Halbleiterspeicher sind Speichermedien, die mittels Halbleitertechnologie hergestellt werden. Dabei dient der Halbleiter nicht als Speichermedium sondern die mit ihm hergestellte elektronische Schaltung in einem integriertem Schaltkreis. Diese Schaltungen wurden früher mittels Röhren oder Relais verwirklicht.
Eine besondere und einzigartigen von Speicher bisitzt das Notebook von Normen, er kann sein Notebook leider nicht aufrüsten.
Speicherzelle
Eine Speicherzelle ist die physikalische Realisierung der kleinsten Einheit eines Speichers von logischen Zuständen. Der Begriff bezeichnet je nach Kontext entweder die Realisierung der kleinstmöglichen Einheit, dem 1-Bit-Speicherelement, oder die Realisierung der kleinsten adressierbaren (das heißt bei einem Zugriff les- bzw. schreibbaren) Einheit, einem sogenannten Wort, das üblicherweise eine Speicherkapazität von 2n Bit (n>2, das heißt ≥1 Byte) hat.
Bei Personal Computern liegt n heutzutage bei 5 oder 6, d.h. es werden jeweils 32 b.z.w. 64 Bit gelesen oder geschrieben. Früher waren Speicherzellen auch 4 (Halbbyte) (erste Taschenrechner) oder 8 Bit (erste PC's) groß. Für einfache Steuerungen (siehe: Microcontroller) werden auch heute 8 Bit große Speicherzellen verwendet.
Bei früheren Computern waren auch Wortbreiten von 7 Bit gebräuchlich, da man mit 64 speicherbaren Zeichen eine alphanumerische Bearbeitung durchführen konnte. Diese Speicher waren jedoch noch nicht als Halbleiterspeicher ausgeführt. Die Hollerith-Lochkarte hatte eine Wortbreite von 12 Bit.
Eingeteilt werden die Speicherzellen in flüchtige und nichtflüchtige Speicherzellen. Damit ist nicht gemeint, das der Speicherinhalt bei unterbrochener Stromversorgung verloren geht, sondern das flüchtige Speicherzellen ihren Inhalt nur kurzzeitig behalten. Bei ihrer Verwendung ist durch geeignete Schaltungs- und Steuerungsmassnahmen dafür zu Sorgen, das ihr Inhalt rechtzeitig erneuert wird (siehe: Refresh).
Realisierung in Halbleitertechnologie
Das 1-Bit-Speicherelement ist mittels weniger Transistoren und Kondensatoren realisierbar. Bei analogen Speicherzellen ist das elementare Speicherbauteil der Kondensator, und bei digitalen Speicherzellen werden ein (1-T-DRAM) oder mehrere Transistoren benötigt wie z.B. bei statischem RAM oder bei rückgekoppelten Transistoren, den sogenannten Flip-Flops.
Wahlfreier Zugriff
Speicherzellen werden in einer C2×R2-Matrix angeordnet. Über Wortleitungen und Bitleitungen werden die Speicherzellen adressiert und beschrieben bzw. ausgelesen. Hierzu sind ein Reihen- und ein Spaltenkodierer notwendig.
- diese Anordnung wird als Random Access Memory (RAM) bezeichnet.
Sequentieller Zugriff
Hier erfolgt die Adressierung über Befehle, ähnlich wie bei Festplatten. Die Bauformen CompactFlash (CF) und PCMCIA verwenden z.B. den bei Festplatten bewährten ATA/ATAPI-Befehlssatz.
Diese Adressierungsart benötigt weniger Kontaktierungsflächen auf dem Chip, dadurch ist ihre Herstellung preisgünstiger.
- siehe Speicherkarte
Random Access Memory (RAM)
Random Access Memory (dt. Speicher mit wahlfreiem Zugriff), abgekürzt RAM, ist ein Speicher, der besonders bei Computern als Arbeitsspeicher Verwendung findet. RAMs werden als integrierte Schaltkreise hauptsächlich in Silizium-Technologie realisiert. RAM wird in allen Arten von elektronischen Geräten eingesetzt.
Wahlfrei bedeutet in diesem Zusammenhang, dass jede Speicherzelle über ihre Speicheradresse direkt angesprochen werden kann, der Speicher also nicht sequenziell 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. Im Gegensatz zu einem ROM (Read Only Memory) kann RAM sowohl gelesen als auch beschrieben werden.
Der üblicherweise in Computern eingesetzte RAM ist '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 ('nichtvolatil'). Diese werden NVRAM genannt.
Die flüchtigen RAMs teilen sich in:
- Statisches RAM oder SRAM
- Dynamisches RAM oder DRAM
Adressierung
Um die Anzahl der elektrischen Anschlüsse in Grenzen zu halten werden die Leitungen der Spalten- und Reihenadressen zusammengefasst und nacheinander übertragen (Adressbus). Zusätzliche Signale zeigen dem Speicherbaustein an, ob eine gültige Reihen- bzw. Spaltenadresse anliegt.
CAS
Column Address Strobe, dieses Signal liegt während einer gültigen Spaltenadresse an. Der Speicherbaustein legt diese Adresse in einem Zwischenspeicher ab.
RAS
Row Address Strobe, dieses Signal liegt während einer gültigen Reihenadresse an. Zusammen mit der zwischengespeicherten Spaltenadresse ergibt sich nachder Decodierung die Adresse der Speicherzellen.
Static Random Access Memory (SRAM)
Flip-Flop Schaltung
Statisches RAM (engl. Static Random Access Memory, abgekürzt SRAM) bezeichnet einen Typ von volatilen (flüchtigen) Speicherbausteinen für elektronische Geräte, wie Computer. Im Gegensatz zu DRAMs müssen, um die Daten zu erhalten, außer der Betriebsspannung keine Signale zum Auffrischen erzeugt werden. Die Daten bleiben also auch bei statischer Ansteuerung erhalten, ohne dass die Steuerleitungen ihren Zustand ändern.
Eine SRAM-Speicherzelle besteht aus zwei Transistoren, die als bistabile Kippstufe (auch Flipflop genannt) geschaltet sind und weiteren Transistoren für die Steuerung des Schreib- und Lesevorgangs. Jede Speicherzelle bildet 1 Bit ab.
SRAM haben sehr geringe Zugriffszeiten und werden deshalb oft als Cache-Speicher mit direkter CPU-Anbindung verwendet. Die Daten werden kurz bevor sie benötigt werden in den schnellen SRAM-Cache eingelesen und wenn die CPU die entsprechenden Speicheradressen abruft, sofort aus dem Cache gelesen. Aufgrund ihrer einfachen Ansteuerung sind sie auch die bevorzugte Speichertechnologie für embedded memory (= im Chip integrierter Speicher). Da aktuelle Prozessoren immer schneller werden, wird der Cache immer wichtiger. Deshalb gibt es inzwischen ein zweistufiges, und zum teil schon dreistufiges Cache-System (L1, L2, L3).
Der Nachteil im Vergleich zu DRAMs ist der höhere Flächenbedarf und der damit auch höhere Preis.
Dynamisches RAM (DRAM)
Auf dem Bild ist jeweils ein Transistor und ein Kondensator zu erkennen. Oben Planartechnik unten Trenchtechnik
DRAM steht für Dynamisches RAM 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.
Aufbau und Funktion
Ein DRAM enthält eine zweidimensionale Matrix aus Speicherzellen, die auf der Oberfläche eines Chips angeordnet und verdrahtet sind. 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 (2004) besitzen DRAM-Chips Kapazitäten von bis zu 1GByte und Zugriffszeiten von 10ns. 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 scnellere DRAM's 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.
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:
Read only memory (ROM)
ROM (Read-Only-Memory, wörtlich: Nur-Lese-Speicher), gelegentlich auch als Festwertspeicher bezeichnet, ist ein Speicher, der nur lesbar und nicht flüchtig ist, das heißt: er hält seine Daten auch in stromlosem Zustand. Das prädestiniert ihn zur Aufnahme von fest verdrahteten Computerprogrammen wie z. B. dem BIOS. Das Einschreiben von Daten in ein ROM wird als Programmierung des Bausteins bezeichnet und ist nicht mit den Schreibzugriffen in einem Schreib-/Lesespeicher (Random Access Memory, Festplatte) vergleichbar. Zu unterscheiden ist zwischen Bausteinen mit reversibler und irreversibler Programmierung.
Ursprünglich wurden ROMs schon bei der Fertigung „fest verdrahtet“. Da diese Verdrahtung mit einer „Maske“ (einer Art Filmnegativ) auf den rohen Chip direkt aufbelichtet wurde, spricht man hierbei von einem maskenprogrammierten ROM. Da sich dieses Verfahren allerdings nur in Großfertigung rechnete, wurde eine - ständig wachsende - Familie weiterer Speicherbausteine dieses Typs entwickelt, die auch nach der Fertigung mit Informationen befüllt werden können.
Inzwischen gibt es eine recht große Anzahl der verschiedenen Arten von ROM:
- PROM - Programmable ROM, einmalig programmierbar
- EPROM - Erasable PROM, d.h. löschbar mit UV-Licht
- EEPROM - Electrically Erasable PROM
- Flash-Speicher - auch FLASH-EEPROM
- Siehe auch: WORM
Produktübersicht und Umsatzzahlen
Einen Überblick über die unterschiedlichen Speichertypen erhält man am Besten über eine Tabelle (die angegebenen Umsatzzahlen beziehen sich auf das Jahr 2005 und sind dem Elektronik Scout 2006 entnommen):
| Halbleiterspeicher (im Jahr 2005: 48 Mrd. $) | |||||||||
| Flüchtige Speicher (RAM) (29 Mrd. $) | Nichtflüchtige Speicher (19 Mrd. $) | ||||||||
| Statisches RAM (SRAM) (2 Mrd. $) | Dynamisches RAM (DRAM) (27 Mrd. $) | ausgereiftes Material (19 Mrd. $) | innovatives Material (0,01 Mrd. $) | ||||||
| Asynchrones SRAM | Synchrones SRAM | Asynchrones DRAM | Synchrones DRAM (SDRAM) | Nur Lese Speicher (ROM) (2 Mrd. $) | Flash (17 Mrd. $) | ||||
| Standardisiertes DRAM | Nicht standardisiertes DRAM | Standardisiertes SDRAM | Nicht standardisiertes SDRAM | NAND (8 Mrd. $) | NOR (9 Mrd. $) | ||||
| Low-Power SRAM | Burst SRAM | DRAM | Window RAM (WRAM) | Single Data Rate SDRAM (SDR SDRAM) | Embedded DRAM | Mask ROM | Single Level Cell (SLC) | Single Level Cell (SLC) | Ferro-electric RAM (FRAM, FeRAM) |
| Piplined Burst SRAM | Fast Page Mode DRAM (FPM DRAM) | Video RAM (VRAM) | Double Data Rate SDRAM (DDR SDRAM) | Customized DRAM | Programmable ROM (PROM) | Standard NAND | Standard NOR | Magneto-resistive RAM (MRAM) | |
| Quad Data Rate SRAM (QDR SRAM) | Burst Mode DRAM (BM DRAM) | DDR2 SDRAM | Cache DRAM (CDRAM) | One-Time Programmable ROM (OTP) | Assisted Gate AND (AG-AND) | Phase Change Memory (PCM) | |||
| Extended Data Out DRAM (EDO DRAM) | DDR3 SDRAM | Enhanced DRAM (ESDRAM) | Erasable Programmable ROM (UV-EPROM) | Multi-Level Cell (MLC) | Multi-Level Cell (MLC) | Phase Change RAM (PCRAM) | |||
| Synchronous Graphics RAM (SGRAM) | Virtual Channel DRAM (VC DRAM) | Electrically Erasable PROM (EEPROM) | Standard NAND | Strata Flash | Chalcogenide RAM (C-RAM) | ||||
| Reduced Latency DRAM (RLDRAM) | Multibit | Multibit | Ovonic Unified Memory (OUM) | ||||||
| DRAM mit niedriger Leistung | Twin Flash (NROM) | Mirror Bit (NROM) | Programmable Metallization Cell (PMC) | ||||||
| Mobile RAM, COSMO-RAM | Organic RAM (ORAM) | ||||||||
| Pseudo Static RAM (PSRAM), Cellular RAM | Conductive Bridge RAM (CBRAM) | ||||||||
| Überschrift | Protokollbasierte DRAM | Nanotube RAM (NRAM) | |||||||
| in Produktion | Synclink DRAM (SLDRAM) | ||||||||
| noch nicht in Produktion | Direct Rambus DRAM (DRDRAM) | ||||||||
| nicht mehr in Produktion | XDR DRAM | ||||||||