RAM - Random Access Memory

RAM - Random Access Memory
Random Access Memory (dt. Speicher mit wahlfreiem Zugriff), abgekürzt RAM, ist ein
Speicher, der besonders bei Computern als Arbeitsspeicher Verwendung findet. RAMs
werden als integrierte Schaltkreise hauptsächlich in Silizium-Technologie realisiert. RAM
wird in allen Arten von elektronischen Geräten eingesetzt.
Wahlfrei bedeutet in diesem Zusammenhang, dass jede Speicherzelle über ihre
Speicheradresse direkt angesprochen werden kann, der Speicher also nicht sequenziell oder in
Blöcken ausgelesen werden muss (bei großen Speicherbausteinen erfolgt die Adressierung
jedoch nicht über die einzelnen Zellen, sondern über ein Wort, dessen Breite von der
Speicherarchitektur abhängt). Das unterscheidet den RAM von blockweise zu beschreibenden
Speichern, den so genannten Flash-Speichern. Im Gegensatz zu einem ROM (Read Only
Memory) kann RAM sowohl gelesen als auch beschrieben werden.
Der üblicherweise in Computern eingesetzte RAM ist 'flüchtig' (auch: 'volatil'), das heißt, die
gespeicherten Daten gehen nach Abschaltung der Stromzufuhr verloren. Es gibt allerdings
auch RAM-Typen, die ihre Information auch ohne Stromzufuhr erhalten ('nichtvolatil'). Diese
werden NVRAM genannt.
Die flüchtigen RAMs teilen sich in:
•
Statisches RAM oder SRAM
•
Dynamisches RAM oder DRAM
Es gibt eine Vielzahl von DRAM-Bauarten, die sich historisch entwickelt haben:
•
EDO-RAM
•
SDRAM
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DDR-SDRAM
•
RDRAM
Derzeit sind eine Reihe von nichtflüchtigen RAM-Technologien (NVRAM) in der
Entwicklung, wie:
•
FeRAM
•
MRAM
•
PCRAM
Die Speicherkapazität wird in Bit und Byte angegeben.
Als Arbeitsspeicher verwendetes RAM wird häufig in Form von Speichermodulen
eingesetzt:
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SIMM/PS/2-SIMM
•
DIMM/SO-DIMM
•
RIMM/SO-RIMM
Übersicht Speichermoduleformen:
SIMM:
S0-SIMM
SDR-DIMM
DDR-DIMM
Micro-DIMM
RIMM
S0-RIMM
RAM - Random Access Memory
Übersetzt bedeutet die Abkürzung RAM "Speicher mit wahlfreiem Zugriff". In Form von
Chips bzw. aus Chips bestehenden Modulen wird dieser Speicher häufig als Arbeitspeicher in
Personal Computern verwendet.
Der Arbeitspeicher eines Computers ist der Arbeitsraum für den Hauptprozessor. Er stellt
einen temporären Speicherbereich für Programme und Daten, die vom Prozessor gerade
bearbeitet werden, dar. Warum temporär? Der RAM benötigt im Gegensatz zum ROM einen
ständigen Stromimpuls zur Speicherung von Daten. Wird dieser unterbrochen, verlieren die
RAM-Speicherzellen die gespeicherten Informationen.
Das Prinzip des Arbeitsspeichers anhand einer geöffneten Datei:
Wenn Dateien in den Arbeitsspeicher geladen werden, wird lediglich eine Kopie geladen. Das
Original bleibt unverändert auf der Festplatte. Ändert man an dieser Datei etwas, muss sie erst
gespeichert werden um die Änderung dauerhaft zu behalten.
DRAM - Dynamischer RAM
Die Speicherzellen eines DRAM-Chips bestehen aus winzigen Kondensatoren, die eine
Ladung speichern um ein Bit darzustellen. Die Speichereinheiten sind sehr dicht in den Chip
gepackt, für jedes Bit existiert ein Transistor-Kondensator Paar.
Da die Speicherzellen dynamisch sind, müssen sie ständig aufgefrischt werden. Sonst baut die
Ladung der Speicherkondensatoren kontinuierlich ab und die Daten gehen verloren.
Der Speicherkontroller, der sich im Chipsatz eines PC-Mainboards befindet, liest nach einer
eingestellten Refreshzeit alle Reihen im Speicher um die Daten aufzufrischen.
DRAM-Chips haben circa 256 Millionen Transistoren (bei 256 MB) was weitaus mehr ist, als
ein Prozessor hat. Diese Dichte der Transistoren liegt an der einheitlichen Gitteranordnung in
den DRAM-Speicherzellen, während bei einer CPU weitaus verstricktere Strukturen zu finden
sind. DRAM ist relativ günstig in der Herstellung aber auch vergleichsweise langsam auf
Grund des benötigten Refreshs.
SRAM - Statischer RAM
Der SRAM wird deshalb als statisch bezeichnet, weil diese Speicherzellen neben der
anliegenden Spannung keinen Refresh-Zyklen benötigt um Daten zu speichern. Seit 1987 gibt
es SRAM-Speicher in Personal Computern. (Damals noch für den 386er)
Anders als beim DRAM bilden hier 6 Transistoren 1 Bit. Kondensatoren werden nicht
benötigt, deshalb ist auch kein Refresh nötig. Die Herstellung ist um einiges teurer als DRAM
dafür sind die SRAM-Speicherzellen annähernd so schnell wie Prozessoren. Sie werden
häufig als Cache mit direkter CPU-Anbindung benutzt. Die Daten werden kurz bevor sie
benötigt werden in den schnellen SRAM-Cache eingelesen und wenn die CPU die
entsprechenden Speicheradressen abruft, sofort aus dem Cache gelesen.
Da aktuelle Prozessoren immer schneller werden, wird der Cache immer wichtiger. Deshalb
gibt es inzwischen ein zweistufiges, und zum teil schon dreistufiges Cache-Sytem (L1, L2,
L3).
Die Entwicklung der DRAM-Technologie
FPM-DRAM (Fast Page Mode)
Moderne DRAMs nutzen das sogenannte Paging, dabei kann auf sämmtliche
Speicheradressen in einer Zeile schneller zugegriffen werden. Die Adresse der Zeile wird
beibehalten und nur die Adresse der Spalte geändert.
Dies ist eine einfache aber effektive Methode die Leistung des Speichers zu verbessern. Er
wird dabei in Spalten von 512 Byte bis zu einen Kilobyte aufgeteilt.
Seit dem 486er gibt es noch eine weitere Verbesserung:
Burst-Modus.
Bei dieser Methode wird die Tatsache genutzt, dass die meisten Speicherzugriffe
nacheinander erfolgen. Es reicht nun aus, die Zeilen- und Spaltenadresse für einen Zugriffe
festzulegen, um auf die folgenden drei Adressen ohne zusätzliche Latenzzeit bzw. Waitstats
zugreifen zu können.
Der Burst-Zugriff ist auf vier Zugriffe beschränkt, Schreibweise: x-y-y-y die Buchstaben
geben die benötigten Zyklen an (Bsp: 5-3-3-3)
DRAM Speicher, der Paging und den Burst-Mode unterstützt wird als FPM-Speicher
bezeichnet, er kam 1987 auf den Markt.
EDO-RAM
Die Abkürzung EDO steht für Extended Data Out. Diese Art von Speicher erschien 1995 auf
dem Markt und fand sich kurze Zeit später in allen handelsüblichen Personalcomputern
wieder.
Er ist schneller als seine Vorgänger, da sich die Taktzyklen überschneiden können. Der
Speicherkontroller kann mit einer neuen Spaltenandresse beginnen, während er noch bei der
aktuellen Adresse Daten liest.
Im Burst Modus erreicht EDO-RAM ein Timing von 5-2-2-2. Er wurde auf Single-InlineMemory Modulen, den sogenannten SIMMs verbaut. Später wurden PS/2-Module verwendet.
Burst-EDO
Wurde kürzer auch BEDO-RAM genannt. Dies war ein EDO-Speicher mit speziellen BurstFunktionen, die aber nur von dem Intel Chipsatz 440FX Natoma unterstützt wurde. Er wurde
aber schnell vom neueren SDRAM abgelöst.
SDRAM
Diese sehr erfolgreiche RAM-Technologie wurde 1997 eingeführt. Das Besonder bei diesen
Speicherbausteinen ist die Synchronität zum Systemtakt. Im Gegensatz zum asynchronen
DRAM gibt es nun kaum noch Latenzzeiten. Es gibt eine deutliche Leistungssteigerung
gegenüber dem EDO und FPM Speicher, das Timing beträgt nur noch 5-1-1-1 (daher vier
Leseoperationen in nur acht Zyklen). Verbaut wurden die Speicherchips auf den Dual-InlineMemory-Modulen, den sogenannten DIMMs.
Das JEDEC-Gremium ist zuständig für die standartisierung der Speichertechnologien. Es hat
folgende SDRAM Typen spezifiziert: PC-66, PC-100 und PC-133. Die Zahl der jeweiligen
Norm stellt die ideale Betriebsgeshwindigkeit in Megahertz (MHz) dar. Übertaktungen
könnne zu Hardwaredefekten führen.
DDR-SDRAM
Die Weiterentwicklung des SDRAMs wird als DDR-SDRAM bezeichnet. Das Taktsignal
wird nun auf der steigenden und fallenden Flanke zur Datenübertragung genutzt. So konnte
eine verdopplung der Geschwindigkeit erziehlt werden. Bei 133Mhz wird das RAM-Modul
daher als PC266 bezeichnet.
Verbaut werden die DDR-SDRAM Bausteine auf leicht veränderten DIMMs. (Erkennbar
daran, dass das Speichermodul nur eine Kerbe besitzt.)
RDRAM
Seit Ende 1999 gibt es als SDRAM Konkurenz die Rambus DRAM-Speicher. Diese
Technologie wurde ursprünglich für Spielekonsolen entwickelt und mit dem Nintendo 64
bekannt.
Die Speichermodule werden mit 800 Mhz getaktet. In RIMMs mit 184 Kontakten auf beiden
Seiten werden sie verbaut, jedoch sind keine Speicherchips mehr zu sehen, da diese von
einem Kühlkörpermetalldeckel bedeckt werden. So wird mehr Wärme abgeleitet, was den
Chips zu einer längeren Lebensdauer verhilft.
Die Zukunft der Speichertechnologie
Die Entwicklung schreitet täglich voran. Die aktuelle DDR2 Technik soll schon 2006 von
noch kleineren und schnelleren DDR3-Modulen abgelöst werden.
Geforscht wird zur zeit noch an Technologien, mit denen magnetische RAM-Speicher
möglich sind. MRAM funktioniert magnetisch und soll einmal den Arbeitsspeicher und die
Festplatte komplett ersetzen, da er schnell genug ist um den Arbeitsspeicher überflüssig zu
machen.