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StatischeHalbleiterspeicher sind Speichermedien, die mittels Halbleitertechnologiehergestellt werden. Dabei dient der Halbleiter nicht als Speichermedium sondern die mit ihm hergestellte elektronische Schaltung in einem integriertem Schaltkreis. Diese Schaltungen wurden früher mittels Röhrenoder Relaisverwirklicht.
SpeicherzelleEine Speicherzelle ist die physikalische Realisierung der kleinsten Einheit eines Speichersvon logischen Zuständen. Der Begriff bezeichnet je nach Kontext entweder die Realisierung der kleinstmöglichen Einheit, dem 1-Bit-Speicherelement, oder die Realisierung der kleinsten adressierbaren (das heißt bei einem Zugriff les- bzw. schreibbaren) Einheit, einem sogenannten Wort, das üblicherweise eine Speicherkapazitätvon 2n Bit (n>2, das heißt ?1 Byte) hat. Bei Personal Computernliegt n heutzutage bei 5 oder 6, d.h. es werden jeweils 32 b.z.w. 64 Bit gelesen oder geschrieben. Früher waren Speicherzellen auch 4 (Halbbyte) (erste Taschenrechner) oder 8 Bit (erste PC's) groß. Für einfache Steuerungen (siehe: Microcontroller) werden auch heute 8 Bit große Speicherzellen verwendet. Bei früheren Computernwaren auch Wortbreiten von 7 Bit gebräuchlich, da man mit 64 speicherbaren Zeichen eine alphanumerischeBearbeitung durchführen konnte. Diese Speicher waren jedoch noch nicht als Halbleiterspeicher ausgeführt. Die Hollerith-Lochkartehatte eine Wortbreite von 12 Bit. Eingeteilt werden die Speicherzellen in flüchtige und nichtflüchtige Speicherzellen. Damit ist nicht gemeint, das der Speicherinhalt bei unterbrochener Stromversorgungverloren geht, sondern das flüchtige Speicherzellen ihren Inhalt nur kurzzeitig behalten. Bei ihrer Verwendung ist durch geeignete Schaltungs- und Steuerungsmassnahmen dafür zu Sorgen, das ihr Inhalt rechtzeitig erneuert wird (siehe: Refresh). Realisierung in HalbleitertechnologieDas 1-Bit-Speicherelement ist mittels weniger Transistorenund Kondensatorenrealisierbar. Bei analogen Speicherzellen ist das elementare Speicherbauteil der Kondensator, und bei digitalen Speicherzellen werden ein (1-T-DRAM) oder mehrere Transistoren benötigt wie z.B. bei statischem RAModer bei rückgekoppelten Transistoren, den sogenannten Flip-Flops. Wahlfreier ZugriffSpeicherzellen werden in einer C2×R2-Matrix angeordnet. Über Wortleitungen und Bitleitungen werden die Speicherzellen adressiert und beschrieben bzw. ausgelesen. Hierzu sind ein Reihen- und ein Spaltenkodierer notwendig.
Sequentieller ZugriffHier erfolgt die Adressierung über Befehle, ähnlich wie bei Festplatten. Die Bauformen CompactFlash(CF) und PCMCIAverwenden z.B. den bei Festplatten bewährten ATA/ATAPI-Befehlssatz. Diese Adressierungsart benötigt weniger Kontaktierungsflächen auf dem Chip, dadurch ist ihre Herstellung preisgünstiger.
Random Access Memory (RAM)Random Access Memory (dt. Speicher mit wahlfreiem Zugriff), abgekürzt RAM, ist ein Speicher, der besonders bei Computernals ArbeitsspeicherVerwendung findet. RAMs werden als integrierte Schaltkreisehauptsächlich in Silizium-Technologie realisiert. RAM wird in allen Arten von elektronischen Geräten eingesetzt. Bild:DRAM-02.svg Prinzipielle Anordnung der Speicherzellen in Reihen und Spalten (Matrix) in einem RAM. Die Adresscodierer befinden sich auf dem gleichen Chip. Der Schreib- / Leseschaltkreis schaltet die Informationsrichtung um und verstärkt die schwachen Signale der adressierten Speicherzellen. Wahlfrei bedeutet in diesem Zusammenhang, dass jede Speicherzelle über ihre Speicheradressedirekt angesprochen werden kann, der Speicher also nicht sequenziell oder in Blöcken ausgelesen werden muss (bei großen Speicherbausteinen erfolgt die Adressierungjedoch nicht über die einzelnen Zellen, sondern über ein Wort, dessen Breite von der Speicherarchitektur abhängt). Das unterscheidet den RAM von blockweise zu beschreibenden Speichern, den so genannten Flash-Speichern. Im Gegensatz zu einem ROM(Read Only Memory) kann RAM sowohl gelesen als auch beschrieben werden. Der üblicherweise in Computern eingesetzte RAM ist 'flüchtig' (auch: 'volatil'), das heißt, die gespeicherten Daten gehen nach Abschaltung der Stromzufuhr verloren. Es gibt allerdings auch RAM-Typen, die ihre Information auch ohne Stromzufuhr erhalten ('nichtvolatil'). Diese werden NVRAMgenannt. Die flüchtigen RAMs teilen sich in:
AdressierungUm die Anzahl der elektrischen Anschlüsse in Grenzen zu halten werden die Leitungen der Spalten- und Reihenadressen zusammengefasst und nacheinander übertragen (Adressbus). Zusätzliche Signale zeigen dem Speicherbaustein an, ob eine gültige Reihen- bzw. Spaltenadresse anliegt. CASColumn Address Strobe, dieses Signal liegt während einer gültigen Spaltenadresse an. Der Speicherbaustein legt diese Adresse in einem Zwischenspeicher ab. RASRow Address Strobe, dieses Signal liegt während einer gültigen Reihenadresse an. Zusammen mit der zwischengespeicherten Spaltenadresse ergibt sich nachder Decodierungdie Adresse der Speicherzellen. Static Random Access Memory (SRAM)Bild:SRAM-01.svg SRAM: Flip-Flop Schaltung Statisches RAM (engl. Static Random Access Memory, abgekürzt SRAM) bezeichnet einen Typ von volatilen (flüchtigen) Speicherbausteinenfür elektronische Geräte, wie Computer. Im Gegensatz zu DRAMsmüssen, um die Daten zu erhalten, außer der Betriebsspannung keine Signale zum Auffrischen erzeugt werden. Die Daten bleiben also auch bei statischer Ansteuerung erhalten, ohne dass die Steuerleitungen ihren Zustand ändern. Eine SRAM-Speicherzelle besteht aus zwei Transistoren, die als bistabile Kippstufe(auch Flipflopgenannt) geschaltet sind und weiteren Transistoren für die Steuerung des Schreib- und Lesevorgangs. Jede Speicherzelle bildet 1 Bit ab. SRAM haben sehr geringe Zugriffszeitenund werden deshalb oft als Cache-Speicher mit direkter CPU-Anbindung verwendet. Die Daten werden kurz bevor sie benötigt werden in den schnellen SRAM-Cache eingelesen und wenn die CPUdie entsprechenden Speicheradressen abruft, sofort aus dem Cache gelesen. Aufgrund ihrer einfachen Ansteuerung sind sie auch die bevorzugte Speichertechnologie für embedded memory(= im Chip integrierter Speicher). Da aktuelle Prozessoren immer schneller werden, wird der Cache immer wichtiger. Deshalb gibt es inzwischen ein zweistufiges, und zum teil schon dreistufiges Cache-System(L1, L2, L3). Der Nachteil im Vergleich zu DRAMsist der höhere Flächenbedarf und der damit auch höhere Preis.en:Static random access memory fi:SRAM fr:Static Random Access Memory hr:SRAM id:Static Random Access Memory it:SRAM ja:Static Random Access Memory pl:SRAM (pami?ci komputerowe) sk:SRAM sv:SRAM tr:SRAM
Dynamisches RAM (DRAM)Bild:Speicherzelle.svg DRAM: Auf dem Bild ist jeweils ein Transistor und ein Kondensator zu erkennen. Oben Planartechnikunten Trenchtechnik Bild:SIMM.jpg Zwei Speichermodulemit jeweils 9 Speicherbausteinen DRAM steht für Dynamisches RAM und bezeichnet einen elektronischen Speicherbaustein für Computer, der als integrierter Schaltkreisausgeführt ist. Sein Inhalt ist flüchtig (volatil), das heißt die gespeicherte Informationgeht bei fehlender Wiederauffrischung verloren.
Aufbau und FunktionEin DRAM enthält eine zweidimensionale Matrixaus Speicherzellen, die auf der Oberfläche eines Chipsangeordnet und verdrahtet sind. Der Aufbau einer einzelnen DRAM-Speicherzelle ist sehr einfach, sie besteht nur aus einem Kondensatorund einem Transistor. Heute benötigt man nur noch einen CMOS-Transistor. Seine geringe Eigenkapazität bildet dabei den Kondensator. Die Informationwird als elektrische Ladungim Kondensator gespeichert. Jede Speicherzelle speichert ein Bit. Der Transistor - auch Auswahltransistor genannt - dient als Schalterzum Lesenund Schreibender 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-Chipsind 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-Flasheine 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 Leckströmenmit der Zeit verflüchtigt, wenn sie nicht periodischwieder aufgefrischt wird. Dies ist normalerweise in Abständen von einigen Millisekundenerforderlich. 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. GeschichteDer erste kommerziell erhältliche DRAM-Chip war der Typ 1103, von Intel1970 vorgestellt. Er enthielt 1024 Speicherzellen (1KBit). Das Prinzip der DRAM-Speicherzelle wurde 1966 von Robert H. Dennardam Thomas J. Watson Research Centervon IBMentwickelt. Seither wurde die Kapazität eines DRAM-Chips um den Faktor 1 Million gesteigert und die Zugriffszeit auf ein Zehntel verkürzt. Heute (2004) besitzen DRAM-Chips Kapazitäten von bis zu 1GByte und Zugriffszeiten von 10ns. Die Produktion von DRAM-Speicherchips gehört zu den umsatzstärksten Segmenten der Halbleiterindustrie. Mit den Produkten wird spekuliert, es existiert ein Spotmarkt. AnwendungArbeitsspeicherNormalerweise wird das DRAM in Form von Speichermodulenals Arbeitsspeicherdes Prozessorsbenutzt. DRAMs werden häufig nach der Art des Baustein-Interfaceeingeteilt. 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 Servereingesetzt wird. Da nicht vorraussehbar ist, das 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. SpezialanwendungenSpezieller RAMals Bild- und Texturspeicher für Grafikkarteneingesetzt, zum Beispiel GDDR3(Graphics Double Data RateSDRAM). 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 scnellere DRAM's 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 Grafikkartenoptimiert, 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 PDAsist 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. Produktgenerationen von DRAMs
VergleichstabelleDDR-SDRAM
Wenn das Speicherinterface nun Dualchannel ist, kann es zweimal soviel Datenrate erreichen. Z.B. AMDs ProzessorAthlon64-FX besitzt ein Dualchannel-Memory-Interface, Athlon64 im Sockel 754 verfügt über ein Singlechannel-Memory-Interface Dual-DDR-SDRAM
DDR2-SDRAM
RDRAM
Dual-RDRAM
en:Dynamic random access memory es:SDRAM fi:DRAM fr:Dynamic Random Access Memory he:SDRAM hr:DRAM it:DRAM ja:Dynamic Random Access Memory pl:DRAM pt:Dynamic random access memory sk:DRAM sv:DRAM zh:DRAM
BauartenEs 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 Bitund Byteangegeben. Als Arbeitsspeicher verwendetes RAM wird häufig in Form von Speichermoduleneingesetzt:
ar:????? ?????? ???????? bg:RAM ca:RAM (Informàtica) cs:RAM da:Ram en:Random access memory es:Memoria RAM fi:Keskusmuisti fr:Mémoire vive gl:RAM he:?????? ???? ?????? hr:RAM hu:RAM id:Memori akses acak it:RAM ja:Random Access Memory ko:? la:RAM lv:RAM nl:Random Access Memory no:RAM pl:Pami?? o dost?pie swobodnym pt:Memória RAM ru:RAM simple:Random access memory sk:Pamä? s priamym prístupom sl:Bralno pisalni pomnilnik sr:RAM sv:RAM th:??? tr:RAM vi:RAM zh:??????? Read only memory (ROM)ROM (Read-Only-Memory, wörtlich: Nur-Lese-Speicher), gelegentlich auch als Festwertspeicher bezeichnet, ist ein Speicher, der nur lesbar und nicht flüchtig ist, das heißt: er hält seine Daten auch in stromlosem Zustand. Das prädestiniert ihn zur Aufnahme von fest verdrahteten Computerprogrammenwie z. B. dem BIOS. Das Einschreiben von Daten in ein ROM wird als Programmierung des Bausteins bezeichnet und ist nicht mit den Schreibzugriffen in einem Schreib-/Lesespeicher (Random Access Memory, Festplatte) vergleichbar. Zu unterscheiden ist zwischen Bausteinen mit reversibler und irreversibler Programmierung. Bild:ROMchip.jpg Ein PROM-Chip für einen PDA Ursprünglich wurden ROMs schon bei der Fertigung ?fest verdrahtet?. Da diese Verdrahtung mit einer ?Maske? (einer Art Filmnegativ) auf den rohen Chip direkt aufbelichtet wurde, spricht man hierbei von einem maskenprogrammierten ROM. Da sich dieses Verfahren allerdings nur in Großfertigung rechnete, wurde eine - ständig wachsende - Familie weiterer Speicherbausteine dieses Typs entwickelt, die auch nach der Fertigung mit Informationen befüllt werden können. Inzwischen gibt es eine recht große Anzahl der verschiedenen Arten von ROM:
Produktübersicht und UmsatzzahlenEinen Überblick über die unterschiedlichen Speichertypen erhält man am Besten über eine Tabelle (die angegebenen Umsatzzahlen beziehen sich auf das Jahr 2005 und sind dem Elektronik Scout 2006 entnommen):
Siehe auch
Weblinks
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