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Random Access Memory Dieser Artikel behandelt den Chip Für den handelsüblichen Arbeitsspeicher siehe Speichermodul Zum M

Random-Access Memory

Random-Access Memory (der oder das; englisch random[-]access memory, zu Deutsch: „Speicher mit wahlfreiem/direktem Zugriff“ = Direktzugriffsspeicher), abgekürzt RAM, ist ein Datenspeicher, der besonders bei Computern als Arbeitsspeicher Verwendung findet, meist in Form von mehreren Speicherbausteinen auf einem Speichermodul. Die gängigsten Formen gehören zu den Halbleiterspeichern. RAM wird als integrierter Schaltkreis hauptsächlich in Silizium-Technologie realisiert und in allen Arten von elektronischen Geräten eingesetzt.

DRAM-Chip U61000D mit 1 MiBit.

Charakteristik Bearbeiten

Prinzipielle Anordnung der Speicherzellen in Reihen und Spalten (Matrix) in einem RAM

Die Bezeichnung des Speichertyps als „wahlfrei“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass jede Speicherzelle über ihre Speicheradresse direkt angesprochen werden kann. Der Speicher muss also nicht sequenziell oder in Blöcken ausgelesen werden. Bei großen Speicherbausteinen erfolgt die Adressierung jedoch nicht über die einzelnen Zellen, sondern über ein Wort, dessen Breite von der Speicherarchitektur abhängt. Das unterscheidet das RAM von blockweise zu beschreibenden Speichern, den sogenannten Flash-Speichern.

Der Begriff Random-Access Memory wird heute immer im Sinne von „Schreib-lese-RAM“ (read-write random-access memory – RWRAM) verwendet. Es gibt weitere Speicherarten mit wahlfreiem Zugriff, insbesondere Nur-Lese-Speicherbausteine (Festwertspeicher, ROM). Da die Bezeichnung RAM missverständlich ist, wurde zeitweise versucht, den Namen „read-write memory“ (RWM, Schreib-Lese-Speicher) zu etablieren, der sich jedoch nicht durchsetzen konnte.

Geschichte Bearbeiten

Die Entstehung des Begriffs geht in die Anfangszeit der modernen Computer zurück, bei denen alle Daten auf sequentiell zu lesenden Speicherformen wie Lochkarten oder Magnetbändern vorlagen, die zur Verarbeitung in schnelle Rechenregister geladen wurden. Um Zwischenergebnisse schneller bereitzuhalten, wurden zeitweise Verzögerungsleitungen (englisch delay line) für Zwischenwerte eingesetzt, bis dann die Ferritkernspeicher eingeführt wurden. Diese beschreibbaren Speicher hatten schon die gleiche Form des Matrixzugriffes wie heutige RAMs. Zu jener Zeit waren die schnellen Speichertypen alle beschreibbar und die wesentliche Neuerung bestand im wahlfreien Zugriff der magnetischen Kernspeicher und der nachfolgend auf Halbleiterspeichern aufsetzenden RAM-Bausteine.

Ansteuerung von RAM-Chips Bearbeiten

Unterschiedliche DDR-RAM-Speichermodule

Je nach Typ von RAM-Baustein erfolgt die Ansteuerung synchron zu einem Taktsignal oder asynchron ohne Takt. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass bei der asynchronen Variante die Daten erst nach einer bestimmten, bausteinabhängigen Laufzeit zur Verfügung stehen bzw. geschrieben sind. Diese, unter anderem materialabhängigen, zeitlichen Parameter weisen Exemplarstreuungen auf und sind von verschiedenen Einflüssen abhängig, weshalb bei asynchronen Speichern der maximale Durchsatz stärker limitiert ist als bei synchronen Speicheransteuerungen. Bei synchronen Speichern wird die zeitliche Ausrichtung der Steuersignale durch ein Taktsignal festgelegt, wodurch sich deutlich höhere Durchsatzraten ergeben.

Synchrone RAMs können sowohl statische als auch dynamische RAMs sein (siehe unten). Beispiele für synchrone SRAMs sind Burst-SRAMs oder ZBTRAMs. Asynchrone SRAMs sind meist langsamere Low-Power SRAMs, die beispielsweise bei kleineren Mikrocontrollern als externer Datenspeicher Anwendung finden. Bei den dynamischen RAMs sind die seit Ende der 1990er Jahre üblichen synchronen SDR-SDRAMs und deren Nachfolger, die DDR-SDRAMs, als Beispiel zu nennen, während die davor üblichen DRAMs wie EDO-DRAMs asynchrone DRAM-Bausteine darstellen.

Versorgungsspannung Bearbeiten

Der Energiebedarf der flüchtigen RAM-Typen hängt stark ab von ihrer Betriebsspannung, im Allgemeinen steigt er quadratisch zu steigender Spannung. Er kann je nach Speichergröße mehrere Watt betragen, was sich insbesondere bei Mobilgeräten spürbar auf die Akkulaufzeit auswirkt. Daher versuchen die Hersteller kontinuierlich, den Energiebedarf zu senken und eine niedrigere Versorgungsspannung zu ermöglichen.

Die Versorgungsspannung von (JEDEC-konformen) SDRAM zeigt folgende Tabelle:

Typ Spannung
SDRAM 3,30 V
DDR-SDRAM 2,50 V
DDR2-SDRAM 1,80 V
DDR3-SDRAM 1,50 V
DDR3-SDRAM LP 1,25 V
DDR4-SDRAM 1,20 V
DDR4-SDRAM LV 1,05 V
DDR5-SDRAM 1,10 V

Arten von RAM Bearbeiten

Es gibt verschiedene technische Umsetzungen von RAMs. Die heute gängigsten werden hauptsächlich in Computern eingesetzt und sind „flüchtig“ (auch: volatil), das heißt, die gespeicherten Daten gehen nach Abschaltung der Stromzufuhr verloren. Es gibt allerdings RAM-Typen, die ihre Information auch ohne Stromzufuhr erhalten (nicht volatil). Diese werden NVRAM genannt. Die folgende Auflistung ist nach dem grundlegenden Funktionsprinzip geordnet:

Statisches RAM (SRAM) Bearbeiten

Statisches RAM (SRAM) bezeichnet meist kleinere elektronische Speicherbausteine im Bereich bis zu einigen MiBit. Als Besonderheit behalten sie ihren Speicherinhalt, welcher in bistabilen Kippstufen gespeichert wird, ohne laufende Auffrischungszyklen – es genügt das Anliegen einer Versorgungsspannung. Von diesem Umstand leitet sich auch die Bezeichnung ab; sie gilt historisch auch für Kernspeicher, der selbst spannungslos über Jahre seinen Zustand nicht ändert.

SRAM benötigt deutlich mehr Bauelemente (und Chipfläche) als DRAM (s. u.) – konkret vier bis sechs Transistoren je Speicherbit gegenüber einem (plus einem Speicherkondensator) in einer DRAM-Zelle – und ist daher für große Speichermengen zu teuer. Es bietet jedoch sehr kurze Zugriffszeiten und benötigt keine Refresh-Zyklen wie bei DRAM.

Anwendungen liegen beispielsweise in Computern als Cache und bei Mikrocontrollern als Arbeitsspeicher. Sein Inhalt ist flüchtig (volatil; englisch volatile), das heißt die gespeicherte Information geht bei Abschaltung der Betriebsspannung verloren. In Kombination mit einer Pufferbatterie kann aus dem statischen RAM eine spezielle Form von nicht flüchtigem Speicher NVRAM realisiert werden, da SRAM-Zellen ohne Zugriffszyklen nur einen sehr geringen Leistungsbedarf aufweisen und die Pufferbatterie über mehrere Jahre den Dateninhalt im SRAM halten kann.

Dynamisches RAM (DRAM) Bearbeiten

Prinzipieller Aufbau einer DRAM-Zelle

Dynamisches RAM (DRAM) bezeichnet einen elektronischen Speicherbaustein, der hauptsächlich in Computern als Arbeitsspeicher eingesetzt wird. Sein Inhalt ist flüchtig (volatil), das heißt die gespeicherte Information geht beim Abschalten der Betriebsspannung verloren. Bei DRAM geht die Information jedoch selbst bei aufrechterhaltener Betriebsspannung (!) rasch verloren und muss deshalb regelmäßig „aufgefrischt“ werden – daher die Namensgebung „dynamisch“.

Die Informationen werden in Form des Ladezustandes eines Kondensators gespeichert – beispielsweise ‚geladen‘ = '1', 'entladen' = ‚0‘. Ihr sehr einfacher Aufbau macht die Speicherzelle zwar sehr klein (6 bis 10 F²), allerdings entlädt sich der Kondensator mit seiner geringen Kapazität durch die auftretenden Leckströme schnell, und der Informationsinhalt geht verloren. Daher müssen die Speicherzellen regelmäßig wiederaufgefrischt werden. DRAM-Module mit eingebauter Steuerschaltung zum Auffrischen können sich nach außen hin wie SRAM verhalten. Dies wird als pseudostatisches RAM bezeichnet.

Im Vergleich zum SRAM ist DRAM wesentlich preiswerter pro Bit, weshalb man ihn vor allem dort verwendet, wo eine große Ram-Menge benötigt wird, beispielsweise für den Arbeitsspeicher eines Computers.

Phase-change RAM (PCRAM, PRAM) Bearbeiten

Aufbau einer PRAM-Zelle

Phase-change RAM (PRAM) befindet sich u. a. bei Samsung noch in der Entwicklung. Er soll als Ersatz von S- und DRAM dienen und Vorteile gegenüber NOR-Flash-Speicher haben, zum Beispiel sollen Schreibzugriffe wesentlich schneller sein und die Anzahl der Schreib-/Lese-Zyklen soll um ein Vielfaches höher sein als NOR-Flash-Speicher. Dabei belegt er weniger Fläche und ist einfacher in der Herstellung.

Resistives RAM (RRAM, ReRAM) Bearbeiten

Resistive RAM (RRAM oder ReRAM) bezeichnet einen nichtflüchtigen elektronischen RAM-Speichertyp, der durch Änderung des elektrischen Widerstandes eines schwach leitfähigen Dielektrikums Information speichert.

Literatur Bearbeiten

  • R. W. Mann, W. W. Abadeer, M. J. Breitwisch, O. Bula, J. S. Brown, B. C. Colwill, P. E. Cottrell, W. G. Crocco, S. S. Furkay, M. J. Hauser: Ultralow-power SRAM technology. In: IBM Journal of Research and Development. Band 47, Nr. 5, 2003, S. 553–566, doi:10.1147/rd.475.0553.

Weblinks Bearbeiten

Commons: RAM – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweis Bearbeiten

  1. RAM. In: duden.de. Abgerufen am 23. September 2019.
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Dieser Artikel behandelt den Chip Fur den handelsublichen Arbeitsspeicher siehe Speichermodul Zum Musikalbum von Daft Punk siehe Random Access Memories Random Access Memory der oder das 1 englisch random access memory zu Deutsch Speicher mit wahlfreiem direktem Zugriff Direktzugriffsspeicher abgekurzt RAM ist ein Datenspeicher der besonders bei Computern als Arbeitsspeicher Verwendung findet meist in Form von mehreren Speicherbausteinen auf einem Speichermodul Die gangigsten Formen gehoren zu den Halbleiterspeichern RAM wird als integrierter Schaltkreis hauptsachlich in Silizium Technologie realisiert und in allen Arten von elektronischen Geraten eingesetzt DRAM Chip U61000D mit 1 MiBit Inhaltsverzeichnis 1 Charakteristik 2 Geschichte 3 Ansteuerung von RAM Chips 4 Versorgungsspannung 5 Arten von RAM 5 1 Statisches RAM SRAM 5 2 Dynamisches RAM DRAM 5 3 Phase change RAM PCRAM PRAM 5 4 Resistives RAM RRAM ReRAM 6 Literatur 7 Weblinks 8 EinzelnachweisCharakteristik Bearbeiten nbsp Prinzipielle Anordnung der Speicherzellen in Reihen und Spalten Matrix in einem RAMDie Bezeichnung des Speichertyps als wahlfrei bedeutet in diesem Zusammenhang dass jede Speicherzelle uber ihre Speicheradresse direkt angesprochen werden kann Der Speicher muss also nicht sequenziell oder in Blocken ausgelesen werden Bei grossen Speicherbausteinen erfolgt die Adressierung jedoch nicht uber die einzelnen Zellen sondern uber ein Wort dessen Breite von der Speicherarchitektur abhangt Das unterscheidet das RAM von blockweise zu beschreibenden Speichern den sogenannten Flash Speichern Der Begriff Random Access Memory wird heute immer im Sinne von Schreib lese RAM read write random access memory RWRAM verwendet Es gibt weitere Speicherarten mit wahlfreiem Zugriff insbesondere Nur Lese Speicherbausteine Festwertspeicher ROM Da die Bezeichnung RAM missverstandlich ist wurde zeitweise versucht den Namen read write memory RWM Schreib Lese Speicher zu etablieren der sich jedoch nicht durchsetzen konnte Geschichte BearbeitenDie Entstehung des Begriffs geht in die Anfangszeit der modernen Computer zuruck bei denen alle Daten auf sequentiell zu lesenden Speicherformen wie Lochkarten oder Magnetbandern vorlagen die zur Verarbeitung in schnelle Rechenregister geladen wurden Um Zwischenergebnisse schneller bereitzuhalten wurden zeitweise Verzogerungsleitungen englisch delay line fur Zwischenwerte eingesetzt bis dann die Ferritkernspeicher eingefuhrt wurden Diese beschreibbaren Speicher hatten schon die gleiche Form des Matrixzugriffes wie heutige RAMs Zu jener Zeit waren die schnellen Speichertypen alle beschreibbar und die wesentliche Neuerung bestand im wahlfreien Zugriff der magnetischen Kernspeicher und der nachfolgend auf Halbleiterspeichern aufsetzenden RAM Bausteine Ansteuerung von RAM Chips Bearbeiten nbsp Unterschiedliche DDR RAM SpeichermoduleJe nach Typ von RAM Baustein erfolgt die Ansteuerung synchron zu einem Taktsignal oder asynchron ohne Takt Der wesentliche Unterschied besteht darin dass bei der asynchronen Variante die Daten erst nach einer bestimmten bausteinabhangigen Laufzeit zur Verfugung stehen bzw geschrieben sind Diese unter anderem materialabhangigen zeitlichen Parameter weisen Exemplarstreuungen auf und sind von verschiedenen Einflussen abhangig weshalb bei asynchronen Speichern der maximale Durchsatz starker limitiert ist als bei synchronen Speicheransteuerungen Bei synchronen Speichern wird die zeitliche Ausrichtung der Steuersignale durch ein Taktsignal festgelegt wodurch sich deutlich hohere Durchsatzraten ergeben Synchrone RAMs konnen sowohl statische als auch dynamische RAMs sein siehe unten Beispiele fur synchrone SRAMs sind Burst SRAMs oder ZBTRAMs Asynchrone SRAMs sind meist langsamere Low Power SRAMs die beispielsweise bei kleineren Mikrocontrollern als externer Datenspeicher Anwendung finden Bei den dynamischen RAMs sind die seit Ende der 1990er Jahre ublichen synchronen SDR SDRAMs und deren Nachfolger die DDR SDRAMs als Beispiel zu nennen wahrend die davor ublichen DRAMs wie EDO DRAMs asynchrone DRAM Bausteine darstellen Steuerleitungen Eine Steuerleitung gibt dem Chip vor ob gelesen oder geschrieben werden soll Meist heisst der Pin R W Oft gibt es eigene Chip Select Pins CS und oder Output Enable Pins OE Wenn einer dieser Pins den Chip auf inaktiv setzt werden vor allem die Datenleitungen s u auf hochohmig Tri State geschaltet um die Bussignale der anderen jetzt aktiven Chips nicht zu storen Wenn es sich um DRAMs handelt gibt es einen eigenen Pin zur Unterscheidung zwischen RAS und CAS Adressteil s u Dieser heisst meist RAS CAS Adressierung Heute haben RAM Chips meist weniger Datenpins als die Wortbreite des Prozessors oder seines Speichercontrollers erfordert Daher fasst man eine entsprechende Anzahl RAM Chips zu einer Bank zusammen die dann uber ein gemeinsames Chip Select Signal angesprochen wird Ihre Datenleitungen decken dann zusammen die komplette Wortbreite ab Um Bits in einer Bank zu adressieren sendet die Speichersteuerung die Adressinformation uber entsprechende Adressbusleitungen an die entsprechende Bank Bei DRAMs wird der Adressbus normalerweise gemultiplext und in zwei Halften uber identische Pins in den Baustein gefuhrt einmal als RAS englisch row address strobe und einmal als CAS englisch column address strobe Dagegen wird bei SRAMs zwecks hoherer Geschwindigkeit meist der komplette Adressbus an Pins gefuhrt so dass der Zugriff in einer einzigen Operation erfolgen kann Datenleitungen Ein RAM Chip weist mindestens eine bidirektionale namlich durch den R W Pin gesteuerte Datenleitung auf Oft findet man auch 4 8 oder 16 Datenpins je nach Auslegung Die Kapazitat eines Chips in Bits ergibt sich dann durch die Datenbusbreite mal der Anzahl der moglichen Adresswerte 2Adressbusbreite bzw bei DRAMs 22 Adressbusbreite Versorgungsspannung BearbeitenDer Energiebedarf der fluchtigen RAM Typen hangt stark ab von ihrer Betriebsspannung im Allgemeinen steigt er quadratisch zu steigender Spannung Er kann je nach Speichergrosse mehrere Watt betragen was sich insbesondere bei Mobilgeraten spurbar auf die Akkulaufzeit auswirkt Daher versuchen die Hersteller kontinuierlich den Energiebedarf zu senken und eine niedrigere Versorgungsspannung zu ermoglichen Die Versorgungsspannung von JEDEC konformen SDRAM zeigt folgende Tabelle Typ SpannungSDRAM 3 30 VDDR SDRAM 2 50 VDDR2 SDRAM 1 80 VDDR3 SDRAM 1 50 VDDR3 SDRAM LP 1 25 VDDR4 SDRAM 1 20 VDDR4 SDRAM LV 1 05 VDDR5 SDRAM 1 10 VArten von RAM BearbeitenEs gibt verschiedene technische Umsetzungen von RAMs Die heute gangigsten werden hauptsachlich in Computern eingesetzt und sind fluchtig auch volatil das heisst die gespeicherten Daten gehen nach Abschaltung der Stromzufuhr verloren Es gibt allerdings RAM Typen die ihre Information auch ohne Stromzufuhr erhalten nicht volatil Diese werden NVRAM genannt Die folgende Auflistung ist nach dem grundlegenden Funktionsprinzip geordnet Random Access Memory RAM fluchtiges volatiles RAM Statisches RAM SRAM Dynamisches RAM DRAM Synchronous Dynamic RAM SDRAM DDR SDRAM usw Pseudostatisches RAM PSiRAM Nichtfluchtiges RAM non volatile RAM Ferroelektrisches RAM FRAM FeRAM Magnetisches RAM MRAM Racetrack Speicher Magnetblasenspeicher Phasenwechsel RAM PRAM PCRAM Resistives RAM RRAM ReRAM Statisches RAM SRAM Bearbeiten Hauptartikel Static random access memory Statisches RAM SRAM bezeichnet meist kleinere elektronische Speicherbausteine im Bereich bis zu einigen MiBit Als Besonderheit behalten sie ihren Speicherinhalt welcher in bistabilen Kippstufen gespeichert wird ohne laufende Auffrischungszyklen es genugt das Anliegen einer Versorgungsspannung Von diesem Umstand leitet sich auch die Bezeichnung ab sie gilt historisch auch fur Kernspeicher der selbst spannungslos uber Jahre seinen Zustand nicht andert SRAM benotigt deutlich mehr Bauelemente und Chipflache als DRAM s u konkret vier bis sechs Transistoren je Speicherbit gegenuber einem plus einem Speicherkondensator in einer DRAM Zelle und ist daher fur grosse Speichermengen zu teuer Es bietet jedoch sehr kurze Zugriffszeiten und benotigt keine Refresh Zyklen wie bei DRAM Anwendungen liegen beispielsweise in Computern als Cache und bei Mikrocontrollern als Arbeitsspeicher Sein Inhalt ist fluchtig volatil englisch volatile das heisst die gespeicherte Information geht bei Abschaltung der Betriebsspannung verloren In Kombination mit einer Pufferbatterie kann aus dem statischen RAM eine spezielle Form von nicht fluchtigem Speicher NVRAM realisiert werden da SRAM Zellen ohne Zugriffszyklen nur einen sehr geringen Leistungsbedarf aufweisen und die Pufferbatterie uber mehrere Jahre den Dateninhalt im SRAM halten kann Dynamisches RAM DRAM Bearbeiten nbsp Prinzipieller Aufbau einer DRAM Zelle Hauptartikel Dynamic Random Access Memory Dynamisches RAM DRAM bezeichnet einen elektronischen Speicherbaustein der hauptsachlich in Computern als Arbeitsspeicher eingesetzt wird Sein Inhalt ist fluchtig volatil das heisst die gespeicherte Information geht beim Abschalten der Betriebsspannung verloren Bei DRAM geht die Information jedoch selbst bei aufrechterhaltener Betriebsspannung rasch verloren und muss deshalb regelmassig aufgefrischt werden daher die Namensgebung dynamisch Die Informationen werden in Form des Ladezustandes eines Kondensators gespeichert beispielsweise geladen 1 entladen 0 Ihr sehr einfacher Aufbau macht die Speicherzelle zwar sehr klein 6 bis 10 F allerdings entladt sich der Kondensator mit seiner geringen Kapazitat durch die auftretenden Leckstrome schnell und der Informationsinhalt geht verloren Daher mussen die Speicherzellen regelmassig wiederaufgefrischt werden DRAM Module mit eingebauter Steuerschaltung zum Auffrischen konnen sich nach aussen hin wie SRAM verhalten Dies wird als pseudostatisches RAM bezeichnet Im Vergleich zum SRAM ist DRAM wesentlich preiswerter pro Bit weshalb man ihn vor allem dort verwendet wo eine grosse Ram Menge benotigt wird beispielsweise fur den Arbeitsspeicher eines Computers Phase change RAM PCRAM PRAM Bearbeiten nbsp Aufbau einer PRAM Zelle Hauptartikel Phase change Random Access Memory Phase change RAM PRAM befindet sich u a bei Samsung noch in der Entwicklung Er soll als Ersatz von S und DRAM dienen und Vorteile gegenuber NOR Flash Speicher haben zum Beispiel sollen Schreibzugriffe wesentlich schneller sein und die Anzahl der Schreib Lese Zyklen soll um ein Vielfaches hoher sein als NOR Flash Speicher Dabei belegt er weniger Flache und ist einfacher in der Herstellung Resistives RAM RRAM ReRAM Bearbeiten Hauptartikel Resistive Random Access Memory Resistive RAM RRAM oder ReRAM bezeichnet einen nichtfluchtigen elektronischen RAM Speichertyp der durch Anderung des elektrischen Widerstandes eines schwach leitfahigen Dielektrikums Information speichert Literatur BearbeitenR W Mann W W Abadeer M J Breitwisch O Bula J S Brown B C Colwill P E Cottrell W G Crocco S S Furkay M J Hauser Ultralow power SRAM technology In IBM Journal of Research and Development Band 47 Nr 5 2003 S 553 566 doi 10 1147 rd 475 0553 Weblinks Bearbeiten nbsp Commons RAM Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien IDF 128 MBit Phasenwechsel Speicherchip noch 2007 Heise News RAMs Computer History Museum Historische RAM Preise in US DollarEinzelnachweis Bearbeiten RAM In duden de Abgerufen am 23 September 2019 Normdaten Sachbegriff GND 4176909 0 lobid OGND AKS Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Random Access Memory amp oldid 233857701