Basistechniken

RAM-Module können mit statischen oder dynamischen Chiptechnologien bestückt sein. Statische Technologien werden als SRAM bezeichnet, dynamische als DRAM. Der Name SDRAM mag deshalb verwirrend erscheinen, weil augenscheinlich SRAM und DRAM kombiniert werden, tatsächlich handelt es sich aber bei SDRAM lediglich um eine verbesserte Form von DRAM. Nähere Informationen dazu finden Sie in dem Abschnitt über SDRAM.

Von RAMs und ROMs

Um direkt beim Einstieg einige Unklarheiten auszuräumen, soll hier zunächst der Unterschied zwischen RAM und ROM aufgezeigt werden. Weder RAM noch ROM haben etwas mit dem Medium zu tun, bei dem sie eingesetzt werden, allerdings benutzen die allermeisten Medien in ihrer Gattung ausschließlich eine der Techniken. RAM steht für Random Access Memory, zu übersetzen mit "Speicher für wahlfreien Zugriff". Das "wahlfrei" hat in diesem Falle zwei Bedeutungen:

1. Programmierer kennen den random-mode für Dateizugriff: er bedeutet, dass auf dem Medium sowohl gelesen als auch geschrieben werden darf.
2. Im Gegensatz zu FLASH- und ROM-Memory findet der Zugriff nicht sequenziell statt, sondern jede Zelle kann einzeln angesprochen werden.

Wie Sie gleich sehen werden, ist der Unterschied zwischen RAM und ROM sehr schwammig geworden. ROM steht für Read Only Memory und steht selbsterklärend für Speicher, der nur gelesen werden kann. Das wohl bekannteste Beispiel hierfür ist eine einfache CD-ROM, heute nur noch als CD bezeichnet. Mit Recht werden Sie sich fragen, warum CDs nur gelesen werden können, es gibt doch auch CDs, die beschrieben werden können. Nun zunächst gibt es CDs, die nicht beschrieben werden können, nämlich gedruckte CDs. Aber auch die CD-Rs und CD-RWs (beschreibbar und wiederbeschreibbar) sind CD-ROMs und das, obwohl sie beschrieben werden können. Was können Sie also bei einer CD-ROM nicht, was bei RAM möglich ist?

ROM-Medien unterliegen dem Gesetz des sequenziellen Zugriffs, was eine direkte Selektion von Informationen ausschließt. Die Informationen können nur Blockweise ausgelesen und geschrieben werden. Dies bringt einen großen Geschwindigkeitsnachteil mit sich. Wer kennt den Effekt nicht, dass das CD-Laufwerk die CD-ROM erst einmal drei Sekunden rotieren lässt, bis dann endlich die angeforderten Daten erscheinen? Dies ist das Ergebnis des sequenziellen Zugriffs, der es nicht gestattet, die Informationen direkt abzufragen. Der Lesekopf muss also erst zu der entsprechenden Stelle vordringen, um die Daten abzurufen. Der gleiche Effekt tritt bei Video-, Audio- und Streamerkassetten, sowie bei LPs auf. Bei ROM wird auch nicht von Schreiben gesprochen, sondern von Programmieren. Der Unterschied liegt demnach nicht in der Art des möglichen Zugriffs, sondern der vorgesehen Benutzung. Schließlich ist eine CD im Normalfall dazu da, um Daten abzuspielen und nicht, neue Daten aufzunehmen. Im Normalfall gehen die Daten einer CD aber auch nicht verloren, wenn man die CD aus dem Laufwerk nimmt. ROM ist demnach nicht flüchtig.

Anders sieht es dabei schon bei FLASH-Memory aus, bei dem weder ROM noch RAM eingesetzt werden. Es handelt sich hierbei um einen sequenziellen Zugriff, wie er für ROM typisch ist. Auf der anderen Seite funktioniert das eigentliche Lese- und Speicherverfahren wie bei RAM. Aus diesem Wischwasch gehen die dazu eingesetzten Technologien NAND und NOR hervor. Wie sie sehen ist die Unterscheidung zwischen RAM und ROM nicht so einfach, wie es oft dargestellt wird. Selbst auf einem Speichermodul, das grundsätzlich mit RAM-Steinen bestückt ist, finden sich ein oder mehrere ROM-Elemente wieder, immer jedoch das EEPROM. Darauf soll jedoch an anderer Stelle eingegangen werden.

SRAM

SRAM steht für Static Random Access Memory und bezeichnet den ersten der beiden RAM-Typen. Bei statisch organisierten Chips, also SRAMs, bleiben die Bits in einem Chip solange in ihrem Zustand erhalten, wie eine Spannung anliegt. Das bedeutet, dass vorhandene Daten nicht erneuert werden müssen, wie es bei DRAM der Fall ist. Der Speicherinhalt wird durch Flip-Flops gespeichert, was dazu führt, dass sie auch nach dem Abruf des Speicherinhaltes erhalten bleibt. Um die Funktionstüchtigkeit sicherzustellen, ist eine größere Zahl von Transistoren erforderlich, was wiederum zu einem hohen Stromverbrauch führt. SRAMs sind genau wie DRAMs flüchtig, weshalb die Flip Flops beim Abschalten des Stroms genullt werden.

Wegen dieser Technik sind SRAMs wesentlich schneller als DRAMs, was sie besonders für Caching interessant macht. Praktisch mit jedem Prozessor werden SRAM im L1-Cache und L2-Cache verwendet. Jedoch hat die Technik von SRAM auch zwei essentielle Nachteile. Zum einen wird viel Platz für die Transistoren benötigt, weshalb weniger Speicherkapazität zur Verfügung steht. Zum anderen ist die Herstellung für SRAM ein sehr kostenintesives Verfahren, was die Speicher sehr teuer macht.

DRAM

DRAM steht für Dynamic Random Access Memory und ist die am meisten verbreitete Speichertechnik. Ein DRAM-Chip besteht aus einer Vielzahl von Speicherzellen, die wiederum aus einem Kondensator und einem Transistor bestehen. Der Bitzustand in den Chips wird durch eine Ladung in den Kondensatoren der Speicherzellen gespeichert. Der Transistor fungiert als Schalter und sorgt dafür, dass die Speicherzelle angesprochen werden kann. Die Größe der Ladung in dem Kondensator bestimmt, ob der Zustand als "0" oder als "1" zu werten ist. Absolute Größen können dafür nicht angegeben werden, da diese Ladung abhängig von der Spannung unterschiedlich interpretiert wird. Wir werden bei den DRAM-Technologien einen Einblick in die Ladungsgrenzen geben.

Die Speicherchips mit DRAM-Chiptechnologie weisen eine verhältnismäßig wenig komplexe Architektur auf. Es besteht allerdings das Problem, dass die bitspeichernden Kondensatoren ihre Ladungen, und die damit gespeicherten Informationen, nach kurzer Zeit verlieren. Natürlich gibt es für dieses Problem auch eine Lösung. Die bereits gespeicherten Daten werden regelmäßig wieder ausgelesen, nur um danach wieder in den Speicher geschrieben zu werden. Dieser Vorgang, ein sogenannter Refresh, geschieht in einem Millisekunden-Rhythmus.

Auf den ersten Blick erscheint das Risiko, dass Daten beim Refreshvorgang verlorengehen oder falsch zurückgeschrieben werden, recht hoch. Allerdings hat die Praxis gezeigt, dass es zwar ab und an Bitverluste gibt, diese sich aber lediglich auf jeweils ein einzelnes Bit auswirken. Weil solche Bitverluste zudem ausgesprochen selten vorkommen und im täglichen Gebrauch praktisch gar nicht bemerkt werden, werden DRAMs für alle Sorten von Hauptspeicher eingesetzt. Falls Sie auf Nummer Sicher gehen möchten, gibt es Fehlerkorrekturlösungen, die eine minimale Fehlerquote ermöglichen.

SDRAM

SDRAM steht für Synchronous Dynamic Random Access Memory und ist keine Kombination aus SRAM und DRAM, sondern eine verbesserte Form von DRAM. Die Speicherung der Informationen erfolgt genau wie bei normalen DRAMs auch, jedoch gibt es einen Unterschied beim Informationsaustausch zwischen Prozessor und Speicher. Mit dem SDRAM wurde der Arbeitsspeicher sozusagen in den Rhythmus des Systems integriert, denn mit ihm wurden die Speicheraktionen mit denen des Prozessors synchronisiert, weshalb die Technologie auch ihren Namen trägt. Durch Vereinfachung und Beschleunigung der Zugriffe durch den Prozessor, ist mit dieser neuen Technologie ist eine viel bessere Organisation des Speichers ermöglicht worden.

Da SDRAM völlig neu strukturiert ist und wegen des höheren Organisationsaufwandes auch wesentlich mehr Informationen für die Verwaltung benötigt, wurde mit den SDRAMs ein sogenanntes EPROM eingeführt. Dieses EPROM ist ein kleiner achtbeiniger Chip names SPD (Serial Presence Detect), der alle für das Modul relevanten Informationen enthält. Dadurch entfallen Einstellungen des Benutzers im Bios, die zu Zeiten von FPM und EDO noch Gang und Gebe waren. Das Bios liest bei SDRAMs die Informationen aus dem SPD, gleicht diese Informationen mit den Informationen über den Prozessor ab und passt den Systembus automatisch für die effizienteste Kommunikation zwischen den beiden Komponenten an.

SDRAM wird wegen der Anpassung an den Taktzyklus des Prozessor auch nicht in ns gemessen, sondern in MHz. Es gibt dabei unterschiedliche Spezifikationen, die von der individuellen Chiptechnologie abhängen. Weitere Informationen zu den verwendeten Messeinheiten, insbesondere von SDRAM, finden Sie in der Dokumentation der Geschwindigkeitsmesseinheiten.