Arbeitsspeicher (RAM)

Kategorie: Verarbeitung Erstellt: Mittwoch, 03. Oktober 2012 Zuletzt aktualisiert: Mittwoch, 16. Dezember 2015

Arbeitsspeicher=RAM=Random Access Memory. Die wörtliche Übersetzung dieses Namens sorgt schon mal für Verwirrung: "Zufälliger-Zugriff Speicher". Nun sollen ja aber nicht zufällig irgendwelche Daten gelesen oder geschrieben werden, sondern wenn's geht schon die Daten, die man gerne hätte. Und so ist es dann auch. Das "Random" soll nur zeigen, dass man Daten von allen Positionen innerhalb der Speicherbänke gleich schnell lesen bzw. schreiben kann und das dies recht schnell geht. Bei Festplatten zum Beispiel muss erst der Lesearm zu der gewünschten Stelle bewegt werden und die Daten der äußeren Bereiche lassen sich schneller lesen als die der inneren. Beim Arbeitsspeicher hingegen kann man grundsätzlich alle Daten gleich schnell erreichen.

Da keine mechanischen Komponenten involviert sind, ist der Zugriff sehr schnell. Allerdings handelt es sich beim Arbeitsspeicher nicht um permanenten Speicher. Wird der Computer ausgeschaltet, ist der Inhalt verloren.

Den prinzipiellen Aufbau eines RAM-Chips kann man sich wie eine große Tabelle mit Zeilen und Spalten vorstellen. Um nun den Inhalt auszulesen oder zu schreiben, wird die Nummer der Spalte und die Nummer der Zeile übertragen, außerdem wird über eine Leitung noch festgelegt, ob geschrieben oder gelesen werden soll.

In handelsüblichen PCs sitzen nun keine einzelen RAM-Chips sondern es sind mehrere Chips zu einem Riegel zusammen gefasst (SIMM, Single Inline Memory Module oder DIMM, Sual Inline Memory Module), der in die Hauptplatine gesteckt wird. Da es nun außerdem sehr aufwändig wäre, jedes Bit einzeln anzusprechen, werden die Daten zusammengefasst. Man kann mehrere Bits einer Zeile auf einen einzelnen Abruf hin lesen und zur CPU schicken oder von ihr empfangen und schreiben (Burst-Modus, zum beispiel bei SD- und DDR-RAM). Außerdem werden die Chips auf dem RAM-Riegel (oder auch auf mehreren RAM-Riegeln gleichzeitig) gleichzeitig angesprochen.

Wenn man bedenkt, dass ein handelsüblich intstallierter Arbeitsspeicher 4 GB umfasst, was ausgeschrieben 34359738368 Bit sind, dann versteht man, warum hier diverse Optimierungsstrategien zum Einsatz kommen.

Eine einzelne Speicherzelle besteht im Kern aus einem Transistor zum Schlten und einem Kondensator zum Speichern der Information. Da die Ladung des Kondensators sehr klein ist und außerdem die Ladung über die Zeit verloren geht, sind regelmäßige Auffrischungen (refresh cycles) nötig, um den Speicherinhalt zu erhalten. Dies erfolgt etwa 15 bis 35 mal pro Sekunde. So erklärt sich auch die Flüchtigkeit des RAM.

Leistungsmerkmale

Die Leistungsfähigkeit eines RAM-Moduls hängt in erster Linie (aber nicht nur) von seiner Taktfrequenz ab. Durch viele Tricks versucht man, die Taktfrequenz zu steigern bzw. bei gleicher Frequnz mehr Daten zu übertragen (siehe unten). Außerdem ist noch die Busbreite zu beachten, die festlegt, wieviele Daten pro Takt übertragen werden können. Muss ein Speicher öfter einen Refresh-Zyklus über sich ergehen lassen, sinkt die Geschwindigkeit, da in dieser Zeit keine Zugriffe möglich sind.

Wichtig sind auch die Latenzzeiten, die angeben, wie lange man auf die angeforderten Daten warten muss. Diese Wartezeiten kommen zustande, da sich die Spannungen auf den Leitungen immer erst stabilisieren müssen, bevor Aktionen ausgeführt werden können. Im Handel werden meist folgende Parameter angegeben:

  • CL (CAS latency): Zeit zwischen Befehl zum Abruf und letztendlichem Empfang der Daten
  • tRCD (RAS-to-CAS delay): Zeit zwischen der Aktivierung einer Datenleitung und dem Senden eines Lesekommandos
  • tRP (RAS precharge time): Zeit, bis in derselben Speicherbank wieder eine Abruf stattfinden kann
  • tRAS (row active time): zeit zwischen Aktivierung und Deaktivierung einer Speicherzelle

Die Zeiten werden in Taktzyklen angegeben, insofern kann ein Wert von 9 bei 1866 MHz durchaus schneller sein als ein Wert von 8 bei 1333 MHz.

Aktuelle Marktlage

Stand der Technik ist momentan der Übergang von DDR3-SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory) zu DDR4-SDRAM. Die ersten DDR-RAM-Module tauchten etwa 2000 auf, DDR bedeutet hier, dass durch Nutzung der steigenden und fallenden Flanken des Taktsignals bei gleichbleibender Taktfrequenz doppelt so viele Daten wie in der Vorgängergeneration übertragen werden können. Die Busbreite beträgt 64 bit, d.h. in einem Schritt werden 64 bit übertragen. Der aktuelle DDR4-Standard unterscheidet sich nicht wesentlich vom DDR3-Vorgänger, durch einige neue Techniken ist es hier nur möglich, die Module mit niedrigeren Spannungen und höheren Taktfrequenzen zu betreiben.

Bei der Bezeichnung muss man zwischen den Modulen und den auf ihnen aufgelöteten Chips unterscheiden. Eine Chip-Bezeichnung lautet z.B. DDR4-2133, wobei die 2133 den effektiven Takt von 2133 MHz anzeigt (der reale Takt der Kommunikation mit der CPU liegt bei 1066 MHz). Das entsprechende Modul wird mit PC4-17000 bezeichnet, was die maximale Datenrate von 17 GB/Sekunde darstellt.

Von DDR3-800 bis DDR3-2133 (mit Zwischenschritten von 1066, 1333, 1600 und 1866) sowie DDR4-1600 bis DDR4-3200 sind aktuell Chips auf Speicher-Modulen erhältlich.

ram ddr4 kl

Historie

Nachdem mit steigender Anzahl von RAM-Chips pro Rechner es Ende der 80er Jahre unpraktisch wurde, die Chips einzeln zu verbauen, kamen SIMMs für FPM-DRAM (Fast Page Mode DRAM) auf den markt, die 1995 durch die etwas schnellere Modifikation EDO-DRAM (Extended Data Output) ergänzt wurden.

Seit 1997 sind SD-RAM-Module erhältlich (Synchronous DRAM), die mit 66 bis 133 MHz betrieben werden konnten.

Die erste Generation von DDR-RAM kam 2000 auf den Markt und konnte dank doppelter Datenübertragung pro Takt trotz einer realen Taktfrequenz von "nur" 100 bis 200 MHz im Vergleich zu SD-RAM deutlich mehr Daten übertragen.

DDR2-RAM wird mit 200 bis 533 MHz realer Taktfrequenz betrieben, was einen erneuten Leistungsschub bedeutet. Mit DDR3 stieg die maximale taktfrequenz weiter auf 1066 MHz.

Die Module einer Genration können im Allgemeinen miteinander kombiniert werden, man muss allerdings beachten, dass alle module mit der Geschwindigkeit des jeweils langsamsten moduls betrieben werden. Verschiedene Generationen von RAM können micht miteinander kombiniert werden, da die module machanisch und elektrisch inkompativel sind.