Random-Access Memory
Random access memory (der; dt. Speicher mit wahlfreiem Zugriff), abgekürzt RAM, ist ein Speicher, der besonders bei Computern als Arbeitsspeicher Verwendung findet. Die gängigsten Formen gehören zu den Halbleiterspeichern. RAMs werden als integrierte Schaltkreise hauptsächlich in Silizium-Technologie realisiert. RAM wird in allen Arten von elektronischen Geräten eingesetzt.
Charakteristik
Die Bezeichnung des Speichertyps als „wahlfrei“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass jede Speicherzelle über ihre Speicheradresse direkt angesprochen werden kann, der Speicher also nicht sequentiell oder in Blöcken ausgelesen werden muss (bei großen Speicherbausteinen erfolgt die Adressierung jedoch nicht über die einzelnen Zellen, sondern über ein Wort, dessen Breite von der Speicherarchitektur abhängt). Das unterscheidet den RAM von blockweise zu beschreibenden Speichern, den so genannten Flash-Speichern.
Der Begriff „random access memory“ (RAM, „Speicher mit wahlfreiem Zugriff“ oder „Direktzugriffsspeicher“) wird heute immer im Sinne von „read-write random access memory“ (RWRAM, „Schreib-Lese-RAM“) verwendet. Der Begriffsinhalt des Speichers mit wahlfreiem Zugriff trifft auch auf andere Speicherformen zu, insbesondere Speicherbausteinen vom Typ Read Only Memory (ROM, Nur-Lese-Speicher). Da die Bezeichnung RAM eigentlich ungenau ist, wurde zeitweise versucht, den Begriff „Read-Write Memory“ (RWM, Schreib-Lese-Speicher) zu etablieren, der sich jedoch nicht durchsetzen konnte.[1]
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Geschichte
Die Entstehung des Begriffs geht in die Anfangszeit der modernen Computer zurück, bei denen alle Daten auf sequentiell zu lesenden Speicherformen wie Lochkarten und magnetischen Trommelspeichern vorlagen, die zur Verarbeitung in schnelle Rechenregister geladen wurden. Um Zwischenergebnisse schneller als diese blockorientierten Geräte bereitzuhalten, wurden zeitweise Verzögerungsleitungen (delay line) für Zwischenwerte eingesetzt, bis dann die Ferritkernspeicher eingeführt wurden. Diese schreibbaren Speicher hatten schon die Form des Matrixzugriffes, wie sie auch heutige RAM haben. Zu jener Zeit waren die schnellen Speichertypen alle schreibbar und die wesentliche Neuerung bestand in dem wahlfreien Zugriff der magnetischen Kernspeicher und der nachfolgend auf Halbleiterspeichern aufsetzenden RAM-Bausteine.
Adressierung
Um Bits in einer Bank zu adressieren, sendet die Speichersteuerung die Adressinformation über entsprechende Adressbusleitungen an die entsprechende Bank.
Bei DRAMs wird der Adressbus normalerweise gemultiplext und in zwei Hälften über identische Pins in den Baustein geführt, einmal als RAS und einmal als CAS. Dagegen wird bei SRAMs zwecks höherer Geschwindigkeit meist der komplette Adressbus an Pins geführt, so dass der Zugriff in einer einzigen Operation erfolgen kann.
Steuerleitungen
Eine Steuerleitung gibt dem Chip vor, ob gelesen oder geschrieben werden soll. Meist heißt der Pin .
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 stören.
Datenleitungen
Ein RAM-Chip weist mindestens eine bidirektionale (nämlich durch den R/W-Pin gesteuerte) Datenleitung auf. Oft findet man auch 4, 8 oder 16 Datenpins, je nach Auslegung. Die Kapazität eines Chips in Bits ergibt sich dann durch die Datenbusbreite mal der Anzahl der möglichen Adresswerte (2 hoch Datenbusbreite bzw. 2*Datenbusbreite).
Versorgungsspannung
Der Energiebedarf der flüchtigen RAM-Typen steigt und fällt mit dem Spannungsniveau: Je höher die Spannung, desto höher der Energiebedarf. Die Hersteller von Speicher versuchen kontinuierlich, den Energiebedarf zu senken, denn der Energiebedarf kann je nach Arbeitsspeichergröße mehrere Watt betragen und sich bei Notebooks negativ auf die Akkulaufzeit auswirken. Die Versorgungsspannung von DDR2-SDRAM liegt bei 1,8 Volt. Der Vorgänger DDR-SDRAM benötigt 2,5 Volt, noch ältere Speicher wie SDR-SDRAM benötigen 3,3 Volt. Bei DDR3-SDRAM soll die Spannung auf 1,5 Volt gesenkt werden.
Arten von RAMs
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 auch RAM-Typen, die ihre Information auch ohne Stromzufuhr erhalten (nicht volatil). Diese werden NVRAM genannt.
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Statisches RAM (SRAM)
SRAM steht für statisches RAM und bezeichnet einen elektronischen Speicherbaustein, der hauptsächlich in Computern als Cache eingesetzt wird und als integrierter Schaltkreis ausgeführt ist. Sein Inhalt ist flüchtig (volatil), das heißt, die gespeicherte Information geht bei Abschaltung der Betriebsspannung verloren. Die Informationen werden durch Zustandsänderung von bistabilen Kippstufen (Flipflops) gespeichert. Dies macht die Speicherzelle zwar extrem schnell, aber eine Speicherzelle ist verhältnismäßig riesig (über 100 F²) und verbraucht viel Strom. SRAMs werden heutzutage als 6-Transistor-Zelle in CMOS-Technolgie hergestellt. Der im Bild zu sehende Aufbau der Kippstufe mit Widerständen als Lastelementen wird nicht mehr eingesetzt, statt der Lastwiderstände werden heute auch Transistoren eingesetzt.
Dynamisches RAM (DRAM)
- Hauptartikel: Dynamisches RAM
DRAM steht für dynamisches RAM und bezeichnet einen elektronischen Speicherbaustein, der hauptsächlich in Computern eingesetzt wird und als integrierter Schaltkreis ausgeführt ist. Sein Inhalt ist flüchtig (volatil), das heißt, die gespeicherte Information geht bei Abschaltung der Betriebsspannung verloren. Die Informationen werden in Form des Ladezustandes eines Kondensators gespeichert. Dieser sehr einfache Aufbau macht die Speicherzelle zwar sehr klein (6 bis 10 F²), allerdings entlädt sich der Kondensator bei den eingesetzten Kapazitäten durch die auftretenden Leckströme sehr schnell, und der Informationsinhalt geht verloren. Daher müssen die Speicherzellen regelmäßig wiederaufgefrischt werden.
Phase-change RAM (PRAM)
- Hauptartikel: Phase-change random access memory
PRAM steht für phase-change RAM und befindet sich u. a. bei Samsung noch in der Entwicklung. Er soll 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. Dabei belegt er weniger Fläche und ist einfacher in der Herstellung.