Computerhardware: RAM

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).

DRAM

Der Dynamische Speicher (DRAM) ist verblüffend einfach aufgebaut. Jede Speicherzelle besteht aus einem Kondensator (das ist ein Kurzzeitspeicher für Elektrizität) 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. Das nennt man „zerstörendes Lesen“. Deshalb muss in einem zweiten Schritt der frühere Speicherinhalt wiederhergestellt werden. Ein solcher „Lesen-und-Wiederherstellen“-Zyklus dauert etwa fünf bis zehn ns (10 Nano-Sekunden), er kann also bis zu 200 Millionen mal pro Sekunde erfolgen. Das Lesen der Daten beansprucht etwa die Hälfte dieser Zeit, die andere Hälfte wird für das Zurückschreiben (Wiederherstellen) gebraucht.

Einzelchip vor 1991

PC-3200-Modul mit DDR-400 Speicherschaltkreisen

RAM mit Kühlkörper

Warum aber wird der Speicher als „dynamisch“ bezeichnet? Halbleitermaterial ist kein perfekter Isolator. Wie der Name sagt, leitet es elektrischen Strom, wenn auch wenig. Deshalb verlieren die Kondensatoren ihre Ladung nicht nur durch das Lesen, sondern auch durch „Leckströme“. 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, kann die CPU nicht auf die Daten zugreifen. DRAM ist wegen des simplen Funktionsprinzips günstig zu produzieren, wobei man hohe Packungsdichten erreicht. Deshalb wird DRAM als Arbeitsspeicher im PC eingesetzt.

Bis etwa 1991 wurden DRAM-Einzelchips verwendet. 36 Stück davon mussten in die Fassungen der Hauptplatine eingesteckt werden, um ein Megabyte Arbeitsspeicher zu bestücken. Stellen Sie sich den Aufwand vor, wenn einer davon defekt war und man durch Auswechseln ermitteln muss, welcher der defekte ist! Zum Glück kamen die Konstrukteure auf die Idee, 9 oder 18 dieser Schaltkreise auf eine kleine Platine von etwa 13 x 3 cm aufzulöten. Eine solche Platine nennt man „Speichermodul“, siehe übernächste Seite. Die Hauptplatine mit maximal vier derartigen Modulen statt mit 36 einzelnen Chips zu bestücken, ist eine große Erleichterung.

Bauformen von DRAM

< hoch zu RAM

Typ	Modul	Chip	Speichertakt	Übertragungsrate
SDRAM	PC100	PC100	100 MHz	800 MByte/s
	PC133	PC133	133 MHz	1066 MByte/s
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	DDR3-1066	133 MHz	8500 MByte/s
	PC3-10600	DDR3-1333	166 MHz	10666 MByte/s
	PC3-12800	DDR3-1600	200 MHz	12800 MByte/s
	PC3-16000	DDR3-2000	250 MHz	16000 MByte/s
	PC3-17066	DDR3-2133	266 MHz	17066 MByte/s
	PC3-19200	DDR3-2400	300 MHz	19200 MByte/s
DDR-4	PC4-12800	DDR4-1600	800 MHz	12800 MByte/s
	PC4-17000	DDR4-2133	1066 MHz	17000 MByte/s
	PC4-19200	DDR4-2400	1200 MHz	19200 MByte/s
	PC4-21300	DDR4-2666	1333 MHz	21300 MByte/s
	PC4-22400	DDR4-2800	1400 MHz	22400 MByte/s
	PC4-24000	DDR4-3000	1500 MHz	24000 MByte/s
	PC4-25600	DDR4-3200	1600 MHz	25600 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, DDR-3 und DDR-4.

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.

DDR-2

Eine erneute Verdopplung: Pro Speichertakt 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.

DDR-3

Die Datenübertragungsrate verdoppelt sich zum dritten Mal: Pro Takt werden achtmal Daten übertragen. Die Datenübertragungsrate verdoppelt sich zum dritten Mal: Bei 100 MHz Takt werden 6400 MByte/s erreicht, maximal 19200 MByte/s bei 300 MHz sind möglich.

DDR-4

Die Datenübertragungsrate wurde nicht verdoppelt, insofern ist DDR-4 keine neue Technologie. Die höhere Geschwindigkeit wird einerseits durch den höheren Speichertakt erreicht, andererseits durch eine höhere interne „Parallelisierung“.

Bei DDR3-Modulen muss alle 64 Millisekunden ein Refresh-Zyklus stattfinden. Die DDR4-Speichermodule steuern die Refreshrate dynamisch: Bei niedriger Temperatur verlieren die Speicherzellen weniger Elektronen und die Refresh-Häufigkeit kann verringert werden. Das spart etwa 20 % Energie und die CPU muss seltener auf das Ende eines Refresh-Zyklus warten. Weitere 15 % Energie spart die auf 1,2 Volt verringerte Betriebsspannung. Erste Hersteller haben 2014 mit der Serienproduktion von „Stacked-DDR-4-RAM“ begonnen. Beim sogenannten „3D-Stacking“ werden wie bei der 3D-NAND-Technologie von SSDs mehrere Lagen Speicherzellen im Inneren des Chips übereinander gestapelt. Der Standard erlaubt bis zu acht Schichten von RAM-Zellen übereinander zu stapeln. Damit werden RAM-Riegel mit bis zu 512 GB möglich.

DDR-5

Im Jahr 2018 soll die Spezifikation fertig sein: Doppelte Geschwindigkeit und Speicherkapazität bis 128 GB pro Modul, weniger Energiebedarf. Es wird ein reichliches Jahr dauern, bis die ersten DDR-5-Module und dazu passende Mainboards auf dem Markt sind.

Fehlerkorrektur

Schon die DDR3-Speichermodule haben eine interne automatische Fehlerkorrektur. DDR4-Speicher haben eine wesentlich verbesserte und schnellere Fehlerkorrektur. Auch der Inhalt von Prozessor-Cache, Flash-Speicher und Festplatten wird durch Fehlerkorrekturverfahren geschützt. Wozu ist das nötig?

Es gibt zufällige Störungen, z. B. durch Spannungsspitzen von der Energieversorgung. Überall auf der Erde gibt es eine natürliche Radioaktivität. Außerdem dringen Reste des Sonnenwindes und von energiereicher kosmischer Strahlung bis zur Erdoberfläche vor und können die Ladung aus einem Bit herausschlagen. Einmal im Monat (sehr grob geschätzt) wird einer Ihrer RAM-Bausteine so schwer getroffen, dass die interne Fehlerkorrektur versagt. Dazu ein interessantes Fundstück aus den 70er Jahren:

„Das National Laboratory in Los Alamos (New Mexico, USA) hat sich bei IBM einmal beschwert, dass bei ihren Kollegen in Livermore (Kalifornien, USA) bei den gleichen Rechnern viel weniger Fehler auftreten. Dazu muss man wissen, dass Los Alamos auf ca. 2200 m Höhe liegt, während Livermore in der Nähe von San Francisco etwa auf Meereshöhe liegt. In Los Alamos ist die kosmische Neutronenstrahlung fünfmal stärker als auf Meereshöhe.“ (gefunden auf http://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/1504141.htm).

Einzelbitfehler führen nur selten zu Abstürzen: Meist trifft es ungenutzte Programmteile oder Massendaten. Wenn in einer Video- oder Audiodatei ein Bit falsch ist, können Sie das unmöglich sehen oder hören.

Abstand der Mitte der Kerbe vom nächstgelegenen Rand

	Typ	Abstand
Desktop	SDRAM	24,5 mm
Desktop	DDR(-1)	60,0 mm
Desktop	DDR-2	62,7 mm
Desktop	DDR-3	55,0 mm
Desktop	DDR-4
Notebook	DDR-2	15,5 mm
Notebook	DDR-3	24,8 mm

Welcher RAM ist der richtige für Sie?

Ob Sie DDR-1, -2, -3 oder -4 brauchen, hängt ausschließlich von Ihrer Hauptplatine ab, denn für jeden RAM-Typ sieht der Steckplatz anders aus und er benötigt eine andere Versorgungsspannung. Die Anzahl der Kontakte ist unterschiedlich, und die Kerben befinden sich an unterschiedlichen Positionen. Sehen Sie im Handbuch der Hauptplatine nach, welcher Typ passt und welche Mindest- und Höchstgeschwindigkeit gefordert sind. Falls Sie aus dem englischen Handbuch nicht schlau werden, zeigen Sie es dem Verkäufer. Vielleicht können Sie auch einen der vorhandenen RAM-Bausteine ausbauen und als Muster mitnehmen. Oder Sie installieren SiSoft Sandra. Über „Hardware-Informationen“ → „Onboard-Geräte“ → „Hauptplatine“ → „Speicherbänke“ finden Sie die technischen Informationen zu Ihren Speichermodulen.

Die Geschwindigkeit können und sollten Sie (außer bei Laptops) etwas höher als das geforderte Minimum wählen. Meist ist die schnellste der gängigen Geschwindigkeiten gleichzeitig die beliebteste und aufgrund der hohen Verkaufszahlen auch die günstigste. Damit verbunden ist bei kompletter Neubestückung ein messbarer, aber kaum spürbarer Geschwindigkeitsvorteil.

Bei Mischbestückungen sollte das BIOS den Speichertakt so einstellen, dass das langsamste Modul damit zurechtkommt. Das klappt fast immer. Wenn Sie z. B. ein langsames 0,5-GB-Speichermodul DDR2-400 mit einem schnellen 2-GB-Modul DDR2-1000 ergänzen, würde das schnelle Modul von 1000 MHz auf 400 MHz heruntergetaktet. In diesem Fall ist es wahrscheinlich sinnvoller, auf das langsamere Speichermodul zu verzichten. Sie haben dann zwar weniger Speicher, der aber schneller getaktet wird.

Schnellere Speichertypen benötigen manuelle Einstellungen, da sonst nur der vom Hauptplatinen-Hersteller freigegebene Maximaltakt benutzt wird. Der Preis solcher Module steigt aber unverhältnismäßig stark an, obwohl keine spürbare Mehrleistung im normalen Betrieb erzielt wird.

Warum den Arbeitsspeicher aufrüsten?

Die Größe des Arbeitsspeichers beeinflusst stark die Geschwindigkeit des Rechners. Wenn der Arbeitsspeicher knapp wird, muss das Betriebssystem prognostizieren, welche Programmkomponenten demnächst vermutlich nicht benötigt werden, und diese auf die (vieltausendmal langsamere) Festplatte auslagern. Wenn Sie einen vom Betriebssystem nicht vorausgeahnten Klick machen, muss das Betriebssystem ganz schnell irgendein ungenutztes Programmteil auslagern, um das von Ihnen gewünschte Programmteil laden zu können. Zu wenig Arbeitsspeicher bremst deshalb auch den schnellsten PC aus.

Komplettsysteme sind mit RAM eher knapp ausgestattet, um einen günstigen Preis zu erreichen. Für ein wenig Surfen, Musik hören und Videos betrachten reicht das auch. Doch wenn es die Möglichkeit gibt, sollte man schon beim Kauf eine bessere RAM-Ausstattung wählen.

Selbst wenn Ihr PC gleich nach dem Kauf schnell genug ist, wird er im Laufe der Monate immer langsamer. Wieso?

• Im Laufe der Zeit werden immer mehr Programme installiert. Vergleichen Sie einmal die heutige Anzahl der installierten Programme mit dem Stand kurz nach dem Kauf!
• Nicht nur die Programme belegen mehr Platz. Immer mehr Daten sammeln sich an. Fotos, Musik und Videos belegen viel Platz. Die Magnetköpfe der Festplatte müssen immer länger werdende Wege zurücklegen, um die benötigten Daten heranzuschaffen.
• Das Antivirenprogramm lädt jeden Tag eine Liste von neuen Bedrohungen herunter. Je umfangreicher diese Liste ist, desto länger dauert das Scannen jeder einzelnen Datei.
• Im Laufe der Zeit werden sowohl Windows als auch die installierten Programme durch Updates sowohl umfangreicher als auch langsamer. Ein Beispiel: Windows 7 Home in der 64-Bit-Version mit Servicepack 1 benötigte 1 + 80 + 11 + 1 Update, um den Stand vom 01.08.2012 zu erreichen.

Allerdings wird nicht nur die Festplatte voller, sondern die zahlreicheren und größeren Dateien belegen mehr Arbeitsspeicher als vorher. Windows muss zunehmend oft ungenutzte Programmteile auslagern. Deshalb ist eine Aufrüstung (Vergrößerung) des Arbeitsspeichers meist sinnvoll.

Durch ständige technologische Fortschritte sinken die RAM-Preise, etwa 20 bis 40 % in manchen Jahren. Doch das gilt nur für die jeweils neueste Technologie. Veraltete Technologien werden nicht mehr weiterentwickelt und die Produktionsmengen sinken, deshalb bleiben die Preise für ältere RAM-Typen auf hohem Niveau.

12 bis 18 Monate nach dem Kauf eines PC können Sie passende RAM-Module billig nachkaufen. Wesentlich länger als zwei Jahre mit dem Nachkauf zu warten kann riskant sein, weil dann die passende RAM-Sorte möglicherweise nicht mehr hergestellt wird oder in so geringer Menge, dass wegen andauernder Nachfrage die Preise nicht sinken.

Mit der Vergrößerung des Arbeitsspeichers erzielt man ein sehr günstiges Verhältnis zwischen Preis und Leistungszuwachs. Mehr Leistung kann man auch durch das Auswechseln der CPU erreichen (falls das geht). Aber so eine Investition ist teuer (weil Sie die ausgebaute CPU nicht weiterverwenden können) und bringt vermutlich ein bescheidenes Resultat.

SRAM

Der statische Speicher (SRAM) ist Elektronikbastlern als „Flip-Flop“ bekannt. Diese Schaltung ist recht kompliziert, denn pro Bit werden zwei Transistoren zum Speichern benötigt, plus vier Transistoren pro Bit zum Beschreiben und Auslesen plus mehrere Widerstände und Dioden. Dieser hohe Schaltungsaufwand bringt einen deutlichen Geschwindigkeitsvorteil:

• SRAM ist etwa einhundert mal schneller als DRAM.
• SRAM benötigt keine Auffrischung (Refresh).
• Die Information wird beim Auslesen nicht gelöscht, deshalb entfällt der bei DRAM notwendige Wiederherstellen-Zyklus.

Deshalb wird SRAM in der CPU als Cache-Speicher verwendet. Ein großer Cache-Speicher ist derart wichtig für die Leistung der CPU, dass ungefähr die Hälfte der in einer CPU enthaltenen Transistoren für den Cache verwendet werden.

Bitte nicht verwechseln:

• SRAM = statisch (eine Transistorschaltung),
• DRAM = dynamisch (Kondensatoren),
• SDRAM = Synchroner DRAM = synchron angesteuerte Kondensatoren.

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 letzten 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 leider einige schwere Nachteile.

• Ein Arbeitsspeicher aus SRAM von 1 GB Kapazität würde einige tausend Euro kosten.
• SRAM belegt pro Bit eine etwa 15mal größere Fläche im Schaltkreis als DRAM
• SRAM benötigt deutlich mehr Energie

Der höhere Energie- und Flächenbedarf begrenzen die Verwendung von SRAM, vom Preis mal abgesehen. Die benötigte Leiterplattenfläche wäre riesig und die Datenwege würden zu lang werden. Um eine Strecke von 30 cm zu durchlaufen, braucht ein Lichtstrahl eine Nanosekunde. Elektrische Signale sind geringfügig langsamer als das Licht. Was nützt eine Zugriffszeit von unter 0,1 ns, wenn die Daten für den Weg bis zur CPU eine Nanosekunde brauchen? Die CPU müsste ganze drei Takte warten (bei einer 3-GHz-CPU entfallen drei CPU-Takte auf eine Nanosekunde).

Abgesehen von den oben genannten Nachteilen wäre die Leistungssteigerung eines SRAM Hauptspeichers nicht signifikant im Vergleich zu modernen Cachearchitekturen. Mit Multilevelcaches, gefertigt aus SRAM (mit maximal nur wenigen MB Kapazität) und intelligenten Schreibstrategien sind vergleichbare Zugriffszeiten wie mit vollständig aus statischem RAM bestehendem Hauptspeicher möglich.