wie funktioniert ein arbeitsspeicher

Was bedeutet RAM? Was unterscheidet die RAM-Typen Dynamic RAM (DRAM) und Static RAM (SRAM)? Wovon ist die Arbeitsspeicher-Leistung abhängig?  Arbeitsspeicher (RAM) ist wichtig für die Server-Ausstattung.

Im Serverbereich gilt die Devise: „Nichts ersetzt Arbeitsspeicher besser als noch mehr Arbeitsspeicher!“ Als effizient gilt diesbezüglich LINUX: 256 MB bis 1 GB reichen für einen leistungsfähigen Server. Ein Windows 2000-Server sollte dagegen mit nicht unter 1,5 GB ausgestattet sein. Sobald auch noch Applikationen laufen, müssen einige Gigabytes zum Einsatz kommen. Dies gilt ebenso für Unix-Systeme.

Zugriffszeit

Ein wichtiges Merkmal von Speicherbausteinen ist die Zugriffszeit, das heißt die Zeitspanne zwischen der Anweisung der CPU an den Speicher, dass Daten gelesen werden sollen, und dem Zeitpunkt, zu dem diese Daten der CPU übergeben worden sind. Die Zugriffszeiten werden in Nanosekunden (ns) angegeben. Die Zugriffszeit der Speicher bestimmt sehr stark die Performance eines PCs. Je niedriger die Zugriffszeiten, desto schneller das Rechner-System.

Neuere DDRAM-Speichermodule besitzen zumeist eine Zugriffszeit von 50ns bis 70ns und SD-RAM-Bausteine werden mit Zugriffszeiten von 10ns bis 25ns eingesetzt. Die aktuellen DDR-SDRAM-Standards können theoretisch Maximaltransferraten von 1,6 GByte/s bzw. 2,1 GByte/s erreichen. DDR-SDRAM bringt aber maximal einen Leistungsschub von etwa 15 Prozent.

Der Speicher sollte von der Arbeitsgeschwindigkeit her an die CPU angepasst sein. Eine schnelle CPU erfordert daher auch Speicher mit einer kurzer Zugriffszeit. Langsame Speicher erfordern sogenannte Waitstates (Wartezyklen) der CPU. Waitstate bedeutet, dass der Prozessor nach der Anfrage an den Speicher den Lesezyklus durch einen oder mehrere Leertakte verlängert, bis der Speicher die Daten auf den Datenbus gibt. Dies ergibt naturgemäß eine ineffiziente Arbeitsweise. Um dies zu verhindern sollten z.B. PCs mit schnellen Dual-/QuadCore-Prozessoren mit Speichern, die eine Zugriffszeit von höchstens 40ns oder weniger aufweisen, bestückt werden.

RAM-Typen: Dynamic RAM (DRAM)

Für die Konstruktion von Speicherbausteinen hat sich das Konzept des dynamischen RAM oder kurz: DRAM durchgesetzt. Eine DRAM-Speicherzelle besteht immer aus einem Speicherkondensator und einem Auswahltransistor. Die Bezeichnung „dynamisch“ ergibt sich aus dem Arbeitsprinzip dieser Speicherchips: Sie stellen die gespeicherte Information durch Ladung in einem Kondensator dar. Kondensatoren haben allerdings die unangenehme Eigenschaft, dass sie sich langsam entladen und so die Speicherzellen (also die gespeicherte Information) nach einer gewissen Zeit verlieren. Um das zu verhindern, muss die Information von Zeit zu Zeit („dynamisch“) aufgefrischt werden, d.h. der Kondensator wird entsprechend der gespeicherten Information nachgeladen. Diesen Nachladevorgang nennt man Refresh.

Normale DRAM müssen je nach Typ alle 1ms bis 16ms aufgefrischt werden. Mit dem Lese/Schreibvorgang wird automatisch eine Auffrischung der Speicherzellen in der adressierten Zeile ausgeführt. Beim EDORAM (Enhanced Data Output RAM) wird während des Lesevorgangs bereits die erneute Adressierung organisiert (Gesamtgeschwindigkeit steigt). VRAM (Video RAM) sind aufgebaut wie DRAM, aber es wird nur der erste Bildpunkt adressiert, die anderen der Reihe nach ausgelesen.

SDRAM ist heute Standard im PC-Bereich und für hohe externe Taktraten konzipiert. SDRAM heißt Synchroner DRAM und ist eine Systembus-getaktete Variante von DRAM. Durch die Verwendung einer Taktvorgabe entfällt die bei DRAM notwendige Kommunikation zur Auffrischung des Kondensators. Damit kann SDRAM bis zu doppelt so schnell wie DRAM arbeiten. Die aktuellste SDRAM-Variante DDR-SDRAM (kommt nicht aus dem Osten, sondern heißt „Double Data Rate“) arbeitet mit der doppelten Taktgeschwindigkeit von normalem SDRAM. Achtung: SDRAM hat nichts mit SRAM zu tun!

RAM-Typen: Static RAM (SRAM)

Beim statischen RAM (SRAM) wird die Information nicht als Ladung in einem Kondensator gespeichert, sondern als Zustand einer sogenannten Flip-Flop-Schaltung festgehalten. Ein solches Flip-Flop besitzt zwei stabile Zustände, die durch ein externes Signal umgeschaltet werden können. Das Flip-Flop behält seinen Zustand so lange, bis die Betriebsspannung abgeschaltet wird. Es ist also kein Refresh wie bei den DRAM nötig. Dadurch ist die Zugriffsgeschwindigkeit auf die Daten sehr hoch.

Die Integration der SRAM-Speicherzelle ist nur mit erheblich höherem technischen Aufwand möglich. SRAM-Bausteine sind daher teurer und besitzen üblicherweise eine geringere Speicherkapazität als DRAM-Chips. Aus diesem Grunde werden SRAMs in erster Linie für schnelle und kleine Cache-Speicher verwendet, während DRAMs für den größeren und langsameren Hauptspeicher benutzt werden. In heutigen Pentium-Mainboards werden SRAM-Bausteine mit einer Zugriffszeit von 15ns und weniger als Cache-Speicher verwendet.

Zusammenfassung: Arbeitsspeicher (RAM)

Leistung abhängig von

  • Zugriffszeit (in ns)
  • Arbeitsgeschwindigkeit sollte an die CPU angepasst sein. Eine schnelle CPU erfordert Arbeitsspeicher mit kurzer Zugriffszeit.
  • Für Server gilt: „Nichts ersetzt Arbeitsspeicher als noch mehr Arbeitsspeicher!“
  • Erhöhung der Ausfallsicherheit durch ECC-RAM-Hardware.
  • Speichermodule: PS2, DIMM
  • DRAM: verlieren Speicherzellen nach einer gewissen Zeit. Daher muss die Information von Zeit zu Zeit („dynamisch“) aufgefrischt werden (Refresh).
    • Zugriffszeit : 50 bis 70 ns.
    • langsamer als SRAM, dafür preisgünstiger
    • aktueller Standard: DDR-SDRAM
  • SRAM
    • Zugriffszeit : unter 15 ns.
    • schnell, aber relativ teuer
    • wird für RAM-Cache verwendet
  • RAM-Cache: Pufferspeicher (First-Level-Cache, Second-Level-Cache) zwischen CPU-Registern und Hauptspeicher reduzieren den Datentransfer zwischen CPU und Hauptspeicher und erhöhen damit die CPU-Leistung.

 

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