Dynamic Random Access Memory
Auf dem Bild ist jeweils ein Transistor und ein Kondensator zu erkennen. Oben Planar- unten Trenchtechnik
DRAM steht für Dynamisches Random Access Memory und bezeichnet einen elektronischen Speicherbaustein für Computer, der als integrierter Schaltkreis ausgeführt ist. Sein Inhalt ist flüchtig (volatil), das heißt die gespeicherte Information geht bei fehlender Wiederauffrischung verloren. Random Access Memory steht dabei für den wahlfreien Zugang auf den Speicherinhalt, im Gegensatz zum Befehsgesteuerten Zugriff bei anderen Speichermedien.
Aufbau und Funktion
Ein DRAM besteht nicht wie im Artikel Halbleiterspeicher vereinfacht gezeigt aus einer einzigen zweidimensionalen Matrix. Stattdessen sind die Speicherzellen, die auf der Oberfläche eines Chips angeordnet und verdrahtet sind, in einer ausgeklügelten hierarchischen Struktur unterteilt. Diese Struktur ist nicht herstellerspezifisch, sondern wird vom Industriegremium JEDEC, welches sich um dem Aufbau kompletter Speichermodule kümmert, festgelegt. Dadurch wird sichergestellt, dass sich Chips unterschiedlicher Hersteller und verschiedener Größen nach dem immer gleichen Schema ansprechen lassen.
Einer Speicherriegel besteht immer aus einer genau festgelegten Zahl von Chips. Die Kapazität der einzelnen Chips kennzeichnet man mit Mega- oder Gigabit Zahlen. Ein 1024-MByte-Speicherriegel lässt sich beispielsweise aus 8 Chips mit jedweils 1 GBit bauen oder aus 16 Chips mit 512 MBit. Die einzelnen Chips sind so verschaltet, dass sie die gesamte Breite des Datenpfades belgegen - bei PC üblichem Speicher sind das 64 Datensignalleitungen. Jeder Chip nimmt nun einen bestimmten Anteil der Datenleitungen in Anspruch. Im obigen Beispiel wären das 8 oder 4 Leitungen pro Chip, da 64 Leitungen / 8 Chips = 8 Datenleitungen pro Chip.
Zuletzt besteht ein einzelner Chip i.d.R. noch aus 2, 4 oder 8 Bänken, die in gewissen Grenzen unabhängig voneinander arbeiten. Durch den gleichzeitigen Betrieb mehrerer Bänke, kann man hoche Latenzzeiten vermeiden, denn während eine Bank gerade Daten liefert, darf der Speichercontroller bereits Adressen für eine andere Bank senden.
Beim Adressieren der einzelnen Bits in einer Bank mit Hilfe des CAS und RAS Parameters (s.o.) wird ein weiterer Trick angewendet um die Datentraferrate zu steigern, nämlich mit dem sogenannten Prefetching. Pro Adressierung werden die Daten von meheren Spaltenadressen auf einen Schlag in einen Puffer geschrieben. Von diesem Puffer aus gelangen die Daten beim Single-Data-Rate(SDR)-SDRAM Bit für Bit an extere Anschlüsse des Chips. Bei Double-Data-Rate(DDR)-SDRAM werden gleich zweit Bits aus dem Puffer ausgelesen. Bei DDR2 gleich 4 und beim zukünftigen DDR3 sollen es 8 Bits sein.
Aufbau einer Speicherzelle
Der Aufbau einer einzelnen DRAM-Speicherzelle ist sehr einfach, sie besteht nur aus einem Kondensator und einem Transistor. Heute benötigt man nur noch einen CMOS-Transistor. Seine geringe Eigenkapazität bildet dabei den Kondensator. Die Information wird als elektrische Ladung im Kondensator gespeichert. Jede Speicherzelle speichert ein Bit. Der Transistor - auch Auswahltransistor genannt - dient als Schalter zum Lesen und Schreiben der Information. Jeweils mehrere tausend Speicherzellen sind in einer Matrixanordnung verschaltet: 'Wordlines' verbinden alle Steuerelektroden der Auswahltransistoren in einer Zeile, 'Bitlines' verbinden alle Source-Gebiete der Auswahltransistoren eine Spalte. Am Rande der Matrix sind die Bitlines mit Schreib/Lese-Verstärkern verbunden, während die Wordlines mit Adressdecodierschaltungen verbunden sind. Auf einem Speicher-Chip sind eine Vielzahl von diesen Speichermatrizen zu einem zusammenhängenden Speicherbereich verschaltet.
Durch ihren sehr einfachen Aufbau brauchen die Speicherzellen nur sehr wenig Chipfläche. In Zahlen wird die konstruktionsbedingte Größe einer Speicherzelle als das Vielfache der kleinsten fertigbaren Struktur (minimum Featuresize oder 'F') angegeben: eine DRAM Zelle benötigt heute das 6-10fache von 'F' im Quadrat (F²), während eine SRAM-Zelle das mehr als hundert F² benötigt. Daher kann ein DRAM bei gegebener Chipgröße eine wesentlich größere Zahl von Bits speichern. Daraus resultieren weitaus niedrigere Herstellungskosten pro Bit als beim SRAM. Unter den heute üblichen elektronischen Speicherarten hat nur der NAND-Flash eine kleinere Speicherzelle mit ungefähr dem 4,5F² (bzw. 2,2 F² pro Bit für Multilevel-Cells).
Diesem Vorteil des DRAM gegenüber dem SRAM steht der Nachteil gegenüber, dass sich die im Kondensator gespeicherte Ladung und damit die gespeicherte Information aufgrund von Leckströmen mit der Zeit verflüchtigt, wenn sie nicht periodisch wieder aufgefrischt wird. Dies ist normalerweise in Abständen von einigen Millisekunden erforderlich. Das Auffrischen des Speichers wird zeilenweise bewerkstelligt. Dazu wird jeweils eine Speicherzeile in einem Schritt in einen auf dem Chip befindlichen Zeilenpuffer übertragen und von dort verstärkt wieder zurück in die Speicherzeile geschrieben. Daher rührt die Bezeichnung "dynamisch". Bei statischen Speichern wie dem SRAM kann man demgegenüber alle Signale anhalten, ohne dass Datenverlust eintritt. Das Auffrischen des DRAMs verbraucht außerdem auch im Ruhezustand eine gewisse Menge von Energie. Deshalb bevorzugt man in Anwendungen, bei denen es auf geringen Ruhestrom ankommt, das SRAM.
Geschichte
Der erste kommerziell erhältliche DRAM-Chip war der Typ 1103, von Intel 1970 vorgestellt. Er enthielt 1024 Speicherzellen (1KBit). Das Prinzip der DRAM-Speicherzelle wurde 1966 von Robert H. Dennard am Thomas J. Watson Research Center von IBM entwickelt.
Seither wurde die Kapazität eines DRAM-Chips um den Faktor 1 Million gesteigert und die Zugriffszeit auf ein Zehntel verkürzt. Heute (2006) besitzen DRAM-Chips Kapazitäten von bis zu 2GByte und Zugriffszeiten von 10 ns. Die Produktion von DRAM-Speicherchips gehört zu den umsatzstärksten Segmenten der Halbleiterindustrie. Mit den Produkten wird spekuliert, es existiert ein Spotmarkt.
Anwendung
Arbeitsspeicher
Normalerweise wird das DRAM in Form von Speichermodulen als Arbeitsspeicher des Prozessors benutzt. DRAMs werden häufig nach der Art des Baustein-Interface eingeteilt. In den Hauptanwendungen haben sich in zeitlicher Reihenfolge die Interfacetypen 'Fast Page Mode DRAM' (FPM), 'Extended Data Output RAM' (EDO), 'Synchronous DRAM' (SDR), 'Double-Data-Rate-Synchronous DRAM' (DDR) entwickelt. Die Eigenschaften dieser DRAM Typen sind durch das 'JEDEC'-Consortium genormt. Daneben existiert parallel zu SDR/DDR das 'Rambus-DRAM' Interface, das hauptsächlich bei Speicher für Server eingesetzt wird.
Da nicht vorraussehbar ist, das alle Speicherzellen rechtzeitig aufgefrischt werden, wenn sich z.B. der Prozessor in einer Befehlsschleife befindet, ist auf dem Speicherchip ein Zähler vorhanden. Dieser liefert eine fortlaufende Spaltenadresse. Jeweils während des CAS-Signals werden die Speicherzellen der entsprechenden Zeile aufgefrischt. Da es nicht nötig ist, die Speicherzellen mit einer Lese-Leitung zu verbinden, lassen sich alle Reihen der Spalte gleichzeitig aufrischen.
Spezialanwendungen
Spezieller RAM als Bild- und Texturspeicher für Grafikkarten eingesetzt, zum Beispiel GDDR3 (Graphics Double Data Rate SDRAM).
Durch die Beschränkung auf ein Spezialgebiet kann die Wiederauffrischung der Speicherzellen optimiert werden, so kann man dies z.B. bei einem Bildspeicher in die Zeit des Zeilenrücklaufs legen. Auch ist es u.U. tolerierbar, wenn ein einzelnes Pixel zeitweise die falsche Farbe zeigt, man ist so nicht darauf angewiesen, auf die schlechteste Speicherzelle des Chips Rücksicht zu nehmen. Daher lassen sich - trotz gleicher Herstellungstechnologien - bedeutend schnellere DRAMs fertigen.
Für spezielle Anwendungen wurden weitere Typen entwickelt: der Graphics-DRAM (auch Synchronous Graphics RAM - SGRAM) ist z.B. durch höhere Datenbreiten für den Einsatz auf Grafikkarten optimiert, wobei jedoch auf die prinzipielle Funktionsweise z.B. eines DDR-DRAMs zurückgegriffen wird. Die Vorläufer des Graphics-RAM waren der Video RAM (VRAM) - ein auf Grafikanwendungen optimierter Fast Page Mode RAM mit zwei Ports statt einem - und danach der Window RAM (WRAM), der EDO-Features und einen dedizierten Display-Port aufzuweisen hatte.
Für die Anwendung in Netzwerkkomponenten optimierte DRAM-Typen haben von verschiedenen Herstellern die Namen 'Network-RAM', Fast-Cycle-RAM' und 'Reduced Latency RAM' erhalten. In mobilen Applikationen, wie Mobiltelefonen oder PDAs ist ein geringer Energieverbrauch wichtig - hierfür werden 'mobile DRAMs' entwickelt, bei denen durch besondere Schaltungstechnik und Herstellungstechnologie die Stromaufnahme abgesenkt wird. Eine Zwitterrolle nimmt der 'Pseudo-SRAM' (bei anderen Herstellern auch 'cellular RAM' oder '1T-SRAM' = 1-Tranistor-SRAM') ein: der Speicher selbst ist ein DRAM, der sich nach außen wie ein SRAM verhält. Das wird erreicht, indem eine logische Schaltung den SRAM-typischen Zugriffsmechanismus auf die DRAM-Steuerung umsetzt und die bei dynamischen Speichern grundsätzlich notwendige regelmäßige Auffrischung der Speicherinhalte ('refresh') durch im Baustein enthaltene Schaltungen vorgenommen wird.
Zeitverhalten
- Steuersignale RAS und CAS siehe Halbleiterspeicher#Adressierung
Cycle Length
Die Cycle Length oder CAS Latency (ausführlich: Column Adress Strobe Latency Time) ist ein Maß für die Zugriffszeit von Arbeitsspeicher-Modulen der Typen SDRAM und DDRAM. Gemessen wird die zeitliche Verzögerung in Taktschritten zwischen der Gültigkeit des CAS-Signals (also nach RAS-Precharge-Time und RAS-to-CAS-Delay) und der Bereitstellung der Daten auf dem Datenbus. Bei Verwendung mehrerer Speichermodule in einem Rechnersystem ist in der Regel darauf zu achten, dass alle Module dieselbe Latenzzeit aufweisen, da es ansonsten zu Systemabstürzen kommen kann.
Einheit
Die gesamte Verzögerung wird meist in CLx angegeben, wobei x eine Zahl ist, die angibt, wieviele Takte im Verlauf der Datenanfrage bis zur Datenrückgabe verstrichen sind. CL2 würde also bedeuten, dass es 2 Takte in Anspruch nehmen würde, um ein Datenwort zu lesen. Wie lange ein solcher Takt dauert, hängt vom Typ des Arbeitsspeichers ab. Der CL-Wert ist eine (in Grenzen) veränderliche Größe, die gelegentlich zu Tuning-Maßnahmen genutzt wird. Seine Änderung ist z.T. über das BIOS möglich. Wird dabei die Spezifikation des Herstellers unterschritten, so kann sich der Speicherbaustein als zu träge erweisen, um die an ihn gestellten Anfragen zeitgerecht zu erfüllen. In der Regel ist dann ein Absturz des Rechnersystems die Folge.
Siehe auch
Produktgenerationen von DRAMs
| Art | Jahr der Einführung | |
| FPM DRAM / Fast Page Mode DRAM | 1987 | |
| EDO RAM / Extended Data Output RAM | 1995 | |
| SDRAM / Synchronous Dynamic Random Access Memory | 1997 | |
| RDRAM / Rambus Dynamic Random Access Memory | 1999 | |
| DDR-SDRAM / Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory | 2000 | |
| DDR-2-SDRAM | 2004 |
Vergleichstabelle
DDR-SDRAM
| FSB | Busbreite | Bezeichnung | Datenrate | Rechnung | |
| 133 MHz | 64 Bit | PC2100 | 2,1 GB/s | (133.000.000 x 64 x 2)/8 (Angabe in Byte) | |
| 166 MHz | 64 Bit | PC2700 | 2,7 GB/s | ||
| 200 MHz | 64 Bit | PC3200 | 3,2 GB/s |
Wenn das Speicherinterface nun Dualchannel ist, kann es zweimal soviel Datenrate erreichen. Z.B. AMDs Prozessor Athlon64-FX besitzt ein Dualchannel-Memory-Interface, Athlon64 im Sockel 754 verfügt über ein Singlechannel-Memory-Interface
Dual-DDR-SDRAM
| FSB | Busbreite | Bezeichnung | Datenrate | Rechnung | |
| 133 MHz | 2x64 Bit | PC2100 | 4,2 GB/s | (133.000.000 x 64 x 2 x 2)/8 (Angabe in Byte) | |
| 166 MHz | 2x64 Bit | PC2700 | 5,4 GB/s | ||
| 200 MHz | 2x64 Bit | PC3200 | 6,4 GB/s |
DDR2-SDRAM
| FSB | Busbreite | Bezeichnung | Datenrate | Rechnung | |
| 100 MHz | 64 Bit | PC2-3200 | 3,2 GB/s | ||
| 133 MHz | 64 Bit | PC2-4200 | 4,2 GB/s | ||
| 166 MHz | 64 Bit | PC2-5300 | 5,3 GB/s |
RDRAM
| FSB | Busbreite | Bezeichnung | Datenrate | |
| 400 MHz | 16 Bit | PC800 | 1,6 GB/s | |
| 533 MHz | 16 Bit | PC1066 | 2,1 GB/s | |
| 600 MHz | 16 Bit | PC1200 | 2,4 GB/s | |
| 800 MHz | 16 Bit | PC1600 | 3,2 GB/s | |
| 1066 MHz | 16 Bit | PC2100 | 4,3 GB/s |
Dual-RDRAM
| FSB | Busbreite | Bezeichnung | Datenrate | |
| 400 MHz | 2x16 Bit | PC800 | 3,2 GB/s | |
| 533 MHz | 2x16 Bit | PC1066 | 4,2 GB/s | |
| 600 MHz | 2x16 Bit | PC1200 | 5.0 GB/s | |
| 800 MHz | 2x16 Bit | PC1600 | 6,4 GB/s | |
| 1066 MHz | 2x16 Bit | PC2100 | 8,6 GB/s |
Bauarten
Es gibt eine Vielzahl von DRAM-Bauarten, die sich historisch entwickelt haben:
Derzeit sind eine Reihe von nichtflüchtigen RAM-Technologien (NVRAM) in der Entwicklung, wie:
Die Speicherkapazität wird in Bit und Byte angegeben.
Als Arbeitsspeicher verwendetes RAM wird häufig in Form von Speichermodulen eingesetzt:
Siehe auch
Produktübersicht und Umsatzzahlen
- siehe Tabelle