Computerhardware: RAM: 1 GB SRAM

Ein kleines Gedankenexperiment

Wir nehmen die Daten der Intel Q9650 CPU, die im zweiten Halbjahr 2008 in den Verkauf kam.

4 Kerne mit je 3 GHz „Yorkfield“
L2-Cache 2 * 6 MB
Energiebedarf bis 95W, im Halt-Zustand 12W
Preis etwa 400 Euro.

Welche Fläche wird für den Schaltkreis benötigt?

Die Grundfläche eines CPU-Gehäuses hängt von der Anzahl der benötigten Anschlüsse und dem Raster ab. CPUs mit dem Sockel 775 sind mit Außenmaßen von 37,5 x 37,5 mm etwa 1400 mm² groß. Zwar ist die vom Silizium-Chip benutze Fläche deutlich kleiner, aber wir rechnen mit den Außenmaßen, denn auch ein SRAM-Chip benötigt ein Gehäuse.
Der Anteil des L2-Cache an der gesamten Schaltkreisfläche liegt je nach CPU zwischen 40% und 60%. In Ermangelung exakter Daten rechnen wir den Cache mit 50% der Fläche. Würde man auf den restlichen 50% der Fläche die Rechen- und Steuerwerke durch Cachespeicher ersetzen, käme ein SRAM-Baustein mit 24 MB RAM heraus.
Für 1 GB RAM würden 1000/24 = 42 dieser Bausteine benötigt. Wenn sie in 7 Zeilen zu 7 Spalten mit einem minimalen Zwischenraum von 2,5 mm auf eine Leiterplatte gelötet werden könnten, würden sie eine quadratische Fläche von 4 cm x 7 Stück = 28 cm Kantenlänge benötigen. Die Diagonale wäre 40 cm lang. In der Mitte der Platine könnte die CPU Platz finden.

Was würde dieser Arbeitsspeicher kosten?

Wenn jeder der 42 Bausteine so viel kostet wie eine CPU, käme ein Preis von 42 x 100 = 4 200 Euro heraus. Bei einer Massenproduktion dieser Speicherchips würde der Preis sinken, allerdings ist bei diesem Preis eine Massenfertigung nicht zu erwarten. Ein Geheimdienst mag sich so etwas leisten können, aber Sie wohl nicht.

Wie hoch wäre der Strombedarf?

Das ist schwer zu kalkulieren. Elektronische Schaltungen haben Spitzenwerte des Stromverbrauchs im Umschaltmoment. Wenn der Schaltkreis im Ruhezustand ist, wird nur wenig Strom gebraucht. Unsere Beispiel-CPU braucht im Halt-Zustand nur ein Achtel der Leistung wie im Betrieb. Von hunderttausenden Byte im RAM sind zu jedem Zeitpunkt maximal die acht Byte aktiv, auf die der Prozessor gerade zugreift. Der restliche RAM ist ständig im Ruhezustand. Wenn wir pro Flächeneinheit für den RAM den gleichen Strombedarf von 12 Watt wie für die CPU im Haltzustand annehmen, kommt ein Gesamtbedarf von 500 Watt für 1 GB heraus. Da wird man wohl ein 1000 W Netzteil in den PC einbauen müssen.

Wie schnell wäre der SRAM-Speicher?

Falls Sie von diesen Kosten noch nicht abgeschreckt worden sind, gibt es ein weiteres Problem. Elektrische Signale bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. Das Licht ist aber leider viel zu langsam. Ein Takt einer 3,3-GHz-CPU dauert etwa 0,3 Nanosekunden, in dieser kurzen Zeit legt das Licht nur 10 cm zurück. Von der in der Mitte angeordneten CPU bis zur entferntesten Ecke und zurück sind es 40 cm „Luftlinie“. Weil die Leiterzüge rechteckig verlaufen, sind 60 cm realistischer. Ein elektrisches Signal würde also mindestens 2 ns unterwegs sein, das entspricht 6 Takten der CPU.

Im Ergebnis kann der SRAM seine Zugriffszeit von 0,1 ns nicht ausspielen, weil die Signalwege zu lang sind. Der riesige, teure SRAM wäre also nur reichlich dreimal so schnell wie „normaler“ DRAM, der auf 7 ns kommt.

Gibt es lieferbare SRAM, die man verwenden könnte?

Das obige Beispiel setzt voraus, dass ein CPU-Hersteller bereit wäre, SRAM nach der neuesten Technologie zu entwickeln und in seinen modernsten Chipfabriken anstelle von CPUs zu produzieren. Das wird nicht geschehen.

Handelsübliche SRAM-Chips sind nicht geeignet, weil die Packungsdichte zu gering ist. Dadurch sind die Chips langsam und haben eine geringe Kapazität. Ein Beispiel ist der IS61LV25616AL, der 0,5 MByte speichert, 20 x 12 mm groß ist und nur 1 Watt Leistung braucht. Man brauchte 2000 Stück davon für 1 GB. Die benötigten 2000 Watt entsprechen etwa der Heizleistung einer Waschmaschine. Der ganze Aufwand wäre aber umsonst: Die Zugriffszeit von 10 ns ist noch langsamer als Standard-DDR-RAM.