Der so genannte Arbeitsspeicher ist eine wichtige Komponente in einem Computer. RAM steht dabei für Random Access Memory und ist ein flüchtiger Speicher. Der Arbeitsspeicher gewann in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung, seit Spiele, Betriebssysteme und Anwendersoftware immer aufwendiger wurden. Die Daten werden dabei nicht zufällig (= random) in den Arbeitsspeicher gelegt. Die Daten können an eine beliebige Stelle in den Arbeitsspeicher geschrieben oder auch wieder gelöscht werden. Der Vorteil des Arbeitsspeichers ist, dass er Daten wesentlich schneller lesen kann als eine Festplatte. Die Zugriffszeit einer Festplatte wird in ms (Millisekunden), die vom Arbeitsspeicher in ns (Nanosekunden) gemessen. Verfügt der Computer über nicht ausreichend Arbeitsspeicher, so wird ein Teil der Festplatte mit als Arbeitsspeicher genutzt. Der Lesearm der Festplatte muss aber erst an die entsprechende Position gelangen. Daten, die im äußeren Bereich der Festplatte liegen, können daher schneller gelesen werden als Daten die am inneren Bereich liegen. Dieser Vorgang kostet (im Verhältnis zum Arbeitsspeicher) viel Zeit.
Im Arbeitsspeicher liegt zum Beispiel der Kern des Betriebssystem. Auch Gerätetreiber und Programme oder Spiele werden in den Arbeitsspeicher geladen. Außerdem Dateien, etwa Texte, Grafiken.
Der Arbeitsspeicher besteht basismäßig aus D-Ram. D steht für Dynamic. Der in Computer eingesetzte Arbeitsspeicher ist flüchtig. Kommt es also zu einem während er Arbeit zu einem Stromausfall, gehen die im Arbeitsspeicher gelagerten Daten verloren.

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 Speicherzelle einzeln anzusprechen. Der Aufwand wäre zu groß. Außerdem ist es wenig sinnvoll, 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.

Immer mehr Arbeitsspeicher:

Zu Beginn der Personal Computer besaßen die Rechner nur den "konventionellen" Arbeitsspeicher. So kam ein XT (8088) mit einem Prozessor mit 4,77 Mhz auf 640 KB RAM. Bei den AT 80286 Computer war es 1 MB Arbeitsspeicher. Zu den 640 KB konventionellen Speicher kamen 384 KB erweiterter Speicher. Der so genannte hohe Speicher (High Memory). Hier wurden zum Beispiel Treiber von Soundkarte oder Grafikkarte geladen. Die AT 386 kamen schon auf 2 MB. Ab dem 80486 wurden die Computer dann zunehmend mit Arbeitsspeicher aufgerüstet. Das lag natürlich auch an den grafischen Bedienoberflächen. So gewann Windows immer mehr an Bedeutung und die Softwareindustrie programmierte ihre Software ebenfalls für Windows. Neben der DOS - Windows Kombination wurden immer mehr Programme mit grafischer Benutzeroberfläche von Windows aus geladen. Diese Programme, ob Grafikprogramme oder Office Pakete, wurden mit immer mehr Funktionen ausgestattet und blähten das ganze System auf.
Für Windows 98 gab es dann schon die Empfehlung, den Computer doch mit mindestens 16 MB Arbeitsspeicher auszustatten. Heutige Computer werden mittlerweile mit 256 MB ausgestattet. Das gilt auch für Notebooks. Heutige Motherboards können mit bis zu 1 GB (immerhin 1000 MB) Arbeitsspeicher ausgestattet werden.
Zu DOS - Zeiten haben Programmierer - etwa für Spiele - darauf geachtet, dass die jeweilige Software möglichst wenig Speicher beleget, muss man heute die Hardware der jeweiligen Anforderungen der Software anpassen.
Aber nicht nur Computer verfügen über Speicher, sondern auch Grafikkarten. Die ersten Grafikkarten hatten 256 KB Speicher. Moderne Grafikkarten besitzen einen Prozessorkühler und besitzen bis zu 128 MB eigenen Speicher.

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 DDR-RAM "state of the art", er kann mit bis zu 400 MHz betrieben werden und stellte eine einigermaßen spürbare Erhöhung der Geschwindigkeit dar. Modus hinterher schickt. 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. Dadurch sind die Leistung, d.h. die Geschwindigkeit von RAM-Bausteinen wird durch mehrere Faktoren bestimmt. Als erstes und wichtigstes ist dabei die Taktfrequenz zu nennen. SD-RAM beispielsweise 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 schon mal 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 so genanntes SPD-EEPROM. 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 verschiedener Zeitschriften wie c't oder PC Professional sind an den meisten Windows-Abstürzen 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.

Arten des Arbeitsspeichers (RAM):

• • Arbeitsgruppe Magnetismus der Uni KL: www.physik.uni-kl.de/w_hilleb/w_hilleb.html
  • infineon.com/cgi/ecrm.dll/ecrm/scripts/prod_ov.jsp?oid=13542
    
• DDR (Double Data Rate)
  Als die viel diskutierte und von INTEL unterstützte Rambus-Technik Mitte 1999 Probleme mit der Marktreife bekam, setzten Chiphersteller wie Hitachi, Hyundai oder IBM wieder auf die Weiterentwicklung von SDRAM in Form der DDR-Speichertechnik. Während "normale" SDRAM-Module 1999 bei einem 133 MHz Front-Side-Bus (FSB) einen Datendurchsatz von 1,1 GByte pro Sekunde leisteten, waren DDR-Module doppelt so schnell. Möglich wird dies durch einen relativ simplen Trick: Die Datenbits werden bei der ab- und aufsteigenden Flanke des Taktsignals übertragen, statt wie bisher nur bei der aufsteigenden. Erste Boards und Speicherchips kamen Ende 1999 auf den Markt.
  Gegenüber der von INTEL favorisierten Direct-RDRAM-(Rambus)-Lösung hat DDR einige Vorteile: Die Hersteller benötigen keine neuen Produktionsmaschinen und DDR ist ein offener Standard, dessen Spezifikationen im Internet offenliegen; Lizenzgebühren an INTEL oder Rambus werden also nicht fällig.
  Der DDR-Nachfolger - DDR2 - soll Transferraten von 3,2 GByte pro Sekunde bringen.
• DRAM (Dynamic RAM)
  Beim dynamischen Schreib-/Lesespeicher (DRAM) müssen die Ladungen zyklisch mit einem sogenannten Refresh-Impuls immer wieder aufgefrischt werden, um die Daten in den Speicherzellen zu halten. Der Nachteil: Die Zugriffszeit durch Refresh-Vorgang und Wartezeiten des Prozessors liegt höher als beim SDRAM. Der Vorteil: DRAM ist kostengünstig, erwärmt sich weniger und hat durch seine einfachere Struktur eine höhere Integrationsdichte.
  Hochfliegende Pläne hat Samsung: Das Unternehmen will mit 0,13-Mikron-Technik 4-GBit-DRAM-Chips fertigen. Die Chips mit 500 MB Speicherkapazität gehen zwar erst in zehn Jahren in die Massenproduktion. Die Technik läßt sich laut Hersteller jedoch auch bei bestehenden Produkten - etwa den preisgünstigen 16-MBit-DRAM-Chips einsetzen.
• DRDRAM (Direct Rambus Dynamic RAM)
  siehe Rambus
• EDO (Extended Data-Out) DRAM
  Der EDO DRAM (oder Hyper PageMode DRAM) arbeitet ähnlich wie der FPM-Speicher, ist aber schneller dank Änderungen des CAS (Column Address Signal) und des verlängerten Data-Outputs. Diese Chips können Datenwerte noch zum Auslesen bereit halten, während bereits die nächste Adresse angelegt wird. Das beschleunigt Lesevorgänge.
  Im Vergleich mit SDRAM ist EDO-Speicher langsamer.
• FC-RAM (Fast Cycle RAM)
  Bei der sogenannten Fast Cycle (FC)RAM-Technik wird die interne Leistung des Chips gesteigert - im Gegensatz zum Direct-Rambus-Verfahren, das die Schnittstellengeschwindigkeit zwischen Chip und Prozessor erhöht. Die von Fujitsu und Toshiba initiierten Bausteine sind zwei- bis dreimal schneller als DRAM.
• FeRAM (Ferro-electric RAM)
  >siehe MRAM
  
• FPM (Fast Page Mode) DRAM
  FPM war lange der DRAM-Standard, ist aber mittlerweile veraltet und wird von EDO - noch mehr von SDRAM - übertroffen. FPM DRAM optimiert den Zugriff auf Daten: Fragt der Prozessor nach Daten, die in derselben Reihe einer Seite wie die der zuletzt angeforderten liegen, muß der Speichercontroller nur noch die Spaltenposition adressieren.
• MRAM (Speicherchips hoher Packungsdichte auf Magnetbasis)
  Bevor das Silizium Einzug in die Speichermedien gehalten hat, basierten diese auf magnetisierbaren Eisenkernen - mit dem Vorteil, daß auch bei einer Stromunterbrechung gespeicherte Informationen nicht verlorengingen; das Booten war dadurch überflüssig und wird durch MRAMs - auch FeRAMs genannt - wieder überflüssig werden, da sich das gesamte System immer im Hauptspeicher befindet. Außerdem könnten diese Speicherchips für wesentlich leichtere Notebooks sorgen, denn die heute (2001) verwendeten RAMs benötigen in bestimmten Abständen energieaufwendige Refresh-Spannungsstöße (siehe DRAM), um fit zu bleiben; diese entfallen bei den MRAMs.
  Bis es soweit ist, wird allerdings noch etwas Zeit vergehen. Prof. Burkhard Hillebrands von der Uni Kaiserslautern entwickelt diese Chips in Zusammenarbeit mit Siemens. Er glaubt, dass serienreife MRAMs frühestens im Jahr 2005 auf den Markt kommen werden; siehe auch:
• RDRAM (Rambus DRAM)
  siehe Rambus
• SDRAM (Synchronous DRAM)
  Der Nachfolger von EDO synchronisiert sich mit dem Systemtakt, der den Prozessor kontrolliert. Das verhindert Zeitverzögerungen beim Zugriff. Eine Datenserie (Burst) wird zügig übertragen.
  SDRAM hat eine völlig andere Architektur als klassisches DRAM und ist wesentlich schneller. Diesen Speichertyp gibt es als 168-polige DIMM-Module für System mit 66MHz und 100MHz Bustakt.
• SLDRAM (Synchronous Link DRAM)
  Im September 1998 wollte Mosaid erste Muster seiner Synchronous-Link-DRAM-Chips an Compaq, Hewlett-Packard und IBM ausliefern. Diese 64-MBit-Chips schaffen laut Hersteller Datenraten von bis zu 800 MB/s. SLDRAM soll hauptsächlich in High-End-PCs und Servern eingesetzt werden (siehe auch www.sldram.com).

SRAM (Static RAM)
Im statischen Schreib-und-Lesespeicher erhält ein ständig fliegender Ruhestrom die gespeicherte Informationen aufrecht. Vorteil: SRAM braucht keinen Refresh, ist daher um einiges schneller als DRAM und lässt sich einfacher ansteuern. Nachteile: Höhere Leistungsaufnahme und stärkere Erwärmung.