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Die Entwicklung von Random Access Memory

05.02.2014 | 11:16 Uhr |

Obwohl RAM heutzutage meist kleiner als ein Müsliriegel ist, war er früher so groß wie ein ganzer Kühlschrank. Wir geben einen Überblick der Entwicklung von Speicherbausteinen.

Eines der ersten richtig schnellen Speichersysteme, das alle damaligen Rekorde bei Zugriffsgeschwindigkeit und Kapazität brach, bestand nicht aus Silizium und Leiterplatten, sondern aus vielen Händen, Beinen und mehreren Brillengestellen: Der Physiker Richard Feynman, damals Junior-Assistent am „Manhattan Projekt“, holte 1945 eine Gruppe von hochbegabten High-School-Studenten nach Los Alamos, um Rechenmaschinen im Akkord mit Tausenden Lochkarten zu füttern.

Die Karten mussten nach einem exakten Muster abgearbeitet werden, und die Studenten entwickelten schnell auf eigene Faust Methoden zur Fehlerkorrektur sowie einen Vorläufer des Multitasking (übrigens ohne dabei zu wissen, dass es bei den langwierigen Berechnungen um die Entwicklung der ersten Atombombe ging).

Ein gemeinsamer Speicher

Das Merkmal von Lochkarten als Arbeitsspeicher und permanenter Datenträger ist, dass ein Stapel in einer vordefinierten Reihenfolge eingelesen wird, während die Programmlogik buchstäblich in der Hardware fest verdrahtet ist. Das Konzept sollte sich schon bald ändern: Der Princeton-Professor John von Neumann, ebenfalls in Los Alamos beschäftigt, definierte zur gleichen Zeit mit der „Von-Neumann-Architektur“ ein Computermodell mit einem universellen gemeinsamen Speicher, der automatisierte Operationen erlaubt, die nacheinander abgearbeitet werden. Der Speicher wird über einen einzigen Bus angesprochen, beherbergt sowohl Programmcode als auch Programmdaten und macht damit Code-Änderungen ohne Neuverdrahtung der Hardware möglich. Dieses Referenzmodell ist auch heute noch gültig: So ist etwa die verbreitete x86-Plattform von PCs eine Von-Naumann-Architektur.

Arbeitsspeicher auf Fehler überprüfen: Memtest86+

Von Lochkarten zu Ferritkernen

Der Schlüssel zu einem universellen Speicher ist Random Access Memory (RAM), ein Speichersystem mit wahlfreiem Zugriff. Der Computer kann beliebige Speicherbereiche, die in Form einer Tabelle organisiert sind, anhand ihrer Adresse abrufen und schreiben. Der Programmablauf ist nicht mehr an einen linearen Stapel von Lochkarten gebunden, die Programmlogik nicht mehr strikt an Kabel und Leiterbahnen. Als RAM-Bausteine dienten vor der Halbleitertechnologie noch klobige Ferritkernspeicher, die einzelne Bits in einem magnetisierbaren Ring aus Eisenoxid speicherten, deren magnetisches Feld dann in einer Leseleitung Spannung induziert. Diese riesigen, nicht-flüchtigen Speichermodule benötigten für wenige Kilobyte die Größe eines Kühlschranks, boten aber wie heutiges RAM schon eine Matrix zur Adressierung.

Den Durchbruch für digitale Speicher brachten in den späten 50er-Jahren Halbleiter, die integrierte Schaltungen auf einem winzigen Silizium-Plättchen aufbrachten. Der Speicherchip war geboren, und hochintegrierte Transistoren auf kleinstem Raum verdrängten die zwischenzeitlich eingesetzten Schaltungen mit Röhrentechnik.

SRAM: Transistoren und Widerstände

Bei Halbleiterspeichern für flüchtiges RAM haben sich zwei Typen durchgesetzt mit je eigenen Vor- und Nachteilen: SRAM und DRAM. Beide bestehen im Wesentlichen aus Transistorschaltungen, speichern Bits aber auf unterschiedliche Weise.

Etwas älter ist SRAM (Static Random Access Memory), das erstmals 1965 in einem Chip mit acht Bit Speicherkapazität vorgestellt wurde. Bei SRAM besteht eine Speicherzelle für ein Bit aus sechs Transistoren: Vier Transistoren speichern die Information (0 oder 1), die zwei weiteren regeln die Schreib- und Lesezugriffe.

Die Bezeichnung „Static“ kommt von der Eigenschaft, dass dieser Speichertyp abgespeicherte Information behält, so lange Spannung angelegt ist, ohne sie ständig aufzufrischen. Die vergleichsweise hohe Zahl an Transistoren bringt aber den Nachteil von komplexeren, teureren Speicherzellen mit. Trotzdem ist SRAM die erste Wahl, wenn es um Geschwindigkeit geht, und Speicher dieses Typs kommt hauptsächlich bei den internen L1- und L2-Caches von Prozessoren zum Einsatz.

RAM ausreizen - mit aggressivem Timing

1-Bit-Speicherzelle: die Schaltung einer DRAM-Zelle ist mit nur je einem Transistor und Kondensator realisiert, der aber einen periodischen Refresh braucht (WL= Writeline, BL=Bitline, c=Kondensator).
Vergrößern 1-Bit-Speicherzelle: die Schaltung einer DRAM-Zelle ist mit nur je einem Transistor und Kondensator realisiert, der aber einen periodischen Refresh braucht (WL= Writeline, BL=Bitline, c=Kondensator).

DRAM: Transistoren und Kondensatoren

Ist für gespeicherte Bits höchste Dichte und bestes Preis-Leistungs-Verhältnis gefragt, dann ist DRAM gefragt (Dynamic Random Access Memory). RAM-Module für den PC sind immer eine Form von DRAM, da SRAM nur noch in Nischen zum Einsatz kommt. DRAM wurde 1966 von IBM geschaffen und kommt mit einem Bruchteil der Transistoren aus, die SRAM benötigt. Die Bits werden in winzigen Kondensatoren gespeichert, die entweder geladen (1) oder ungeladen (0) sind, und für Lese-Schreib-Zugriffe genügt ein einziger Transistor zur Steuerung. Durch die geringe Anzahl von Bauelementen pro Speicherzelle eignet sich die DRAM-Technologie am besten, um auf wenig Platz hohe Kapazität zu erreichen. Verfügbare Speicherdichten stiegen exponentiell. 1976 waren DRAM-Module mit 16 Kilobit möglich, und vier Jahre später gab es bereits Chips mit 64 Kilobit (acht Kilobyte). Heutige DRAMChips kommen bereits auf eine Kapazität von vier Gigabit (128 MB), die auf RAM-Modulen zusammengefasst werden.

Der Nachteil des dynamischen RAMs: Die in den Zellen gespeicherte Information bleibt auch bei angelegter Betriebsspannung nur kurze Zeit erhalten, da die winzigen Kondensatoren ihre Ladung schnell verlieren. Die Schaltung muss ständig aufgefrischt werden, und dies geht zu Lasten der Leistung. Der Refresh wird von einem Controller-Baustein auf dem Chip übernommen. Er findet typischerweise alle 64 Millisekunden statt.

Hybrid Memory Cube: Die dreidimensionale Anordnung von SDRAM-chips in vielen gleichzeitig adressierbaren Bänken soll künftig den Flaschenhals zwischen CPU und RAM beheben.
Vergrößern Hybrid Memory Cube: Die dreidimensionale Anordnung von SDRAM-chips in vielen gleichzeitig adressierbaren Bänken soll künftig den Flaschenhals zwischen CPU und RAM beheben.

SDRAM: Schnelles DRAM im Takt

Bei frühen Computern war die CPU die langsamste Komponente, die Speichertransfersowie Busgeschwindigkeiten für die Anbindung des RAMs waren schnell genug. Mit schnelleren Prozessoren wurde das RAM aber zum Flaschenhals, da die CPU-Geschwindigkeit mit höheren Taktfrequenzen viel schneller stieg als die Transferrate von DRAM-Chips.

Halbleiterhersteller bezeichnen diese Diskrepanz als „Memory Wall“. Für Linderung sorgte SDRAM. Dieser macht einzelne DRAM-Chips zwar nicht schneller, gleicht aber die Taktfrequenz von Speicherzugriffen mit dem Takt des System-Busses ab. Zuvor erledigte DRAM alle Anfragen immer so, wie sie gerade ankamen. Mit SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) laufen die RAM-Operationen synchron zum Bus, und Änderungen im RAM sind nur im Takt der Busfrequenz möglich. Damit entfällt viel interne Prozesssteuerung, um asynchrone Befehle zu regeln. Zudem sind SDRAM-Chips in Bänke unterteilt, die gleichzeitig Anfragen verarbeiten können.

Samsung stellte 2000 das erste SDRAM-Modul vor, das gegenüber früheren DRAM-Techniken die doppelte Transfergeschwindigkeit brachte. Seitdem hat sich die SDRAM weiterentwickelt: DDR-SDRAM erlaubt Speicherzugriffe an beiden Taktflanken der Bus-Frequenz, also bei auf- und absteigender Amplitude des Bus-Signals. DDR2 und DDR3 erhöhten die Busfrequenz auf 200 MHz und 400 MHz. DRAM bleibt gegenüber der CPU langsam, hat seine Nachteile gegenüber SRAM aber wettgemacht. DDR-SDRAM ist heute der verbreitete Speichertyp für PC-Systeme, Grafikkarten, Tablets und Smartphones. Große Fortschritte erwartet die Industrie jetzt mit den „Hybrid Memory Cubes“, die DRAM-Chips dreidimensional stapeln und damit die Zahl der gleichzeitig ansprechbaren Bänke in einem Modul drastisch erhöhen.

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