Computerhardware: RAM

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Die RAM-Speicherbausteine lassen sich in zwei Arten unterteilen, die auf ganz unterschiedlichen Technologien beruhen und dementsprechend in allen Kenndaten sehr unterschiedlich sind. Es gibt dynamischen RAM (DRAM) und statischen RAM (SRAM).

[Bearbeiten] DRAM

Der Dynamische Speicher (DRAM) ist verblüffend einfach aufgebaut. Jede Speicherzelle besteht aus einem Kondensator und einem Transistor. Um eine „Eins“ zu speichern, wird der Kondensator aufgeladen. Soll eine „Null“ gespeichert werden, bleibt der Kondensator ungeladen. Wenn die CPU wissen will, was gespeichert ist (das nennt man eine Leseanforderung), gibt der Transistor die elektrische Ladung frei. Wenn eine „Eins“ gespeichert ist, fließt für einen kurzen Moment ein Entladestrom. Wenn eine „Null“ gespeichert war, fließt kein Strom. So oder so ist der Kondensator anschließend entladen. Der frühere Speicherinhalt muss wiederhergestellt werden. Ein solcher „Lesen-und-Wiederherstellen“-Zyklus dauert etwa 10 nsek (10 Nano-Sekunden), es kann also bis zu 100 Millionen mal pro Sekunde erfolgen. Das Lesen der Daten beansprucht etwa die Hälfte dieser Zeit, die andere Hälfte wird für das Zurückschreiben gebraucht.

Leider verlieren die Kondensatoren ihre Ladung nicht nur durch das Lesen, sondern auch durch Leckströme, denn Halbleitermaterial ist kein perfekter Isolator. Darum muss die Ladung der winzigen Kondensatoren einige tausend Male in der Sekunde aufgefrischt (nachgeladen) werden. Während des Vorgangs der Auffrischung, die englisch als „Refresh” bezeichnet wird, können keine Daten gelesen werden.

DRAM ist wegen des simplen Funktionsprinzips günstig zu produzieren, wobei man hohe Packungsdichten erreicht. Deshalb wird DRAM als Arbeitsspeicher im PC eingesetzt. Mehrere einzelne Schaltkreise, auf einer kleinen Platine von etwa 15 x 2 cm aufgelötet, nennt man ein Speichermodul.

[Bearbeiten] Bauformen von DRAM

Typ	Modul	Chip	Speichertakt	Übertragungsrate
DDR-1	PC1600	DDR-200	100 MHz	1600 MByte/s
	PC2100	DDR-266	133 MHz	2100 MByte/s
	PC2700	DDR-333	166 MHz	2666 MByte/s
	PC3200	DDR-400	200 MHz	3200 MByte/s
DDR-2	PC2-3200	DDR2-400	100 MHz	3200 MByte/s
	PC2-4200	DDR2-533	133 MHz	4200 MByte/s
	PC2-5300	DDR2-666	166 MHz	5300 MByte/s
	PC2-6400	DDR2-800	200 MHz	6400 MByte/s
	PC2-8000	DDR2-1000	250 MHz	8000 MByte/s
	PC2-8500	DDR2-1066	266 MHz	8500 MByte/s
DDR-3	PC3-6400	DDR3-800	100 MHz	6400 MByte/s
	PC3-8500	DDR3-1067	133 MHz	8500 MByte/s
	PC3-10600	DDR3-1333	166 MHz	10600 MByte/s
	PC3-12800	DDR3-1600	200 MHz	12800 MByte/s

Dynamischer RAM wird seit Jahrzehnten in den verschiedensten Bauformen gefertigt. Vor dem Jahr 2002 wurden die PCs mit RAM in der Bauform SDRAM bestückt, das ist die Abkürzung für „Synchronous Dynamic Random Access Memory“. Seitdem heißen die verwendeten Bauformen DDR-1, DDR-2 und DDR-3.

[Bearbeiten] DDR-1

Die Pentium-CPUs bis zum Pentium III arbeiteten mit sogenannten SDRAM-Speichermodulen zusammen, deren Geschwindigkeit für den Pentium 4 nicht ausreichte. 1999 kamen die ersten „DDR“-Module auf den Markt. DDR steht für Doppelte Daten-Rate und bedeutet, dass zweimal pro Speichertakt Daten übertragen werden. Die erste Generation dieser Speicher (DDR-1) wurde mit 100 MHz getaktet, wegen der Verdopplung wurden daraus 200 MHz. Da bei jedem Speicherzugriff gleichzeitig 8 Byte (64 Bit) übertragen werden, errechnet sich die Datenübertragungsrate als 200 MHz x 8 Byte = 1600 MByte/s. Ein Speichermodul „PC3200“, bestückt mit „DDR-400“ Chips, erreichte maximal 3200 MByte/s bei 200 MHz.

[Bearbeiten] DDR-2

Pro Takt werden viermal Daten übertragen. Dadurch verdoppelt sich die Datenübertragungsrate erneut: Bei 100 MHz Takt werden 3200 MByte/s erreicht, maximal 8500 MByte/s bei 266 MHz sind möglich.

[Bearbeiten] DDR-3

Pro Takt werden achtmal Daten übertragen. Die Datenübertragungsrate verdoppelt sich zum dritten Mal: Bei 100 MHz Takt werden 6400 MByte/s erreicht, maximal 12800 MByte/s bei 200 MHz sind möglich.

[Bearbeiten] Welcher RAM ist der richtige für Sie?

Ob Sie DDR-1, 2 oder 3 brauchen, hängt von Ihrer Hauptplatine ab, denn jeder RAM-Typ hat einen anderen Steckplatz. Sehen Sie im Handbuch nach, welcher Typ passt und welche Mindestgeschwindigkeit gefordert ist. Die Geschwindigkeit können und sollten Sie etwas höher als das geforderte Minimum wählen, damit Sie eine Sicherheitsreserve haben. Die höhere Geschwindigkeit kostet Sie nicht viel mehr, denn der Preis hängt nur sehr wenig von der Schaltgeschwindigkeit ab.

[Bearbeiten] SRAM

Der statische Speicher (SRAM) ist Elektronikbastlern als „Flip-Flop“ bekannt. Die Schaltung ist recht kompliziert, denn pro Bit werden mindestens 6 Transistoren benötigt. Dieser hohe Schaltungsaufwand bringt einen deutlichen Geschwindigkeitsvorteil: SRAM ist etwa einhundert mal schneller als DRAM, außerdem benötigt SRAM weder Auffrischung noch Auffrischungspausen. Deshalb wird SRAM in der CPU als Cache-Speicher verwendet. Etwa die Hälfte der in einer CPU enthaltenen Transistoren entfallen auf den SRAM.

Bitte nicht verwechseln: SRAM = statisch (eine Transistorschaltung), DRAM = dynamisch (Kondensatoren), SDRAM = Synchroner DRAM = synchron angesteuerte Kondensatoren.

[Bearbeiten] Warum kann man den Arbeitsspeicher nicht aus dem schnelleren SRAM fertigen?

Die CPU benötigt laufend Daten aus dem RAM. Während Prozessoren heute mit mehr als 2000 bis 3000 Megahertz arbeiten, schaffen DRAM-Speicher bestenfalls 800 MHz. Dieses Missverhältnis zwischen Speicher und Prozessortakt zwingt die CPU, sogenannte Wartezyklen einzuschieben, um auf Daten aus dem Speicher zu warten. Anders gesagt: Je schneller der Prozessor ist, desto öfter muss er auf Daten warten. In den letzen zehn Jahren sind CPUs etwa einhundert mal schneller geworden, während die RAM-Zugriffszeit im gleichen Zeitraum lediglich von 10 ns auf 7 ns gefallen ist. Schnellerer Speicher wäre wunderbar. Die DRAM-Technologie ist an der Grenze des Erreichbaren. Es wird intensiv nach alternativen Technologien gesucht, aber bisher ist keine der neuen Erfindungen in Massenproduktion gegangen.

SRAM wäre wegen mit seiner Zugriffszeit von unter 0,1 ns der ideale Ersatz, hat aber einige schwere Nachteile.

• SRAM belegt pro Bit eine etwa 15mal größere Fläche im Schaltkreis als DRAM
• SRAM benötigen, je nach internem Aufbau und Verwendung, mehr Energie

Diese beiden Mängel - mehr Energie, mehr Fläche - begrenzen die Verwendung von SRAM. Ein Arbeitsspeicher von 1 GB aus SRAM würde einige zehntausende Euro kosten. Wegen der benötigten großen Leiterplattenfläche wären die Datenwege derart lang, dass die resultierende Zugriffszeit mehr als zwei ns betragen würden. Dadurch würde ein Teil der Geschwindigkeitsvorteile relativiert werden.