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).

DRAM[Bearbeiten]

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.

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[Bearbeiten]

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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
PC4-21300 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[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

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.

Welcher RAM ist der richtige für Sie?[Bearbeiten]

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. 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.

Läuft ein neues Modul im Verbund mit einem älteren, so wird es automatisch auf dessen Takt gebremst, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten. Schnellere Speichertypen als in der Tabelle gelistet 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?[Bearbeiten]

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 ständig, etwa 20 bis 40 % pro Jahr. 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[Bearbeiten]

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.
  • 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?[Bearbeiten]

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 Nachteile 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 Zugriffszeiten von nahezu vollständig aus statischem RAM bestehendem Hauptspeicher möglich.