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Halbleiterspeicher

Datenspeicher, der aus einem Halbleiter besteht
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Halbleiterspeicher ist ein Datenspeicher, der aus einem Halbleiter besteht, in dem mittels der Halbleitertechnologie integrierte Schaltkreise realisiert werden. Die Daten werden in Form von binären elektronischen Schaltzuständen in den integrierten Schaltungen gespeichert.

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 oder Datenwort, das aus n Bit besteht (n ≥ 1).

Personal Computer arbeiten heutzutage mit einer Wortlänge (auch „Wortbreite“ genannt) von 32 oder 64 Bit. Früher waren Speicherzellen auch 4 Bit (Halbbyte) (erste Taschenrechner) oder 8 Bit (erste PCs) groß. Für einfache Steuerungen (siehe: Microcontroller) werden auch heute 8 Bit große Speicherzellen verwendet.

Bei früheren Computern waren auch Wortbreite von 6 oder 7 Bit gebräuchlich, da man mit 64 bzw. 128 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. In nichtflüchtigen Speicherzellen bleibt die Information auf Dauer erhalten, auch wenn die Stromversorgung unterbrochen wird. Bei flüchtigen Speicherzellen geht die Information in solch einem Fall verloren.

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 2R×2C-Matrix angeordnet. Über Wortleitungen und Bitleitungen werden die Speicherzellen adressiert und beschrieben bzw. ausgelesen. Hierzu sind ein Reihen- und ein Spaltendekodierer notwendig. Dadurch ist ein direkter Zugriff auf beliebige Speicherzellen (wahlfreier Zugriff) möglich. Daher wird diese Anordnung 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 auch: Speicherkarte, sequentieller Zugriff

Random Access Memory (RAM)

Random Access Memory (der; 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.

 
Prinzipielle Anordnung der Speicherzellen in Reihen und Spalten (Matrix) in einem RAM. Die Adresscodierer befinden sich auf dem gleichen Chip. Der Schreib- / Leseschaltkreis schaltet die Informationsrichtung um und verstärkt die schwachen Signale der adressierten Speicherzellen.

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. Im Gegensatz zu einem ROM (Read Only Memory) kann RAM sowohl gelesen als auch beschrieben werden. Zu den Bezeichnungen ist zu bemerken, daß „Random Access“ an sich kein Gegensatz zu „Read Only“ ist, sondern daß der üblicherweise als RAM bezeichnete Speicher genauer als „Read-Write Random Access Memory“ (RWRAM) bezeichnet werden müßte [1].

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:

Adressierung

Um Bits in einer Bank zu adressieren, sendet die Speichersteuerung ein Signal an die entsprechende Bank. Die Daten werden mit folgenden Parametern adressiert:

CAS

Column Address Strobe, dieses Signal liegt während einer gültigen Spaltenadresse an. Der Speicherbaustein legt diese Adresse in einem Zwischenspeicher ab.

Versorgungsspannung

Der Energiebedarf 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 benötigen 3,3 Volt. Bei DDR3-SDRAM soll die Spannung auf 1,5 Volt gesenkt werden.

Static Random Access Memory (SRAM)

 
4T-SRAM:
Flip-Flop Schaltung

Statisches RAM (engl. Static Random Access Memory, abgekürzt SRAM) bezeichnet einen Typ von volatilen (flüchtigen) Speicherbausteinen für elektronische Geräte wie z.B. 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 wird inzwischen ein zweistufiges und zum Teil schon dreistufiges System von Cachespeicher (L1, L2, L3) verwendet.

Der Nachteil im Vergleich zu DRAMs ist der höhere Flächenbedarf auf dem Wafer bei gleicher Speicherkapazität und der damit auch höhere Preis.

Dynamisches RAM (DRAM)

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. Außerdem geht die Information auch sehr schnell durch Leckströme verloren, daher müssen die Speicherzellen regelmäßig wiederaufgefrischt werden.

Phase-change RAM (PRAM)

PRAM steht für Phase-change RAM und befindet sich 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.

Read Only Memory (ROM)

  • Dieser Abschnitt beschreibt das ROM als Halbleiterspeicher. Weitere Anwendungen des Begriffs Siehe: WORM sowie CD-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-/Lese-Speicher (Random Access Memory, Festplatte) vergleichbar. Zu unterscheiden ist zwischen Bausteinen mit reversibler und irreversibler Programmierung. ROM ermöglicht oft wie RAM einen wahlfreien Zugriff auf die Daten.

 
Ein PROM-Chip für einen PDA

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 verschiedener Arten von ROM:

  • PROM - Programmable ROM, einmalig programmierbar
  • EPROM - Erasable / Electrically PROM, d.h. löschbar mit UV-Licht
  • EEPROM - Electrically Erasable PROM
  • Flash-Speicher - auch FLASH-EEPROM

Produktübersicht und Umsatzzahlen

Einen Überblick über die unterschiedlichen Speichertypen gibt die folgende Tabelle (die angegebenen Umsatzzahlen beziehen sich auf das Jahr 2005 und sind dem Elektronik Scout 2006 entnommen; SRAM steht nicht für in Prozessoren enthaltene SRAMs.):

colspan="10" align="center" Vorlage:Highlight1| Halbleiterspeicher (im Jahr 2005: 48 Mrd. $)
colspan="6" align="center" Vorlage:Highlight4| Flüchtige Speicher (RAM) (29 Mrd. $) colspan="4" align="center" Vorlage:Highlight4| Nichtflüchtige Speicher (19 Mrd. $)
colspan="2" align="center" Vorlage:Highlight4| Statisches RAM (SRAM) (2 Mrd. $) colspan="4" align="center" Vorlage:Highlight4| Dynamisches RAM (DRAM) (27 Mrd. $) colspan="3" align="center" Vorlage:Highlight4| ausgereiftes Material (19 Mrd. $) colspan="1" align="center" Vorlage:Highlight4| innovatives Material (0,01 Mrd. $)
Vorlage:Highlight4|Asynchrones SRAM Vorlage:Highlight4|Synchrones SRAM colspan="2" align="center" Vorlage:Highlight4| Asynchrones DRAM colspan="2" align="center" Vorlage:Highlight4| Synchrones DRAM (SDRAM) Vorlage:Highlight4|Nur Lese Speicher (ROM) (2 Mrd. $) colspan="2" align="center" Vorlage:Highlight4| Flash (17 Mrd. $)
Vorlage:Highlight4|Standardisiertes DRAM Vorlage:Highlight4|Nicht standardisiertes DRAM Vorlage:Highlight4|Standardisiertes SDRAM Vorlage:Highlight4|Nicht standardisiertes SDRAM Vorlage:Highlight4|NAND (8 Mrd. $) Vorlage:Highlight4|NOR (9 Mrd. $)
Vorlage:Highlight3|Low-Power SRAM Vorlage:Highlight3|Burst SRAM DRAM Window RAM (WRAM) Vorlage:Highlight3|Single Data Rate SDRAM (SDR SDRAM) Vorlage:Highlight3|Embedded DRAM Mask ROM Vorlage:Highlight4|Single Level Cell (SLC) Vorlage:Highlight4|Single Level Cell (SLC) Vorlage:Highlight3|Ferro-electric RAM (FRAM, FeRAM)
Vorlage:Highlight3|Piplined Burst SRAM Fast Page Mode DRAM (FPM DRAM) Video RAM (VRAM) Vorlage:Highlight3|Double Data Rate SDRAM (DDR SDRAM) Vorlage:Highlight3|Customized DRAM Programmable ROM (PROM) Vorlage:Highlight3|Standard NAND Vorlage:Highlight3|Standard NOR Vorlage:Highlight3|Magneto-resistive RAM (MRAM)
Vorlage:Highlight3|Quad Data Rate SRAM (QDR SRAM) Burst Mode DRAM (BM DRAM) Vorlage:Highlight3|DDR2 SDRAM Vorlage:Highlight3|Cache DRAM (CDRAM) Vorlage:Highlight3|One-Time Programmable ROM (OTP) Vorlage:Highlight3|Assisted Gate AND (AG-AND) Vorlage:Highlight2|Phase Change Memory (PCM)
Vorlage:Highlight3|Extended Data Out DRAM (EDO DRAM) Vorlage:Highlight3|DDR3 SDRAM Vorlage:Highlight3|Enhanced DRAM (ESDRAM) Erasable Programmable ROM (UV-EPROM) Vorlage:Highlight4|Multi-Level Cell (MLC) Vorlage:Highlight4|Multi-Level Cell (MLC) Vorlage:Highlight2|Phase Change RAM (PCRAM)
Vorlage:Highlight3|Synchronous Graphics RAM (SGRAM) Vorlage:Highlight3|Virtual Channel DRAM (VC DRAM) Vorlage:Highlight3|Electrically Erasable PROM (EEPROM) Vorlage:Highlight3|Standard NAND Vorlage:Highlight3|Strata Flash Vorlage:Highlight2|Chalcogenide RAM (C-RAM)
Vorlage:Highlight3|Reduced Latency DRAM (RLDRAM) Vorlage:Highlight4|Multibit Vorlage:Highlight4|Multibit Vorlage:Highlight2|Ovonic Unified Memory (OUM)
Vorlage:Highlight4|DRAM mit niedriger Leistung Vorlage:Highlight3|Twin Flash (NROM) Vorlage:Highlight3|Mirror Bit (NROM) Vorlage:Highlight2|Programmable Metallization Cell (PMC)
Vorlage:Highlight3|Mobile RAM, COSMO-RAM Vorlage:Highlight2|Organic RAM (ORAM)
Vorlage:Highlight3|Pseudo Static RAM (PSRAM), Cellular RAM Vorlage:Highlight2|Conductive Bridge RAM (CBRAM)
Vorlage:Highlight4|Überschrift Vorlage:Highlight4|Protokollbasierte DRAM Vorlage:Highlight2|Nanotube RAM (NRAM)
Vorlage:Highlight3|in Produktion Synclink DRAM (SLDRAM)
Vorlage:Highlight2|noch nicht in Produktion Vorlage:Highlight3|Direct Rambus DRAM (DRDRAM)
nicht mehr in Produktion Vorlage:Highlight3|XDR DRAM

Hersteller von RAM-Chips und -Modulen

Quellen

  1. ↑ Stefan Ram. Erklärung des Begriffs „RAM“
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