Random-Access Memory

Grundprinzip und Bedeutung

Random-Access Memory (RAM) bedeutet „Speicher mit wahlfreiem/direktem Zugriff“. RAM ist ein Datenspeicher, der besonders in Computern als Arbeitsspeicher eingesetzt wird. Meist besteht er aus mehreren Speicherbausteinen auf einem Speichermodul. Die gängigsten Formen sind Halbleiterspeicher, die überwiegend in Silizium-Technologie als integrierte Schaltkreise hergestellt werden.

„Wahlfrei“ bedeutet, dass jede Speicherzelle über ihre Speicheradresse direkt angesprochen werden kann. Die Daten müssen also nicht wie bei sequentiellen Speichern nacheinander oder in Blöcken gelesen werden. Bei großen Speicherbausteinen wird häufig nicht jede einzelne Zelle, sondern ein Speicherwort adressiert. Dessen Breite hängt von der Speicherarchitektur ab.

Heute wird RAM im Allgemeinen als Schreib-Lese-RAM (read-write random-access memory, RWRAM) verstanden. Auch Nur-Lese-Speicher (ROM) ermöglichen zwar einen wahlfreien Zugriff, können aber im Normalfall nicht wie RAM beschrieben werden. Flash-Speicher werden dagegen blockweise beschrieben.

Entwicklung des Arbeitsspeichers

In der Anfangszeit moderner Computer lagen Daten auf sequentiell gelesenen Speichern wie Lochkarten oder Magnetbändern. Zur Verarbeitung mussten sie in schnelle Rechenregister geladen werden. Für Zwischenwerte wurden zeitweise Verzögerungsleitungen eingesetzt. Später kamen Ferritkernspeicher auf. Sie besaßen bereits den für heutige RAMs typischen Zugriff auf Speicherzellen in einer Matrix aus Reihen und Spalten.

Die ersten Halbleiterspeicher arbeiteten mit einer Busbreite von 4 Bit, unter anderem zur Zusammenarbeit mit dem IC 74181. Bald folgten 8-Bit-Schaltkreise, die beispielsweise 128 × 8 Bit = 1 kBit pro IC bereitstellten. Ein Speicherboard mit 128 kB bestand Mitte der 1970er Jahre aus mindestens 1024 ICs. Die Speicherdichte pro Chip nahm anschließend schnell zu. Mitte der 1980er Jahre stellte IBM einen eigenen 1-MBit-Chip vor, der intern aus 16 × 64 kBit bestand.

Adressierung und Steuerung

RAM-Bausteine werden entweder synchron zu einem Taktsignal oder asynchron ohne Takt angesteuert. Bei asynchronen Speichern stehen Daten erst nach einer bausteinabhängigen Laufzeit zur Verfügung oder sind erst dann geschrieben. Diese Zeiten hängen unter anderem vom Material ab, unterliegen Exemplarstreuungen und begrenzen den maximalen Durchsatz stärker. Bei synchronen Speichern legt das Taktsignal die zeitliche Ausrichtung der Steuersignale fest, wodurch höhere Durchsatzraten möglich sind.

Eine Steuerleitung legt fest, ob gelesen oder geschrieben wird; sie heißt meist R/W. Weitere Leitungen können Chip-Select (CS) und Output-Enable (OE) sein. Wird ein Chip deaktiviert, werden seine Datenleitungen hochohmig beziehungsweise in den Tri-State-Zustand geschaltet, damit andere Chips den Bus verwenden können.

Da ein einzelner RAM-Chip oft weniger Datenpins als die erforderliche Wortbreite des Prozessors besitzt, werden mehrere Chips zu einer Bank zusammengefasst. Ihre Datenleitungen decken gemeinsam die vollständige Wortbreite ab. Bei DRAMs wird der Adressbus meist auf dieselben Pins aufgeteilt und nacheinander als Zeilenadresse RAS (row address strobe) und Spaltenadresse CAS (column-address strobe) übertragen. SRAMs führen für schnellere Zugriffe meist den vollständigen Adressbus an die Pins.

Ein Chip besitzt mindestens eine bidirektionale Datenleitung. Häufig gibt es 4, 8 oder 16 Datenpins. Die Kapazität ergibt sich aus Datenbusbreite × Anzahl der möglichen Adresswerte (2^{Adressbusbreite}); bei DRAMs gilt 2^{2×Adressbusbreite}.

Statischer Speicher

Statisches RAM (SRAM) besteht meist aus kleineren Speicherbausteinen bis zu einigen MiBit. Es speichert Informationen in bistabilen Kippstufen. Solange die Versorgungsspannung anliegt, bleibt der Inhalt ohne laufende Auffrischungszyklen erhalten.

Eine SRAM-Speicherzelle benötigt vier bis sechs Transistoren je Speicherbit. Dadurch braucht SRAM deutlich mehr Bauelemente und Chipfläche als DRAM und ist für große Speichermengen teurer. Dafür bietet SRAM sehr kurze Zugriffszeiten und benötigt keine Refresh-Zyklen.

SRAM wird beispielsweise als Cache in Computern und als Arbeitsspeicher in Mikrocontrollern verwendet. Es ist flüchtig: Wird die Betriebsspannung abgeschaltet, gehen die gespeicherten Informationen verloren. Mit einer Pufferbatterie kann SRAM als spezielle Form von nichtflüchtigem Speicher (NVRAM) eingesetzt werden, weil SRAM-Zellen ohne Zugriffszyklen nur sehr wenig Leistung benötigen.

Dynamischer Speicher

Dynamisches RAM (DRAM) wird vor allem als Arbeitsspeicher in Computern verwendet. Auch DRAM ist flüchtig und verliert seinen Inhalt beim Abschalten der Betriebsspannung. Zusätzlich geht die Information selbst bei anliegender Spannung rasch verloren, weil sich die Speicherzellen entladen. Deshalb müssen sie regelmäßig aufgefrischt werden; daher stammt die Bezeichnung „dynamisch“.

Eine DRAM-Zelle speichert ein Bit als Ladezustand eines Kondensators: „geladen“ kann beispielsweise für 1 und „entladen“ für 0 stehen. Die Speicherzelle ist mit 6 bis 10 F² sehr klein. Wegen ihrer geringen Kapazität entlädt sie sich jedoch durch Leckströme schnell. DRAM-Module mit einer eingebauten Steuerschaltung zum Auffrischen können sich nach außen wie SRAM verhalten; dies wird pseudostatisches RAM genannt.

DRAM benötigt pro Speicherbit nur einen Transistor und einen Speicherkondensator. Es ist deshalb pro Bit wesentlich preiswerter als SRAM und eignet sich besonders für große Speichermengen. Zu den synchronen Varianten gehören SDR-SDRAMs und die seit Ende der 1990er Jahre üblichen DDR-SDRAMs. Ältere DRAM-Bausteine wie EDO-DRAM arbeiteten asynchron.

Weitere Formen und Versorgung

RAM wird nach seinem Funktionsprinzip in flüchtige und nichtflüchtige Formen eingeteilt. Flüchtige Speicher verlieren ihre Daten ohne Stromzufuhr. Zu ihnen gehören SRAM, DRAM, SDRAM, DDR-SDRAM und pseudostatisches RAM. Nichtflüchtige RAMs werden als NVRAM bezeichnet. Beispiele sind ferroelektrisches RAM (FRAM beziehungsweise FeRAM), magnetisches RAM (MRAM), Racetrack-Speicher, Magnetblasenspeicher, Phase-change RAM (PRAM beziehungsweise PCRAM) sowie resistives RAM (RRAM beziehungsweise ReRAM).

PRAM befand sich unter anderem bei Samsung in der Entwicklung. Es sollte S- und DRAM ersetzen und gegenüber NOR-Flash-Speicher schnellere Schreibzugriffe, eine deutlich höhere Zahl von Schreib-/Lese-Zyklen, geringeren Flächenbedarf und eine einfachere Herstellung ermöglichen. RRAM speichert Informationen nichtflüchtig durch die Änderung des elektrischen Widerstands eines schwach leitfähigen Dielektrikums.

Der Energiebedarf flüchtiger RAMs hängt stark von der Versorgungsspannung ab und steigt im Allgemeinen quadratisch mit zunehmender Spannung. Je nach Speichergröße kann der Verbrauch mehrere Watt betragen. Für mobile Geräte wirkt sich dies unmittelbar auf die Akkulaufzeit aus. JEDEC-konforme SDRAM-Versorgungsspannungen sind: SDRAM 3,30 V, DDR-SDRAM 2,50 V, DDR2-SDRAM 1,80 V, DDR3-SDRAM 1,50 V, DDR3-SDRAM LP 1,25 V, DDR4-SDRAM 1,20 V, DDR4-SDRAM LV 1,05 V und DDR5-SDRAM 1,10 V.