD meist den optischen Speichermedien zugerechnet.
Auf einem starren Polycarbonat- oder Glasträger wird eine sogenannte kerrwinkelverstärkende Schicht, danach die magnetische Schicht, wiederum eine kerrwinkelverstärkende Schicht und zum Schluss eine reflektierende Metallschicht, meist aus Gold oder Aluminium, aufgebracht (s. Abb. 3 a und b).
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Abb. 3 a: Aufbau einer magneto-optischen Disk (= MOD). Die Schicht, auf der die Information gespeichert ist, befindet sich weit unterhalb der Oberfläche. Das Laserlicht würde bei dieser Darstellung von oben kommend durch die Schichten treten. Durch die Magnetisierung der aktiven Schicht wird die Polarisation des Lasers gedreht. -> Text |
Abb. 3 b: Magnetische Schicht einer MOD. Gut erkennbar sind die magnetischen Bereiche (dunkel) sowie die Vertiefungen für die Laserführung (aus [8]). -> Text |
Gelesen wird die Information, welche in die magnetische Schicht eingeschrieben wird, mittels eines Laserstrahles. Der Laserstrahl dringt in dieser Darstellung von oben durch die durchsichtige Polycarbonat- oder Glasschicht. In der magnetischen Schicht erleidet der Laserstrahl, abhängig von der Magnetisierung der Schicht, eine Änderung seiner sogenannten Polarisation. Dieser Effekt heisst Kerreffekt und wird ausgenutzt, um das gespeicherte, magnetische Muster abzutasten und auszulesen. An der Metallschicht wird der Laserstrahl reflektiert und die Polarisation des reflektierten Laserstrahls wird mit der des eingestrahlten Laserlichtes verglichen. Da die Polarisationsänderungen sehr klein sind, muss der Effekt verstärkt werden. Dazu werden die beiden kerrwinkelverstärkenden Schichten aufgebracht.
Magneto-optische Speicher sind weniger sensitiv auf Verschmutzungen, Kratzer, thermische und chemische Einflüsse sowie auf externe Magnetfelder als die magnetischen Speichermedien. Die Gründe liegen darin, dass die informationstragende Schicht viel tiefer unter der Oberfläche liegt und somit besser geschützt ist und dass der Abstand zwischen dem Laserstrahl und der Oberfläche unkritisch ist. MODs sind auch bezüglich Magnetfeldern weniger anfällig als die magnetischen Speichermedien, da neben dem externen Magnetfeld die magnetische Schicht sehr stark erwärmt werden müsste, um eine Magnetisierungsänderung hervorzurufen.
Die Lebenerwartung einer MOD liegt bei ca. 30 Jahren. Einige Hersteller sprechen von bis zu 100 Jahren.
c) Optische Medien
Bei den optischen Medien muss vorgängig zwischen nur lesbarer, einmal beschreibbarer, aber beliebig oft lesbarer und wiederbeschreibbarer Technologie differenziert werden. Diese haben spezielle Namen: Bei den Compact Disk heissen sie CD-ROM (= CD read only memory), CD-R (= CD recordable) und CD-E (= CD erasable). Ansonsten werden sie mit ROM (= read only memory), WORM (= write once read multiple) und ROD (= rewritable optical disk) gezeichnet.
An dieser Stelle möchte ich mich auf die CD-ROM, CD-R und auf die ROD beschränken.
Der Schichtaufbau bei einer CD ist schematisch in Abbildung 4 a wiedergegeben. Als Trägermaterial dient meist Polycarbonat oder Glas. Darauf wird bei den CD-Rs eine Schicht Farbstoff aufgebracht. Darunter befindet sich eine Reflexionsschicht, welche mit Lack geschützt ist.
Beim (einmaligen) Beschreiben der CD werden in die Farbstoffschicht mit dem energiereichen Schreiblaser Löcher gebrannt (CD Brenner). Dieses Muster aus Löchern, resp. unversehrter Schicht (sog. pits und lands) wird nachher mit dem Laserstrahl abgetastet und ausgelesen (Abb. 4 b). An den pits und lands wird der Laserstrahl durch Streuung unterschiedlich reflektiert, was ausgelesen werden kann. Bei der CD-ROM ist das Muster aus pits und lands durch den Herstellungsprozess schon vorgegeben. (Näheres zum Herstellungsprozess einer CD-ROM findet sich z.B. unter [9].)
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Abb. 4 a: Schematischer Querschnitt einer CD-ROM. -> Text |
Abb. 4 b: Gemessene Topographie einer CD. Die Aufnahme entstand nach vorgängiger Entfernung der Schutzschicht mit einem Rasterkraftmikroskop. Die Vertiefungen sind deutlich erkennbar. -> Text |
Laut Hersteller sollen die CD-ROM und CD-R etwa die gleiche Lebensdauer haben (ca. 20 bis 30 Jahre), doch kommt eine neuere Untersuchung zu einer wesentlich kürzeren Lebensdauer von nur 3 bis 27 Jahren für CD-Rs [10].
Das gängigste Verfahren bei den wiederbeschreibbaren optischen Disks beruht auf Phasenwechsel. Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass die Reflexion eines Materials in kristallinem Zustand wesentlich höher ist als in amorphem (glasartigem) Zustand. Solche Strukturänderungen werden durch geschicktes Erwärmen und Abkühlen mit Hilfe des Lasers erzielt und sind reversibel. Die Haltbarkeit für optische Disks, die auf Phasenwechsel beruhen, dürfte etwas kürzer sein (20 bis 30 Jahre) als bei den magneto-optischen Disks. Allerdings können sie weniger häufig überspielt werden als die magneto-optischen Disks.
d) Neue Speichertechnologien
Der Möglichkeit holographischer Datenspeicher wird in letzter Zeit vermehrte Aufmerksamkeit geschenkt und zum Beispiel in [11] diskutiert. Mittels holographischer Datenspeicher können heute die mit anderen Technologien erzielten Speicherkapazitäten noch nicht erreicht werden. Zudem ist die Herstellung und das Auslesen der Speicher aufwendig, so dass eine grössere Verbreitung in unmittelbarer Zukunft eher fraglich ist. Dennoch kann sich die holographische Speicherung auf einigen speziellen Gebieten, wo sehr schneller Datenzugriff und beträchtliche Auslesekapazitäten erforderlich sind, als interessant erweisen.
Eine interessante Möglichkeit wird zur Zeit in den Los Alamos Laboratories in den USA erforscht und entwickelt. Es können sowohl analoge als auch digitale Daten mit immenser Dichte und sehr langer Lebensdauer gespeichert werden. Dabei wird im Hochvakuum mit einem Ionenstrahl Material aus Stahl oder Iridium herausgeätzt [7, 12]. Das Ganze kann man sich vereinfacht als „in den Stein meisseln" vorstellen, wobei die Information jedoch wesentlich kleiner geschrieben wird. Die lange Lebensdauer ist durch die gewählten Materialien, in die die Daten graviert werden, gewährt. Die in Stahl resp. Iridium gespeicherten Daten könnten gar ein Feuer überleben.
Heute können digitale Daten nicht über einen Zeitraum von mehr als einem Jahrzehnt derart archiviert werden, dass ihre Lesbarkeit garantiert bleibt. Dies liegt hauptsächlich an der raschen Entwicklung von Hard- und Software und der damit raschen Veraltung der Systeme. Aber auch die physische Lebensdauer der Datenträger reduziert die Haltbarkeit von digitalen Datenbeständen und schränkt sie bei den heute gängigen Techniken auf nur wenige Jahrzehnte ein. Der Gang über ein zeitlich regelmässiges Kopieren des digitalen Datenbestandes auf neuere Techniken und neue Datenträger scheint unumgänglich.
Eine mögliche zukünftige Alternative, die wenigstens die langjährige physische Haltbarkeit des Datenträgers sicherstellt, verwendet von der Grundidee her das Gleiche, was in der Frühgeschichte der Menschheit verwendet wurde - nämlich so etwas wie das „Meisseln in Stein"!
[1] W. Hülsbusch: Fachinformation
auf optischen Speichern, Verlag W. Hülsbusch, Konstanz 1992, S.
97. -> Text
[2] BS 4783: Part 1-7, 1988-1993,
British Standard Institution. ->
Text
[3] P. Reimann et al.: Der schonende
Blick vom Staubkorn bis zum Molekül, Technika 5 & 6/96.
-> Text
[4] P. Grütter et al., in: Scanning
Tunneling Microscopy II, eds. R. Wiesendanner and H.-J.
Gütherodt, Springer Series in Surface Sciences Vol. 28,
Springer, Berlin/Heidelberg (1992). ->
Text
[5] Application Note - 04/94,
Lebenserwartung von MTC Bändern, BASF Magnetics GmbH. ->
Text
[6] J. Rothenberg: Die Konservierung
digitaler Dokumente, Spektrum der Wissenschaften 9/95, S. 66 ff.
-> Text
[7] B. Epping: Verheerende
Altersschwäche, Bild der Wissenschaft 11/95, S. 30 ff. ->
Text
[8] H. J. Hug: Low Temperature Magnetic
Force Microscopy. Application on Magnetic Materials and
Superconductors, PhD thesis Universität Basel (1993), p.
45. -> Text
[9] W. Hülsbusch: Fachinformation
auf optischen Speichern, Verlag W. Hülsbusch, Konstanz 1992, S.
118/119. -> Text
[10] C. Södergård et al.:
Research on the life expectancy of the CD-R, VTT 1995. ->
Text
[11] D. Psaltis et al.: Holographische
Datenspeicher, Spektrum der Wissenschaft 1/96, S. 50 ff. ->
Text
[12] Private Mitteilung, John Bishop,
Norsam Technologies, 1996. ->
Text
Hansjörg Künzli ist Physiker. Er studierte und promovierte an der Universität Basel und arbeitete anschliessend bei IBM in Kalifornien. Heute ist er in der Abteilung für Druck und Datentechnik an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) in St. Gallen tätig und beschäftigt sich mit der Beschichtung und Oberflächenanalyse von Harddisks. -> Text
Aus: Rundbrief Fotografie, Sonderheft 3, S. 5-8 (auch in N.F. 11, S. 5*-8*).
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