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Der Arbeitsspeicher (RAM)

Arbeitsspeicher=RAM=Random Access Memory. Die wörtliche Übersetzung dieses Namens sorgt schon mal für Verwirrung: "Zufälliger-Zugriff Speicher". Nun sollen ja aber nicht zufällig irgendwelche Daten gelesen oder geschrieben werden, sondern wenn's geht schon die Daten, die man gerne hätte. Und so ist es dann auch. Das "Random" soll nur zeigen, dass man Daten von allen Positionen innerhalb der Speicherbänke gleich schnell lesen bzw. schreiben kann und das dies recht schnell geht. Bei Festplatten zum Beispiel muss erst der Lesearm zu der gewünschten Stelle bewegt werden und die Daten der äußeren Bereiche lassen sich schneller lesen als die der inneren.
Nun aber zurück zum Arbeitsspeicher. Im Arbeitsspeicher legt der Computer zur Laufzeit alle Daten ab, die er zum Arbeiten braucht. Das ist zum Beispiel der Betriebssystem-Kern, Treiber für angeschlossene Geräte, Programme, Texte oder auch Bilder.
Der in PCs eingesetzte RAM ist D-RAM, das D steht dabei für Dynamic. Das bedeutet in der letzten Konsequenz, dass der Speicher flüchtig ist, d.h. wenn der Strom abgeschaltet wird, sind auch die Daten weg. Das ist aber nicht weiter schlimm, das es ja noch andere Speichermedien gibt, um die Daten zu konservieren. Außerdem entladen sich DRAM-Zellen durch Kriechströme nach einiger Zeit und müssen deshalb ständig aufgefrischt werden. Das Gegenteil von DRAM ist S(tatic)-RAM, der dieses Problem nicht hat. Da er aber ungleich komplizierter und damit auch teurer ist, wird er nicht für den eigentlichen Arbeitsspeicher verwendet.
Soweit der einfache Teil. Bis vor wenigen Jahren war es noch leicht, die richtigen RAM-Module zu finden bzw. deren Funktion zu erklären. Mittlerweile ist das alles viel komplizierter geworden. Daher versuche ich im Folgenden etwas Licht in dieses mittlerweile hoch komplexe Thema zu bringen, ich hoffe, es gelingt mir ;-) Es ist daher auch sinnvoll, die nachfolgenden Seiten als Ganzes zu betrachten, da sonst einiges um Unklaren bleiben könnte.
· 1 - Aufbau von Speicherzelle und Speichermodulen
· 2 - Funktionsweise des Arbeitsspeichers / Ablauf eines Speicherzugriffs
· 3 - Leistungsbestimmende Faktoren und Arten

Aufbau von Speicherzellen und Speicher-Modulen (1/3)

· 1 - Aufbau von Speicherzelle und Speichermodulen
· 2 - Funktionsweise des Arbeitsspeichers / RAM-Arten
· 3 - Leistungsbestimmende Faktoren
Alle DRAM-Zellen sind nach dem gleichen Prinzip aufgebaut: Sie bestehen aus einem Transistor und einem Kondensator. Je nach dem, wie der Transistor geschaltet ist, wird der Kondensator geladen und repräsentiert den Zustand 1 oder er wird entladen und repräsentiert so den Zustand 0. Die Strukturen sind dabei extrem klein: Bei momentan erhältlichen SDRAM-Zellen beträgt die Strukturbreite nur 20 µm, der Kondensator speichert damit nur etwa eine halbe Million Elektronen.
Bedingt durch das Prinzip der Schaltung verliert eine Speicherzelle bei jeden Lesezugriff ihre Information und muss neu beschrieben werden.
Da auf einem einzelnen Chip mehrere Millionen Speicherzellen untergebracht sind, ist es unmöglich jede einzeln anzusprechen, der Aufwand wäre zu groß und sinnvoll ist so etwas auch nicht, da nie einzelne Bits, sondern ganze Byte-Folgen benötigt werden. Darum werden die Speicherzellen matrixähnlich in Reihen (rows) und Spalten (columns) organisiert. Von diesen Matrizen befinden sich mehrere auf einem Silizium-Chip von denen wiederum mehrere auf einen RAM-Riegel gelötet werden. Der Chipsatz auf dem Mainboard leitet die Anfragen für bestimmte Datenblöcke über diverse Steuerleitungen an die Chips, die dann zunächst eine Reihe bzw. Spalte liefern. Doch damit nicht genug: Weil die anderen RAM-Felder nicht untätig rumlungern sollen währen einer ihrer Kollegen arbeitet gibt es noch die Seite (page) als Organisationsstruktur. Eine Seite stellt alle Reihen und Spalten mit der gleichen Nummer auf den unterschiedlichen Matrizen und Chips dar. Somit liefert das Modul bei jedem Zugriff auf eine Reihe die parallelen Reihen (auf den anderen Matrizen) gleich mit, die Datenleitungen werden dadurch alle optimal genutzt.
Basierend auf diesen Standards gibt es viele Möglichkeiten der internen Organisation der Speicherzellen und -Riegel. Wichtig ist dabei nur, dass die Zahl der Datenleitungen unterm Strich die richtige ist, bei SD-RAM müssen es 64 Datenleitungen sein. Hier ein Beispiel aus der Praxis: Möchte man einen Speicherriegel mit 256 MB herstellen, kann man dazu 16 Chips á 128 MBit verwenden, die jeweils 4 Datenleitungen zur Verfügung stellen (16 Chips * 4 Leitungen = 64 Datenleitungen). Will man dagegen 8 Chips mit 256 MBit nehmen, müssen diese jeweils 8 Datenleitungen haben. So ein 128 MBit-Chip ist intern wiederum in eine bestimmte Anzahl von Bänken und Feldern unterteilt. Wenn er also 8 Bänke hat, die je 8 Felder enthalten die wiederum je 2 MBit groß sind, handelt es sich bei dem Chip um ein "8 banks * 2M * 4 data SDRAM". Als Kurzversion für die Beschreibung von Modulen hat sich aber die Form 16M*4 etabliert.
Wie schon eingangs erwähnt, muss der Inhalt aller Speicherzellen mindestens alle 64 ms aufgefrischt werden. Da es ungünstig wäre, den Speicher "am Stück" auf zu frischen, findet der Refresh seitenweise statt. Wenn eine Page beispielsweise 4096*4096 Bits besitzt, muss in diesen 64 ms jede Zeile ein mal refreshed werden. Daraus resultiert ein Intervall von 64 ms/4096 = 15,6 µs. SDRAMs erledigen das übrigens vollkommen selbstständig, so dass der Chipsatz damit so gut wie nicht beschäftigt ist.
Ergänzend sei noch darauf hingewiesen, dass auf den Chips nicht nur die Chips für die Datenspeicherung sitzen. Etwa 10 % des Siliziums sind für Steuerleitungen und kleine Pufferspeicher vorgesehen.

Funktionsweise des Arbeitsspeichers / RAM Arten (2/3)

· 1 - Aufbau von Speicherzelle und Speichermodulen
· 2 - Funktionsweise des Arbeitsspeichers / RAM Arten
· 3 - Leistungsbestimmende Faktoren

Nach dieser ganzen Theorie nun endlich etwas Praxis: Was passiert, wenn Daten aus dem Speicher gebraucht werden? Für den Datenabruf gibt es beim handelsüblichen SDRAM 14 Adressleitungen, die die Adressen der gesuchten Daten im Speicher übermitteln. Einmal gibt es das RAS (Row Access Signal) für die Reihe und einmal das CAS (Column Access Signal) für die Spalte. Hat der Speicher die Anforderung "kapiert", schickt er die Daten von dieser Position und allen anderen Spalten aus der gleichen Zeile auf den Speicherbus.
Je nach Programmierung schickt der Speicherbaustein so lange Daten, bis er ein Stopp-Signal erhält. Der Vorteil dieses Burst-Modus ist es, dass nebeneinander liegende Daten nicht Stück für Stück angefordert werden müssen, sondern "in einem Rutsch" geliefert werden, was viel Zeit spart. Trotzdem fallen zwischen den einzelnen Anforderungssignalen noch Wartezeiten an, auf diese Problematik gehe ich im nächsten Teil ein.
Wie schon eingangs erwähnt, verliert eine Speicherzelle beim Auslesen ihren Inhalt. Daher sind Schreibzugriffe schneller als Lesezugriffe, denn es muss ja nur geschrieben werden, der Lesevorgang davor entfällt logischerweise.

RAM-Evolution

Es gab und gibt mehrere Arten von RAM-Bausteinen, fast ausgestorben ist der reine DRAM (Dynamic RAM) der von den Anfangstagen des PCs bis Anfang der 90er Jahre benutzt wurde und trotz zwischenzeitlicher Geschwindigkeitserhöhungen recht langsam war, darauf folgten FPM-RAM (Fast Page Mode) und EDO-RAM (Extended Data Output), die jeweils geringe Geschwindigkeitszuwächse brachten.
Momentan ist SD-RAM "state of the art", er kann mit bis zu 133 MHz betrieben werden und stellte eine einigermaßen spürbare Erhöhung der Geschwindigkeit dar. Die Besonderheit bei SD-RAM ist, dass er, wenn einmal Daten einer bestimmten Adresse angefordert werden, die "daneben" liegenden Daten im Burst-Modus hinterher schickt. Dadurch sind keine erneuten Anforderungen nötig, was enorm Zeit spart.

Ein handelsüblicher SD-RAM-Riegel Demnächst werden noch ein paar aufschlussreichere Bilder folgen.

Der nächste schritt ist DDR-SDRAM. Dies ist keine bisher geheim gehaltene Entwicklung aus dem Arbeiter- und Bauernstaat (Den gibt's nämlich nicht mehr, auch wenn VIA auf seiner Homepage eine "DDR-Zone" eingerichtet hat...), sondern eine Weiterentwicklung des SD-RAMs. DDR heiß hierbei nämlich Double Data Rate. Diese Verdopplung der Datenübertragungsrate wird dadurch erreicht, dass pro Taktsignal zwei statt nur einem Bit übertragen werden. Um genau zu sein, wird nicht wie bisher nur auf der steigenden Flanke des Taktsignals ein Bit übertragen, sondern auch auf der fallenden Flanke.
Doch da diese Entwicklung nicht auf Intels Mist gewachsen ist, sondern von AMD und Via erdacht wurde, ist man bei Intel der Meinung, dass man noch etwas viel besseres auf den Markt bringen müsste. Daher schloss man mit der Firma Rambus ein Abkommen - Intel wollte den Rambus-Speicher fortan als Standard etablieren. Nur leider gibt es da ein kleines Problem: Rambus-Speicher ist etwa doppelt so teuer wie DDR-SDRAM, aber nur wenig schneller. Der hohe Preis liegt vor allem an den vielen zusätzlichen Schaltkreisen auf den Chips, die nötig sind, um diese Technik zu realisieren. Es wird mit hohen Taktfrequenzen (bis 800 MHz) gearbeitet, da es aber nur acht Datenleitungen gibt schlägt dieser Vorteil nicht ganz so stark zu Buche.

Leistungsbestimmende Faktoren (3/3)

· 1 - Aufbau von Speicherzelle und Speichermodulen
· 2 - Funktionsweise des Arbeitsspeichers / RAM Arten
· 3 - Leistungsbestimmende Faktoren

Die Leistung, d.h. die Geschwindigkeit von RAM-Bausteinen wird durch mehrere Faktoren bestimmt. Als erstes und wichtigstes ist dabei die Taktfrequenz zu nennen. Moderner SD-RAM wird mit 100 oder 133 MHz betrieben, die Taktfrequenz der ersten SDRAMs lag bei 66 MHz, davor wurde der Arbeitsspeicher mit bis zu 33 MHz betrieben. Über die Taktfrequenz ist auch die Zugriffszeit fest gelegt, sie beträgt bei 133 MHz 7,5 Nanosekunden.
Ein weiterer geschwindigkeitsrelevanter Faktor ist die Anzahl der Takte, die verstreichen, während die Daten im RAM-Baustein zusammen gesammelt werden. Als erstes ist hier das "RAS-to-CAS-delay" (RCD) zu nennen. Dabei handelt es sich um die Zeit, die das RAM braucht, um von der Übermittlung der Reihenadresse zur Spaltenadresse zu wechseln. Der zweite Faktor ist die Zeit nach der Übermittlung der Adressen, die der Speicher braucht, um den Datentransfer zu starten (CAS-Latency, CL).
Der dritte Zeitfaktor kommt folgendermaßen zustande: Beim Lesen von Daten werden durch die Übertragung der Adresse die Zeilen quasi "frei geschaltet", was zur Folge hat, dass deren Inhalt schonmal vorsorglich in kleine Zwischenspeicher geschrieben wird. Folgt nun ein weiterer Zugriff auf eine andere Zeile, muss zuerst der Inhalt des Zwischenspeichers in den eigentlichen Speicher zurück geschrieben werden. (Wir erinnern uns: Beim Auslesen gehen die Daten verloren.) Dieser Zeitraum ist die "RAS Precharge Time", kurz RP.

Augen auf beim Speicherkauf!

Wenn man also Arbeitsspeicher kauft, sollte man auf alle diese Timing-Parameter achten. "Anständige" Händler geben nicht nur die Taktfrequenz an, sondern auch CL, RCD und RP, und zwar in genau dieser Reihenfolge. Eine Produktbeschreibung sieht dann etwa so aus: "133 MHz 2-2-2" oder "100 MHz 3-3-3".
Doch wie so oft liegt auch hier der Teufel im Detail. Damit das Mainboard weiß, was für Speicher verwendet wird, wie schnell also der RAM betrieben werden darf, gibt es auf jedem Speicherriegel ein sogenanntes SPD-EEPROM. Hier hat aber nicht unser Kanzler die Finger im Spiel, SPD steht für "Serial Presence Detect". In diesem kleinen Chip werden unter anderem die Parameter für CL, RCD und RP gespeichert. Zumindest sollte das so sein. Viele, vor allem No-Name-Hersteller, schlampen nämlich bei der Programmierung dieses Chips. Da kann einerseits dazu führen, dann die Chips weniger Leistung "anbieten" als sie wirklich leisten könnten. Das ist zwar ärgerlich, aber nicht weiter schlimm. "Gefährlich" ist nur das Gegenteil: Wen das RAM durch fehlende oder falsche Angaben zu schnell angesteuert wird kommt es zu Übertragungs- Schreib- und Lesefehlern. Nach Tests der Zeitschriften c't und PC Professional sind an den meisten Windows-Abstürzen nicht inkompetente Programmierer unter Billy's Knute, sondern falsch angesprochene RAM-Module schuld! Die c't hat das Programm c'tSPD veröffentlicht, dass den Inhalt des SPD-EEPROMS zur Überprüfung auslesen kann. So kann man überprüfen, ob das RAM auch das leistet, was drauf steht.
Einigermaßen sicher kann man sich nur bei Speicher-Modulen von Markenherstellern wie Micron oder Infineon sein. In Tests waren die Module dort fast immer richtig programmiert.

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