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SIMM.jpge mit jeweils 9 Speicherbausteinen]]

DRAM steht für Dynamisches Random Access Memory und bezeichnet einen elektronischen [[Halbleiterspeicher| Speicherbaustein]] der hauptsächlich in Computern eingesetzt wird, jedoch auch in anderen elektronischen Geräten (z.B. Druckern) zur Anwendung kommt. Er ist meist als integrierter Schaltkreis ausgeführt. Sein Inhalt ist flüchtig (volatil), das heißt die gespeicherte Information geht bei fehlender Wiederauffrischung verloren. Random Access Memory steht dabei für den wahlfreien Zugang auf den Speicherinhalt, im Gegensatz zum befehlsgesteuerten Zugriff bei anderen Speichermedien.

Aufbau

Ein DRAM besteht nicht wie im Artikel Halbleiterspeicher vereinfacht gezeigt aus einer einzigen zweidimensionalen Matrix. Stattdessen sind die Speicherzellen, die auf der Oberfläche eines Dies angeordnet und verdrahtet sind, in einer ausgeklügelten hierarchischen Struktur unterteilt. Diese Struktur ist nicht herstellerspezifisch, sondern wird vom Industriegremium JEDEC, welches sich um dem Aufbau kompletter Speichermodule kümmert, festgelegt. Dadurch wird sichergestellt, dass sich Chips unterschiedlicher Hersteller und verschiedener Größen nach dem immer gleichen Schema ansprechen lassen.

Module

Oftmals werden ganze Speichermodule mit den eigentlichen Speicherchips verwechselt. Die Unterscheidung spiegelt sich in der Größenkennzeichnung wieder: DIMMS kennzeichnet man mit Mega- oder Gigabyte. Den einzelnen Modulchip auf dem DIMM mit Giga oder Megabit. Mittlerweile können die Hersteller immer mehr Speicherzellen auf die einzelnen Chips pressen, so dass 512-MBit-Bausteine problemlos verfügbar sind. Erst durch die Zusammenschaltung von einzelnen SDRAM-Chips entsteht ein Speicherbaustein, welcher dem Standard entspricht.

Aufbau einer Speicherzelle

Der Aufbau einer einzelnen DRAM-Speicherzelle ist sehr einfach, sie besteht nur aus einem Kondensator und einem Transistor. Heute verwendet man einen Feldeffekttransistor. Seine geringe Eigenkapazität bildet dabei den Kondensator. Die Information wird als elektrische Ladung im Kondensator gespeichert. Jede Speicherzelle speichert ein Bit. Der Transistor - auch Auswahltransistor genannt - dient als Schalter zum Lesen und Schreiben der Information. Jeweils mehrere tausend Speicherzellen sind in einer Matrixanordnung verschaltet: 'Wordlines' verbinden alle Steuerelektroden der Auswahltransistoren in einer Zeile, 'Bitlines' verbinden alle Source-Gebiete der Auswahltransistoren eine Spalte. Am Rande der Matrix sind die Bitlines mit Schreib/Lese-Verstärkern verbunden, während die Wordlines mit Adressdecodierschaltungen verbunden sind. Auf einem Speicher-Chip sind eine Vielzahl von diesen Speichermatrizen zu einem zusammenhängenden Speicherbereich verschaltet.

Durch ihren sehr einfachen Aufbau brauchen die Speicherzellen nur sehr wenig Chipfläche. In Zahlen wird die konstruktionsbedingte Größe einer Speicherzelle als das Vielfache der kleinsten fertigbaren Struktur (minimum Featuresize oder 'F') angegeben: eine DRAM Zelle benötigt heute das 6-10fache von 'F' im Quadrat (F²), während eine SRAM-Zelle das mehr als hundert F² benötigt. Daher kann ein DRAM bei gegebener Chipgröße eine wesentlich größere Zahl von Bits speichern. Daraus resultieren weitaus niedrigere Herstellungskosten pro Bit als beim SRAM. Unter den heute üblichen elektronischen Speicherarten hat nur der NAND-Flash eine kleinere Speicherzelle mit ungefähr dem 4,5F² (bzw. 2,2 F² pro Bit für Multilevel-Cells).

Diesem Vorteil des DRAM gegenüber dem SRAM steht der Nachteil gegenüber, dass sich die im Kondensator gespeicherte Ladung und damit die gespeicherte Information aufgrund von Leckströmen mit der Zeit verflüchtigt, wenn sie nicht periodisch wieder aufgefrischt wird. Dies ist normalerweise in Abständen von einigen Millisekunden erforderlich. Das Auffrischen des Speichers wird zeilenweise bewerkstelligt. Dazu wird jeweils eine Speicherzeile in einem Schritt in einen auf dem Chip befindlichen Zeilenpuffer übertragen und von dort verstärkt wieder zurück in die Speicherzeile geschrieben. Daher rührt die Bezeichnung "dynamisch". Bei statischen Speichern wie dem SRAM kann man demgegenüber alle Signale anhalten, ohne dass Datenverlust eintritt. Das Auffrischen des DRAMs verbraucht außerdem auch im Ruhezustand eine gewisse Menge von Energie. Deshalb bevorzugt man in Anwendungen, bei denen es auf geringen Ruhestrom ankommt, das SRAM.

Die Hersteller von Speicher versuchen kontinuierlich den Energiebedarf zu senken um sogenannten Leckströme zu minimieren. Die Versorgungsspannung von DDR2-SDRAM liegt bei 1,8 Volt, während DDR-SDRAM noch mit 2,5 Volt versorgt wird. Bei dem im Jahre 2007 erwarteten DDR3-SDRAM soll die Spannung auf 1,5 Volt gesenkt werden.

Leitungen

Bei PCs üblichem DDR/DDR2-Speicher existieren 64 Datensignalleitungen (beziehungsweise 72 bei ECC). Die einzelnen SDRAM-Chips sind so verschaltet, dass sie die gesamte Breite des Datenpfades belegen. Jedes Modul nimmt einen bestimmten Anteil der Datenleitungen in Anspruch.

Geschwindigkeit

Ebenso wie bei der Größe wird auch bei der Geschwindigkeit zwischen dem gesamten DIMM und den einzelnen Chips unterschieden. Ein einzelner Chip bezieht sich immer auf die maximale Taktfrequenz (DDR2-533, DDR400).

Bei dem gesamten DIMM hingegen geht es um die Datentransferrate (PC2-4200,PC3200). Wenn man beispielsweise einen SDRAM-Chip mit DDR2-533 und damit eine Takfrequenz von 533 MHz hat kann die maximale Übertragungsrate folgendermaßen Berechnet werden:

64 Leitungen können Pro Takt 64 Bits = 8 Bytes übertragen

533 Millionen Taktzyklen (MHz) * 8 Bytes = 4,264 Milliarden Byte also ungefähr 4,2GB/s

Der Datentransferleistungswert ist jedoch nur ein Schätzwert und wird in der Praxis nie erreicht, ist jedoch zu Klassifizierung von Speicher gängig, im obigen Beispiel wäre es also PC2-4200 aus DDR2-533-Chips, die mit 266,667 "wirklichen MHz" laufen (s. Double Data Rate).

Ranks

Ein DIMM lässt sich mit einer unterschiedlichen Anzahl an jeweils gleichen Modulen aufbauen. Das JEDEC Gemium gibt dabei ganz bestimmte Vorgaben zum Aufbau der DIMMs vor. Erlaubt ist es Chips einzusetzen, welche entweder 4, 8, oder 16 Datenleitungen (s. o. Leitungen) in Anspruch nimmt. Des Weiteren ist immer ein bestimmte Gruppe an DRAM-Chips, jeweils einem Rank zugeordnet. Es existieren Single- und Dual-Rank DIMMs. Jeder DIMM trägt also ein oder zwei Ranks von Speicherchips, welche zusammen alle 64 Datenleitungen belegen.

Dual-Rank-Riegel belasten die Busleitung doppelt so stark. Ob beide Platinenseiten oder nur ein mit Modulen bestückt ist sagt nichts über die Rank-Anzahl aus - nicht zu verwechseln mit Dual/Single Side RAM.

Bank

Zuletzt besteht ein einzelner Chip i.d.R. noch aus 2, 4 oder 8 Bänken, die in gewissen Grenzen unabhängig voneinander arbeiten. Durch den gleichzeitigen Betrieb mehrerer Bänke, kann man hohe Latenzzeiten vermeiden, denn während eine Bank gerade Daten liefert, darf der Speichercontroller bereits Adressen für eine andere Bank senden.

Puffer

Siehe auch

Funktionsweise der Adressierung

Der Grund für einen Schreib- oder Lesevorgang im Hauptspeicher ist normalerweise die CPU. Natürlich kann auch andere Computerperpherie auf den Speicher zugreifen, jedoch werden die meisten Operationen von der CPU veranlasst.

Findet die CPU bestimmte Daten nicht in ihrem Cache oder will Daten in den Speicher schreiben, wird der Speichercontroller damit beauftragt. Bei Intel-CPU werden dazu Befehle über den Frontsidebus an den Speichercontroller, welcher in der Northbridge sitzt, abgeschickt. AMD-CPUs haben einen deutlich kürzeren Weg, da hier der Speichercontroller direkt in der CPU liegt. Der Speichercontroller liest immer komplette 64-Bit Reihen (s.o.)

Der Speichercontroller überträgt die Daten, bei einem Zugriff auf den RAM, in einer genau festgelegten Reihenfolge.

Erweiterte Adressierungsarten

Beim Adressieren der einzelnen Bits in einer Bank mit Hilfe des CAS und RAS Parameters (s.Halbleiterspeicher) wird ein weiterer Trick angewendet um die Datentransferrate zu steigern, nämlich mit dem sogenannten Prefetching. Pro Adressierung werden die Daten von mehreren Spaltenadressen auf einen Schlag in einen Puffer geschrieben. Von diesem Puffer aus gelangen die Daten beim Single-Data-Rate(SDR)-SDRAM Wort für Wort an externe Anschlüsse des Chips. Bei Double-Data-Rate(DDR)-SDRAM werden gleich zwei Worte aus dem Puffer ausgelesen. Bei DDR2 gleich 4 und beim zukünftigen DDR3 sollen es 8 Worte sein.

Die Begrenzung auf diese Anzahl ist Notwendig, da bei diesen Zugriffen das zyklische Auffrischen der Speicherzellen unterbrochen ist. Dennoch muss überwacht werden, dass bei diesen Zugriffen die Adressierung innerhalb des durch den physischen Aufbau des Speichers bedingter Grenzen bleibt. Die Speichersteuerung sendet deshalb die Signale "Page hit"(gültige Adresse) oder "Page miss" (ungültig) an den Prozessor.

Geschichte

Der erste kommerziell erhältliche DRAM-Chip war der Typ 1103, von Intel 1970 vorgestellt. Er enthielt 1024 Speicherzellen (1KBit). Das Prinzip der DRAM-Speicherzelle wurde 1966 von Robert H. Dennard am Thomas J. Watson Research Center von IBM entwickelt.

Seither wurde die Kapazität eines DRAM-Chips um den Faktor 1 Million gesteigert und die Zugriffszeit auf ein Zehntel verkürzt. Heute (2006) besitzen DRAM-Chips Kapazitäten von bis zu 2GByte und Zugriffszeiten von 10 ns. Die Produktion von DRAM-Speicherchips gehört zu den umsatzstärksten Segmenten der Halbleiterindustrie. Mit den Produkten wird spekuliert, es existiert ein Spotmarkt.

Anwendung

Arbeitsspeicher
Normalerweise wird das DRAM in Form von Speichermodulen als Arbeitsspeicher des Prozessors benutzt. DRAMs werden häufig nach der Art des Baustein-Interface eingeteilt. In den Hauptanwendungen haben sich in zeitlicher Reihenfolge die Interfacetypen 'Fast Page Mode DRAM' (FPM), 'Extended Data Output RAM' (EDO), 'Synchronous DRAM' (SDR), 'Double-Data-Rate-Synchronous DRAM' (DDR) entwickelt. Die Eigenschaften dieser DRAM Typen sind durch das 'JEDEC'-Consortium genormt. Daneben existiert parallel zu SDR/DDR das 'Rambus-DRAM' Interface, das hauptsächlich bei Speicher für Server eingesetzt wird.

Da nicht voraussehbar ist, dass alle Speicherzellen rechtzeitig aufgefrischt werden, wenn sich z.B. der Prozessor in einer Befehlsschleife befindet, ist auf dem Speicherchip ein Zähler vorhanden. Dieser liefert eine fortlaufende Spaltenadresse. Jeweils während des CAS-Signals werden die Speicherzellen der entsprechenden Zeile aufgefrischt. Da es nicht nötig ist, die Speicherzellen mit einer Lese-Leitung zu verbinden, lassen sich alle Reihen der Spalte gleichzeitig aufrischen.

Spezialanwendungen
Spezieller RAM als Bild- und Texturspeicher für Grafikkarten eingesetzt, zum Beispiel GDDR3 (Graphics Double Data Rate SDRAM).

Durch die Beschränkung auf ein Spezialgebiet kann die Wiederauffrischung der Speicherzellen optimiert werden, so kann man dies z.B. bei einem Bildspeicher in die Zeit des Zeilenrücklaufs legen. Auch ist es u.U. tolerierbar, wenn ein einzelnes Pixel zeitweise die falsche Farbe zeigt, man ist so nicht darauf angewiesen, auf die schlechteste Speicherzelle des Chips Rücksicht zu nehmen. Daher lassen sich - trotz gleicher Herstellungstechnologien - bedeutend schnellere DRAMs fertigen.

Für spezielle Anwendungen wurden weitere Typen entwickelt: der Graphics-DRAM (auch Synchronous Graphics RAM - SGRAM) ist z.B. durch höhere Datenbreiten für den Einsatz auf Grafikkarten optimiert, wobei jedoch auf die prinzipielle Funktionsweise z.B. eines DDR-DRAMs zurückgegriffen wird. Die Vorläufer des Graphics-RAM waren der Video RAM (VRAM) - ein auf Grafikanwendungen optimierter Fast Page Mode RAM mit zwei Ports statt einem - und danach der Window RAM (WRAM), der EDO-Features und einen dedizierten Display-Port aufzuweisen hatte.

Für die Anwendung in Netzwerkkomponenten optimierte DRAM-Typen haben von verschiedenen Herstellern die Namen 'Network-RAM', Fast-Cycle-RAM' und 'Reduced Latency RAM' erhalten. In mobilen Applikationen, wie Mobiltelefonen oder PDAs ist ein geringer Energieverbrauch wichtig - hierfür werden 'mobile DRAMs' entwickelt, bei denen durch besondere Schaltungstechnik und Herstellungstechnologie die Stromaufnahme abgesenkt wird. Eine Zwitterrolle nimmt der 'Pseudo-SRAM' (bei anderen Herstellern auch 'cellular RAM' oder '1T-SRAM' = 1-Tranistor-SRAM') ein: der Speicher selbst ist ein DRAM, der sich nach außen wie ein SRAM verhält. Das wird erreicht, indem eine logische Schaltung den SRAM-typischen Zugriffsmechanismus auf die DRAM-Steuerung umsetzt und die bei dynamischen Speichern grundsätzlich notwendige regelmäßige Auffrischung der Speicherinhalte ('refresh') durch im Baustein enthaltene Schaltungen vorgenommen wird.

Parameter eines Speichers

Diese beziehen sich auf das fertige Modul und sind deshalb unter Speichermodul erläutert.

Produktgenerationen von DRAMs

(Dieser Absatz befasst sich mit den Chips. Für die auf Hauptplatinen eingesetzten Speicherriegel siehe dort.)

Art Jahr der Einführung
FPM DRAM / Fast Page Mode DRAM 1987
EDO RAM / Extended Data Output RAM 1995
SDRAM / Synchronous Dynamic Random Access Memory 1997
RDRAM / Rambus Dynamic Random Access Memory 1999
DDR-SDRAM / Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory 2000
DDR-2-SDRAM 2004

Vergleichstabelle

DDR-SDRAM
FSBBusbreiteBezeichnungDatenrateRechnung
133 MHz 64 Bit PC2100 2,1 GB/s (133.000.000 x 64 x 2)/8 (Angabe in Byte)
166 MHz 64 Bit PC2700 2,7 GB/s
200 MHz 64 Bit PC3200 3,2 GB/s

Wenn das Speicherinterface nun Dualchannel ist, kann es die doppelte Datenrate erreichen. Z.B. AMDs Prozessor Athlon64-FX besitzt ein Dualchannel-Memory-Interface, Athlon64 im Sockel 754 verfügt über ein Singlechannel-Memory-Interface

Dual-DDR-SDRAM

FSBBusbreiteBezeichnungDatenrateRechnung
133 MHz 2x64 Bit PC2100 4,2 GB/s (133.000.000 x 64 x 2 x 2)/8 (Angabe in Byte)
166 MHz 2x64 Bit PC2700 5,4 GB/s
200 MHz 2x64 Bit PC3200 6,4 GB/s

DDR2-SDRAM

FSBBusbreiteBezeichnungDatenrateRechnung
100 MHz 64 Bit PC2-3200 3,2 GB/s
133 MHz 64 Bit PC2-4200 4,2 GB/s
166 MHz 64 Bit PC2-5300 5,3 GB/s

RDRAM

FSBBusbreiteBezeichnungDatenrate
400 MHz 16 Bit PC800 1,6 GB/s
533 MHz 16 Bit PC1066 2,1 GB/s
600 MHz 16 Bit PC1200 2,4 GB/s
800 MHz 16 Bit PC1600 3,2 GB/s
1066 MHz 16 Bit PC2100 4,3 GB/s

Dual-RDRAM

FSBBusbreiteBezeichnungDatenrate
400 MHz 2x16 Bit PC800 3,2 GB/s
533 MHz 2x16 Bit PC1066 4,2 GB/s
600 MHz 2x16 Bit PC1200 5.0 GB/s
800 MHz 2x16 Bit PC1600 6,4 GB/s
1066 MHz 2x16 Bit PC2100 8,6 GB/s

Bauarten

Es gibt eine Vielzahl von DRAM-Bauarten, die sich historisch entwickelt haben:

Derzeit sind eine Reihe von nichtflüchtigen RAM-Technologien (NVRAM) in der Entwicklung, wie:

Die Speicherkapazität wird in Bit und Byte angegeben.

Als Arbeitsspeicher verwendetes RAM wird häufig in Form von Speichermodulen eingesetzt:

Siehe auch

Produktübersicht und Umsatzzahlen

Weblinks

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