Speicherhierarchie

Grundidee der Speicherhierarchie

Eine Speicherhierarchie ist in der Informatik die Anordnung verschiedener Speicherarten in einer Rechnerarchitektur aus Sicht des Hauptprozessors. Sie ist nach sinkender Zugriffsgeschwindigkeit, sinkenden Kosten, steigender Speicherkapazität und steigender Zugriffseinheit geordnet. Häufig wird sie als dreieckige Speicherpyramide dargestellt.

Die Speicherhierarchie ist wichtig, weil es keinen realen Speicher gibt, der gleichzeitig extrem billig, unendlich groß, sofort zugreifbar und nichtflüchtig ist. Nichtflüchtiger Speicher verliert seinen Inhalt auch ohne Strom nicht. In der Realität sind schnelle Speicher um Größenordnungen teurer als langsamere Speicher und oft volatil, also flüchtig. Deshalb kombiniert ein Computersystem mehrere Speicherarten, um Geschwindigkeit, Kosten, Kapazität und Dauerhaftigkeit möglichst sinnvoll auszugleichen.

Aufbau nach Kosten und Geschwindigkeit

Die Speicherpyramide beschreibt den typischen Kompromiss: Oben steht sehr wenig schneller und teurer Speicher, unten sehr viel langsamer und günstiger Speicher. Von oben nach unten nimmt die Geschwindigkeit ab, während die Speicherkapazität ungefähr entsprechend zunimmt.

Eine typische Speicherhierarchie heutiger Computer umfasst:

• Prozessorregister: Größenordnung Byte bis Kilobyte; Zugriffszeit in der Regel mit Prozessortakt, also genauso schnell wie die CPU.
• Prozessorcaches: Größenordnung Kilobyte bis Megabyte; Zugriffszeit etwa einige Dutzend Taktzyklen, abhängig vom Cache-Level.
• Arbeitsspeicher: Größenordnung Megabyte bis Gigabyte; Zugriffszeit hunderte Taktzyklen; heute fast ausschließlich DRAM, zum Beispiel EDO-RAM, SDRAM oder DDR-SDRAM; Zugriffseinheit Cacheline.
• Distributed memory: Größenordnung Gigabyte bis Terabyte; Zugriffszeit entspricht der Netzlatenz.
• Massenspeicher: Größenordnung Gigabyte bis Terabyte; Zugriffszeit Millionen Taktzyklen; Beispiele sind Festplatte und SSD; Zugriffseinheit Block.
• Wechseldatenträger: Größenordnung Gigabyte bis Terabyte; Zugriffszeit von Millisekunden bis zu mehreren Minuten; günstiger als Massenspeicher; Beispiele sind DVD, CD, USB-Stick, Disketten und Magnetband.

Technische Grenzen schneller Speicher

Sehr schneller Speicher wird nicht nur wegen der hohen Kosten begrenzt eingesetzt. In den oberen Ebenen der Speicherhierarchie werden Zugriffsgeschwindigkeit und Speicherkapazität auch durch die räumliche Anordnung beeinflusst. Der Hauptprozessor hat nur begrenzten Platz, und dort entsteht ein verhältnismäßig hoher Kühlungsbedarf.

Deshalb kann man Speichergruppen in der Höhe, also durch Nutzung der dritten Dimension, nur in engen Grenzen anordnen. Diese technischen Grenzen tragen dazu bei, dass sehr schneller Speicher klein bleibt und langsamere, größere Speicher weiter unten in der Hierarchie verwendet werden.

Einteilung nach Verwendungszweck

Speicherebenen können auch nach ihrem Verwendungszweck eingeteilt werden. Daraus ergeben sich primäre, sekundäre und tertiäre Speicher.

Primärspeicher sind sehr schnelle, aber flüchtige Datenspeicher, die zur Laufzeit des Systems zur Verfügung stehen. Sie sind meist teuer und werden dort eingesetzt, wo Geschwindigkeit entscheidend ist, zum Beispiel beim Arbeitsspeicher RAM und bei Cache-Speichern.

Sekundärspeicher sind Speichermedien, die permanent direkt zugreifbar sind, also „on-line“. Der Preis pro Byte ist sehr niedrig, der Zugriff aber um Größenordnungen langsamer als bei Primärspeicher. Wichtig ist, dass Sekundärspeicher Daten auch über die Laufzeit des Systems hinaus behält.

Tertiärspeicher sind Speichermedien, die nicht permanent zur Verfügung stehen, also „off-line“. Sie sind billig, bieten hohe Kapazitäten und werden meist zur Datensicherung und Archivierung eingesetzt.

Auch bei Datenbanken wird diese Einteilung gelegentlich verwendet. Dabei bezeichnen Primärspeicher, Sekundärspeicher und Tertiärspeicher die Speicher nach Geschwindigkeit. Die Bedeutung bleibt im Kern gleich: Primärspeicher ist in der Regel Arbeitsspeicher, Sekundärspeicher ein schneller Festspeicher und Tertiärspeicher ein langsames Archivierungsmedium.

Speicherverwaltung in der Hierarchie

Speicherverwaltung nutzt die verschiedenen Ebenen der Speicherhierarchie so, dass häufig benötigte Daten möglichst schnell verfügbar sind und weniger benötigte Daten auf günstigere oder langsamere Ebenen verschoben werden können. Inhalte werden dabei häufig transparent innerhalb der Hierarchie verschoben, also ohne dass ein Nutzer dies direkt bemerkt.

Beispiele dafür sind der Datenträgercache, bei dem Teile der Festplatte in einen schnelleren Cache geladen werden, und virtueller Speicher, bei dem Teile des Arbeitsspeichers in eine Auslagerungsdatei verschoben werden.

Hierarchische Speichermanagementsysteme lagern länger nicht benötigte Daten automatisch auf einen Speicher niedrigerer Hierarchiestufe aus. Auch Informationslebenszyklusmanagement automatisiert solche Prozesse.