Arbeitsspeicher

Bei den heutigen Preisen für die Hardware sollte man nicht an der falschen Stelle sparen. Die Aussage, dass nichts Arbeitsspeicher ersetzen kann, als noch mehr Arbeitsspeicher ist zwar uralt, aber auch heute immer noch gültig. Begleiten Sie uns in die Welt der Speicherbausteine.

Mit der Erfindung des Transistors war der Weg frei für die Miniaturisierung. Als nächster Schritt kam die integrierte Schaltung kurz IC genannt. Seither wurden die Transistoren und integrierte Schaltkreise immer kleiner und leistungsfähiger. Die Abbildung rechts zeigt den ersten IC der Welt, etwa 4 cm lang. Die Abbildung links zeigt die erste CPU

Mittlerweile habe IBM Transistoren entwickelt, die 50.000 mal dünner seien als ein Menschenhaar. Auf den heutigen Prozessoren sind bereits Millionen Transistoren vorhanden, wann die Milliarden Grenze überschritten wird bleibt abzusehen.

Ursprünglich wurde der Arbeitsspeicher direkt auf das Mainboard gelötet oder gesteckt. Recht schnell erkannte man, dass man dadurch sehr viel Platz brauchen würde und unflexibel war. Daher wurden dann die Speicherchips auf Erweiterungskarten mit ISA-Bus montiert und in den Rechner eingesetzt.

Zu der Zeit trennte sich die Speicherwelt in dynamischen und statischen Speicher. Der Statische Speicher behielt zwar seinen Inhalt, war allerdings unsagbar teuer, sehr anfällig und setzte sich für die breite Masse nicht durch. Der Dynamische Speicher hingegen musste regelmäßig aufgefrischt werden, da er ansonsten seinen Inhalt verlor. Dafür war er wesentlich günstiger, kleiner und schneller herzustellen. Somit war das Rennen entschieden, dem DRAM gehörte die Welt.

Als nächstes kam der Wunsch auf die Mainboards noch flexibler mit RAM zu bestücken. Die alten Speicherkarten waren zu groß, zu teuer und stets mit zu wenig Speicher ausgestattet. Daher wurden die Mainboards mit einer Steckmöglichkeit für den Arbeitsspeicher ausgestattet.

Die Entwicklung führte zum SIP-Modul, bei dem die Chips auf einer kleinen Leiterplatte zu einem Modul zusammengefasst wurden, auch hier kam DRAM zum Einsatz. Die Module hatten an der Unterseite 30 Pins, die auf einen entsprechenden Sockel auf dem Mainboard aufgesteckt werden. Das Einstecker der Speichermodule war eine Arbeit für angehende Chirurgen, sehr schnell konnte ein einzelnes Beinchen abknicken. Übersah man dies, dann lief der Rechner verständlicherweise nicht. Bei dem Versuch das Beinchen wieder geradezubiegen und erneut einzustecken gab man dem Speichermodul oftmals den Rest und man konnte ein neues, damals noch sehr teueres Modul kaufen.

Da die Pins mechanisch nicht sehr stabil waren, wurden bald darauf die SIMM-Module eingeführt. Mechanisch waren sie baugleich mit den alten SIP-Modulen, lediglich die Kontaktierung wurde auf die Platine verlegt. Da es keine Beinchen mehr gab konnte auch nichts mehr verbogen werden. Dieses System wurde fortan beibehalten, lediglich die Chips wurden leistungsfähiger, schneller und wesentlich günstiger.

Diese Module wurden nun für die verschiedensten Zwecke hergestellt, man traf sie in der EDV fast überall an, ob im Server oder Rechner, dem Drucker oder Plotter. Lediglich die Bauformen unterschieden sich voneinander.

Mit der Entwicklung noch leistungsfähigerer Chips wurde immer mehr RAM auf einen einzelnen Speicherriegel montiert. FPM DRAM steht für Fast Page Mode DRAM. Dieser Speichertyp ist schneller als herkömmliches DRAM und existiert nur auf SIMM-Modulen. Fast Page Speicher ist veraltet, kann aber noch auf älteren Mainboards eingesetzt werden. Als nächstes wurde die Stückzahl der einzelnen Chips geringer und es wurden weitere Fähigkeiten dem RAM hinzugefügt. Speicherbausteine mit Fast Page Mode sind eine Weiterentwicklung der "Standard"-DRAM Speicher, die durch eine besondere Ansteuermöglichkeit die Technologiebedingten Verzögerungszeiten bei bestimmten Anwendungen beschleunigen. Meistens werden innerhalb von Computerprogrammen zusammenhängende Speicherinhalte vom Prozessor bearbeitet. Bei einem Zugriff auf eine Speicherbank wird normalerweise zuerst die Reihen- und dann die Spaltenadresse übertragen. Bei aufeinander folgenden Speicheradressen ändert sich hingegen nur die Spaltenadresse, weil die aufeinander folgenden Daten in der gleichen Reihe (in der gleichen "page") liegen: Ein erneutes Übertragen der nicht veränderten Reihenadresse ist eigentlich unnötig. Diesen Umstand macht sich der Fast Page Mode zunutze. Dabei werden nur beim ersten Zugriff die Reihen- und die Spaltenadressen übertragen, bei den darauf folgenden Zugriffen nur noch die Spaltenadressen, so dass die Zykluszeit bis zum Anliegen der Daten an den Ausgängen der Speicherbank verkürzt wird. Dieser Modus muss natürlich vom verwendeten System und dessen Chipsatz unterstützt werden.

EDO DRAM steht für Extended-Data Output DRAM. Dieser Typ ist ein weiterer als SIMM-Modul verfügbarer Speicher und noch etwas schneller als FPM DRAM. Bei FPM-Speichern wird das elektrische Signal der Datenleitungen gelöscht (nicht zu verwechseln mit dem Inhalt der Speicherzelle, dieser bleibt erhalten!), wenn eine neue Adressinformation angelegt wird. Da die Weiterverarbeitung der Daten eine gewisse Zeitspanne in Anspruch nimmt, gibt es einen Zeitraum, in dem der Speicher "stillgehalten" werden muss, damit die an den Datenleitungen anliegenden elektrischen Signale aufgenommen und weiterverarbeitet werden können. Bei EDO-Speichern ist die Ausgangsstufe so gestaltet, dass anliegende Informationen auch dann beibehalten werden, wenn eine neue Adresse übertragen wird. Auf diese Weise kann simultan das anliegende Datenwort verarbeitet und die nächste angeforderte Adresse in den Speicherbaustein geladen werden. Auch hierdurch werden die Zykluszeiten verkürzt. Im Vergleich mit SDRAM war EDO-RAM noch immer langsamer, obwohl der Unterschied nicht mehr so deutlich ausfiel. Ältere Systeme mit 66 MHz Bustakt wurden häufig damit bestückt. Es gab sie in einseitiger und zweiseitiger Bestückung.

IBM stellte mit der Bauform PS/2 eine neue Speichergeneration mit 72 Pins vor. Sie sind ähnlich aufgebaut wie die herkömmlichen SIMM-Module, haben jedoch nicht wie bisher üblich eine Datenbusbreite von 8 Bit sondern von 32 Bit - eine längst überfällige Entwicklung, wenn man bedenkt, dass schon seit Erscheinen der 80286 CPU mit 16 Bit, dem 80386 und 80486 mit 32 Bit und dem Pentium eine Datenbusbreite mit 64 Bit zur Verfügung steht. Somit ist es möglich, einen PC mit einer 80486 CPU mit nur einem PS/2-Modul zu betreiben. Beim Pentium sind hingegen 2 Module notwendig, um die 64 Bit Datenbusbreite zu erreichen.

Eine weitere Bauart DIMM (Dual In Line Memory Module) beschreibt dagegen 168-polige Module. Der größte Vorteil von DIMM-Speicher besteht darin, dass ein einziger Baustein eine Bank füllt und für den Betrieb eines PCs ausreicht. Ein DIMM Speichermodul kann bis heute  bis zu einem halben Gigabyte fassen und besitzt zwei Einkerbungen auf der Kontaktseite. Solche baulichen Merkmale werden immer wieder eingesetzt um dem Anwender eine Fehlbestückung seines Mainboards unmöglich zu machen und damit Fehler auszuschließen.

SDRAM steht für Synchronous Dynamic Random Access Memory. Die Bauform dieses Speichers ist ein 168-poliges DIM-Modul mit 3,3 Volt. SDRAM ist sogar für hohe externe Taktraten konzipiert und spielt gerade dort seine Stärken aus. Derzeit bildet der SDRAM Speicher noch den Standardspeicher beim Personal Computer, auch wenn heute der DDR-SDRAM verbreiteter ist als der herkömmliche "alte" SDRAM.

Die derzeit maximale Kapazität beträgt 1024 MB. Es ist für Systeme mit 133 MHz Bustakt geeignet, läuft aber auch in Systemen mit 100 MHz Bustakt, nicht aber in allen Systemen mit 66 MHz Bustakt. Auf einem passenden Mainboard unterstützt dieses Modul auch ECC (Error Correction Code). ECC erkennt Speicherfehler und korrigiert diese im laufenden Betrieb. Die Abbildung zeigt einen Speicherbaustein aus dem Hause Infineon mit einer Speicherkapazität von einem Gigabyte. Die Bauform des Speicherchips ist doppelseitiges DIMM und entspricht dem Standard PC133. Mit der Möglichkeit der Fehlerkorrektur (ECC) steht einer Verwendung in Servern nichts im Wege. Die 18 Chips sind sehr engmaschig gesetzt. Mit einer Zugriffszeit von 7 Nanosekunden (ns) 

1GB SDRAM Kapazität in MB: 1024 Bauform: DIMM doppelseitig Typ: SDRAM Standard: PC133
ECC-Unterstützung: Ja Registered: Ja Anschluss: 168-pin Zugriffszeit in ns: 7
Anzahl Chips: 18 Datendichte in MBit: 512

Völker hört die Signale, der SDRAM II Speicher ist da. Auch als DDR-SDRAM bekannt (Double Data Rate, also doppelte Takt Daten Rate) sied die Speicherchips  eine Weiterentwicklung der SDRAM Module. Technisch wurde dies durch eine neue Leseroutine realisiert. Bei den SDRAM II Modulen wird also bei ansteigender und abfallender Flanke eines Taktzyklus gelesen, damit hat sich also die Taktrate verdoppelt. Zu erkennen sind solche Module an der anderen Bauform und an der Anzahl der Pins, schließlich kommen hier 184 anstelle 164 zum Einsatz. Scheinbar baugleich mit den SDRAM Modulen ist der DDR Speicher wesentlich hochwertiger. Leider bedeutet eine Verdoppelung der Datenrate nicht automatisch auch eine Verdoppelung der Gesamtgeschwindigkeit des Rechners.

Sehen wir uns nun einmal die hauptsächlichen Unterschiede zwischen dem alten SDRAM und dem heute moderneren DDR2-RAM an.

Beim alten SDRAM wurden der Chip-Kern, der I/O-Buffer und der Speicherbus gleichschnell - eben synchron - getaktet. Daher stammt ja auch der Name SDRAM steht für Synchronous Dynamic Random Access Memory oder auch oft als Single Data Rate bezeichnet. Daraus ergab sich eine maximale Bandbreite von etwa 1,05 GByte pro Sekunde.

Um schnelleren Speicher zu erhalten löste man diese Synchronisation auf. Jetzt gab es die Möglichkeit die Datenübertragung nicht nur bei aufsteigender Taktflanke wie beim SDRAM sondern bei auf- und absteigender Taktflanke zu übertragen. Daraus ergab sich eine Verdoppelung der Taktrate bei gleicher Busbreite. Man war bei 2,1 GByte/s angekommen. (DDR266 auch als PC 2100 bekannt)

Als nächste Steigerung verdoppelte man den Puffer-Takt von 133 MHz auf 266 MHz. Dadurch wurde die Geschwindigkeit erneut verdoppelt. Man hatte jetzt bereits eine vierfache Steigerung der Taktrate erreicht. (DDR2-533-RAM auch als PC2-4300 bekant)

Der Nachfolger der SRAM ist aber schon klar, es wird RDRAM werden, eine Entwicklung der RAMBUS INC. . . . Jedenfalls verspricht uns das die Werbung. Auch hier liegen die 168 Pin an, die Intergrationsdichte des Speichers wird aber noch höher sein und die Taktrate wird enorm gesteigert werden. In diese Gruppe wird dann auch das Direct-Rambus-Interface passen, eine Technik, basierend auf den RAMBUS Bausteinen. Bis Mitte 2001 hatte sich der RAMBUS Speicher allerdings noch nicht als Standard durchsetzen können. Das lag an zwei wesentlichen Punkten:
Dem überteuerten Preisgefüge der RAMBUS INC. durch die horrenden Lizenzgebühren sowie niedrigere Performancegewinn gegenüber SDRAM, denn gerade der DDR-SDRAM wurde stets weiterentwickelt. Mit den Lizenzgebühren ist es eben so eine Sache. Eigentlich sollte es eine Art Lizenz zum Gelddrucken sein, doch ging diese Rechnung eben nicht auf. Die Anwender wollten eben für diese sündhaft teueren Module einen echten Leistungsgewinn einkaufen, doch das war eben nicht der Fall. Dabei hat RAMBUS auf technischer Schiene interessante Vorteile, so sind Fehlerkorrekturen möglich, der Speicher ist recht schnell und wirklich verlässlich. Alles das sind eigentlich gute starke Vorteile. Mit den neueren Prozessoren werden wieder Mainboards mit RAMBUS Speicher vertrieben. Sicherlich werden sowohl DDR-SDRAM als auch RAMBUS noch eine Weile nebeneinander existieren bis ein neuer Standard kommt.

Anmerkung:

Einige bekannte Spielerkonsolen hatten schon immer RAMBUS eingesetzt. Damit ging bei diesen Konsolen so richtig der Dampf ab.

Einen weiteren wesentlichen Bestandteil des Mainboards bildet der Hauptspeicher (RAM). Beim Thema Hauptspeicher macht sich die Entwicklung der Zeit bemerkt. Noch vor nicht allzu langer Zeit, war es normal, mit einem Hauptspeicher von ca. 1 - 2 MB zu arbeiten. Heute haben die Standard Office Rechner zwischen 64 und 512 MB RAM. Damit sind diese Maschinen sicherlich gut bestückt. Sobald allerdings rechenintensive Aufgaben hinzukommen, sind Speichergrößen bis hin zu mehreren Gigabyte vorstellbar (Bildbearbeitung, DTP, Videobearbeitung usw.).

Im Server Bereich gelten ganz andere Maßstäbe. Hier sollten Sie sich an die Angaben der Hersteller halten und nicht mit dem Arbeitsspeicher geizen. Gerade Microsoft Betriebssysteme gelten von jeher als sehr speicherhungrig. Für die anderen Netzwerksysteme, egal ob Unix, Novell usw., lautet die Devise "Add more Memory". Auch hier kommen heute schnell ein paar Gigabyte Arbeitsspeicher zum Einsatz. Ein starker Datenbankserver mit einigen Systemdiensten unter Windows 2000 kann da schon einmal auf 4 GB kommen. Glücklicherweise sind die Speicherpreise mittlerweile bezahlbar.

Im Serverbereich gilt daher die Devise:

 "Nichts ersetzt Arbeitsspeicher, als noch mehr Arbeitsspeicher!"

Anmerkung:

Als Ressourcenfreundlich gilt auch heute immer noch LINUX. Wenn Sie sich einen Arbeitsplatzrechner unter Linux bauen reichen Ihnen sicherlich um die 128 bis 256 MB völlig aus. Soll es gar ein guter Server sein so sind Sie mit 256 MB bis 512 MB gut bedient und haben einen wirklich leistungsfähigen Server.

 

Wissenswertes

Zurück

Wie beim Mainboard gibt es Unterschiede bei den Chipsätzen, welche für die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems ausschlagkräftig ist. Gleiches gilt für den Arbeitsspeicher, auch hier gibt es merkliche Qualitätsunterschiede bei den Herstellern. Der Autor empfiehlt beim Kauf des Arbeitsspeichers auf Qualitätsware zu setzen. Hier haben Sie garantiert gutes Material und oftmals eine lebenslange Garantie! Achten Sie bitte unbedingt auf die technischen Angaben des Speichers wie schon im Kapitel über den Chipsatz beschrieben. Die Firma Kingston brachte den u.a. den "Ultimativen Speicherleitfaden" heraus, welcher als PDF Datei zum Download zur Verfügung steht. Die Datei ist etwa ein halbes MByte groß. Sie benötigen zum Lesen den Acrobat Reader oder ein vergleichbares Programm. Wenn Sie noch nicht wissen wie viel Arbeitsspeicher Sie Ihrem Rechner oder Server gönnen sollten kann Ihnen ebenfalls Kingston helfen.  CAS CAS steht beim Speicher für Column Address Strobe. Das ist die Signalleitung für die Spaltenadressen - DRAM's arbeiten nämlich mit einer Marix-Addressierung über Spalten (Columns) und Zeilen (Rows). Die zugehörige Latenz beschreibt also die Anzahl von Speichertaktzyklen, die bis zu einer validen Spaltenadressierung vergehen. Bei den Latenzen existieren mehrere, die CAS (Column Address Strobe) Latenz, die RAS zu CAS Latenz und die RAS (Row Address Strobe) Latenz, weiters existiert auch noch das RAS Precharge Timing. Column und Row Address bedeuten die Addressierung von Zeile und Spalte innerhalb des Speichers.  Für diese Adressierungen sind Pausenzyklen nötig, hierbei gibt es 2 verschiedene in jedem besseren System-BIOS zur Auswahl: 2 und 3 Pausenzyklen. 2 Zyklen sind schneller als 3, und je nach höherer Taktfrequenz des Speichers haben die Latenzen größere Auswirkung. Ein weiteres Kriterium ist die Taktperiode, welche in Nanosekunden (ns) angegeben wird. Taktperiode und Taktfrequenz sind eng miteinander verknüpfte Größen und stellen im Prinzip sogar dasselbe dar. Ein Speicher mit einer Zugriffszeit von 8ns ist "offiziell" für 100MHz geeignet. Ein Speicher mit einer Zugriffszeit von 7.5ns ist für 133MHz geeignet, Ein 7.0ns Speicher für 143MHz, ein 6.0ns Speicher wäre bereits für 166MHz geeignet und so weiter. Die dazu benutze einfache Formel lautet "1 / Takt * 1000 = Zugriffszeit", oder "1 / Zugriffszeit * 1000 = Takt". In der Praxis kann ein SDRAM jedoch auch auf tieferen Zugriffszeiten (d.h. mit mehr Takt) betrieben werden als auf dem Chip aufgedruckt ist.   CL2 und CL3 Die Angabe 2-2-2 (CAS, RAS to CAS, RAS) oder CL2 (CAS Latency) weist bei pc133 schon auf sehr guten Speicher hin. Muss man aber beim Overclocking auf 140, 150 oder mehr MHz auf 3-2-2, 2-3-2, 3-3-2 oder gar 3-3-3 herabsetzen geht sehr viel Performance verloren, das gesamte System kann um bis zu 10% verlangsamt werden. Hier beginnt High-Quality SDRAM zu greifen. Er soll die Möglichkeit bieten extrem hoch zu takten und den Speicher dennoch auf 2-2-2 betreiben zu können. Speicherangaben wie PC2100, PC2700, PC4300 usw. Damit eine moderne CPU, etwa eine Athlon-CPU auf Touren kommt, ist schneller Arbeitsspeicher Grundvoraussetzung. Neben veraltetem PC1600-Speicher finden sich PC2100- und PC2700-Module auf dem Speichermarkt. Offiziell setzt AMD noch auf PC2100-Riegel. DDR-SDRAM-Speichermodule liegen derzeit in drei Versionen vor: PC1600 (oder DDR200), PC2100 (oder DDR266) und PC2700 (DDR333), die sich in der Taktrate, Bandbreite und CAS-Latenz (CL) unterscheiden. Die Speicherbandbreite des jeweiligen Speichertyps berechnet sich näherungsweise aus dem Produkt der Speicherbusbreite (64 Bit breit = 8 Byte) und dem Speichertakt: Für PC2100-Module bedeutet das ein theoretisches Bandbreiten-Peak von 2.100 MByte pro Sekunde (8 Byte mal 133 MHz mal dem DDR-Faktor 2). Entsprechend vergrößert sich dieser Transferwert bei PC2700-Modulen auf rund 2.700 Millionen Byte pro Sekunde (8 Byte mal 166 MHz mal 2). Die jeweilige Angabe hat also mit der Taktfrequenz der CPU nichts zu tun, sondern gibt Auskunft über die Bandbreite des Speichers.  Ein kleines Glossar zum Bereich Arbeitsspeicher finden Sie hier.

Zurück