Speicherbaustein

Begriff und Bedeutung

Ein Speicherbaustein ist ein diskreter integrierter Schaltkreis (IC) beziehungsweise ein Halbleiterspeicher. Er besteht aus einer speziellen mikroelektronischen Schaltung oder einer Anordnung vieler Halbleiterbauteile in einem Gehäuse. Im Inneren befinden sich zahlreiche Speicherzellen, in denen digitale Daten gespeichert und wieder gelesen werden können. Speicherbausteine werden von spezialisierten Unternehmen der Halbleiterindustrie hergestellt und meist zum Auflöten auf eine Leiterplatte angeboten.

Sie gehören neben Logikbausteinen wie Gattern zu den wesentlichen Bestandteilen digitaler Systeme, etwa von Computern oder Mikrocontrollern. Je nach Bauart dienen sie als Kurzzeit- oder Langzeitgedächtnis. In einem Personal Computer (PC) wird der Arbeitsspeicher häufig als Speichermodul auf der Hauptplatine eingesteckt. Andere Speicher, beispielsweise Cache-Speicher, sind direkt in Mikroprozessoren integriert.

Grundsätzlich unterscheidet man flüchtige, also volatile, von nichtflüchtigen, auch nichtvolatilen, Halbleiterspeichern. Flüchtige Speicher verlieren ihren gespeicherten Inhalt, während nichtflüchtige Speicher ihn auch ohne laufende Stromversorgung behalten. Andere Speichermedien wie magnetische Festplatten, Magnetbänder und optische Speicher, zum Beispiel CD-ROMs, DVDs und Blu-ray, werden üblicherweise nicht als Speicherbausteine bezeichnet.

Entwicklung vom Kernspeicher zum Halbleiterspeicher

Die Entwicklung der Speicherbausteine verlief parallel zur Entwicklung der Computer. In den 1950er und 1960er Jahren waren magnetische Kernspeicher der Industriestandard der elektronischen Datenverarbeitung (EDV). Ab den 1960er Jahren wurden sie durch elektronische Halbleiterspeicher abgelöst. Damit begann das Zeitalter der Halbleiterspeicher, die heute die Grundlage für das Speichern digitaler Daten bilden.

Bei einem Kernspeicher wurde ein Bit, also eine Information mit dem Wert 0 oder 1, durch die Magnetisierung oder die fehlende Magnetisierung eines einzelnen Eisenrings gespeichert. Die Module hatten meist eine Kapazität von 4 Kilobit. Kernspeicher waren nichtflüchtig, relativ unempfindlich gegenüber Strahlung und sogenannten „Soft Errors“ und damit in diesen Eigenschaften heutigen MRAM-Speichern ähnlich. Frühe Exemplare wurden von Hand gewebt. Später wurden die Eisenringe immer kleiner und zu einem dichten elektromagnetischen Gewebe verarbeitet.

Mit der Entwicklung elektronischer und halbleiterbasierter Speicher sind unter anderem Dov Frohman, der Erfinder des EPROM, und Fujio Masuoka, der Erfinder des Flash-Speichers, verbunden. Eine wichtige Grundlage war die Erfindung des Floating-Gate-Transistors durch Dawon Kahng und Simon Sze etwa 1967. Neuere Entwicklungen versuchen, das magnetische Speicherprinzip mit mikroelektronischen Verfahren zu hochdichten, nichtflüchtigen Speichern zu verbinden, beispielsweise beim MRAM.

Typen und Auswahl der Speichertechnik

Speicherbausteine unterscheiden sich nach der verwendeten Halbleitertechnologie, dem Chipgehäuse und der elektrischen beziehungsweise elektronischen Ansteuerung. Dazu gehören die Spannungs- und Stromversorgung sowie Daten-, Kontroll- und Busleitungen. Eine grundlegende Einteilung erfolgt in flüchtige und nichtflüchtige Speicher.

Zu den im Artikel genannten flüchtigen Halbleiterspeichern gehören Random-Access Memory (RAM) und seine Derivate, darunter DDR-SDRAM, Dynamic Random Access Memory (DRAM), Graphics Double Data Rate (GDDR) und Static RAM (SRAM). SRAM wird im Zusammenhang mit Cache-Speichern genannt. In der Aufzählung erscheint außerdem Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM). Zugleich beschreibt der Artikel MRAM an anderer Stelle als Beispiel für einen nichtflüchtigen Speicher, der das magnetische Prinzip nutzt.

Zu den nichtflüchtigen Halbleiterspeichern zählen Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM), Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM) sowie Flash-Speicher. Beim Flash-Speicher werden NOR-Flash und NAND-Flash unterschieden. Manche Bausteine werden durch Maskenprogrammierung als Mask ROM geschrieben beziehungsweise gelesen. In diesem Zusammenhang nennt der Artikel Festwertspeicher (ROM) und Programmable Read-Only Memory (PROM).

Zu neueren beziehungsweise weiterentwickelten Speicherfamilien gehören DDR2, DDR3, DDR4 und DDR5. Sie werden auch als Grafikspeicher eingesetzt, insbesondere im Zusammenhang mit GDDR. In PC-Systemen können solche Speicher über PCI Express oder High Bandwidth Memory (HBM) angeschlossen werden. Welche Technik gewählt wird, hängt vom Verwendungszweck ab: Für ein BIOS wird ein nichtflüchtiger Langzeitspeicher benötigt, während der Arbeitsspeicher eines Computers einen schnellen Kurzzeitspeicher darstellt.

Anwendungen in digitalen Systemen

Speicherbausteine werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, um Informationen kurz- oder langfristig abzulegen. Halbleiterbasierte Bausteine, die funktional und fertigungstechnisch aus Halbleitermaterialien hergestellt sind, werden als Halbleiterspeicher bezeichnet. Sie dienen zum Speichern und Lesen digitaler Daten.

Beispiele für unterschiedliche Aufgaben sind Halbleiterspeicher für Startladeroutinen im BIOS und Speicher für Arbeitsvariablen während der Verarbeitung eines Anwendungsprogramms im Arbeitsspeicher. Mit zunehmender Komplexität digitaler Systeme, höherem Integrationsgrad der ICs und kürzeren Schaltzeiten wurden zusätzliche Speicherfunktionen eingebaut. Teilweise werden Speicher aus Kosten-, Zuverlässigkeits- und Geschwindigkeitsgründen gemeinsam mit Logikschaltungen in einem monolithischen integrierten Schaltkreis realisiert.

Ein Beispiel ist der Cache eines herkömmlichen Computersystems. Auch moderne Mikrocontroller können eingebettete Speicher für die Langzeitdatenspeicherung enthalten. Große nichtflüchtige Speicher werden außerdem in Halbleiterspeicher-Festplatten, USB-Massenspeichern und elektronischen Speicherkarten verwendet. Die Mehrzahl der heutigen elektronischen Geräte enthält daher nicht nur einen, sondern mehrere Speicherbausteine, die je nach Aufgabe unterschiedliche Eigenschaften bei Geschwindigkeit, Speichererhalt und Ansteuerung besitzen.