Definition: Random Access Memory

Jede Entwicklungsstufe macht RAM leistungsfähiger

| Autor / Redakteur: Michael Radtke* / Ulrike Ostler

Random Access Memory (RAM) eine wichtige Server-Komponente für die Performance.
Random Access Memory (RAM) eine wichtige Server-Komponente für die Performance. (Bild: © djarma/ Fotolia.com)

Random Access Memory, als RAM abgekürzt, ist eine Art Direktzugriffsdatenspeicher, der vornehmlich als Arbeitsspeicher - zumeist in Form von speziellen Modulen - in Computern zum Einsatz kommt. Dabei kommen verschiedene Module zum Einsatz.

Die gängigsten Speichermodule gehören zur Familie der Halbleiterspeicher. Im Grunde genommen stellt Random Access Memory das Kurzzeitgedächtnis eines Computers dar. Hier werden sämtliche Daten abgelegt, die zu jeder Zeit möglichst schnell bereitstehen sollen.

Dies stellt gerade für die Festplatte eine enorme Entlastung dar, die ohne RAM noch viel mehr Daten verarbeiten bzw. laden müsste. Dabei fungiert Random Access Memory quasi als ein wahlweise oder zufällig nutzbarer und flüchtiger Speicher, der nach dem Ausschalten des Computers immer wieder gelöscht wird.

Der Arbeitsspeicher ist eine entscheidende Komponente für die Gesamtperformance

Die Random Access Memory Speicherbausteine gehören zu den grundlegenden Komponenten eines Rechners. Die entsprechenden Speichermodule sind dabei grundsätzlich direkt mit dem integrierten Prozessor verbunden. Auf diesem Weg wird sicher gestellt, dass ein Nutzer stets unmittelbaren Zugriff auf die im entsprechenden Speicher ausgelagerten Daten hat.

Somit trägt Random Access Memory dann auch maßgeblich zur Gesamt-Performance eines Computers bei. Ist RAM defekt, sind regelmäßige Abstürze vorprogrammiert oder der Start des Computers wird gleich von vorne herein verhindert.

Random Access Memory hat schon zahlreiche Entwicklungsstufen durchlaufen

Bereits seit Beginn der Computer-Ära arbeiten Rechner mit RAM. Allerdings haben sich die Speichervolumen im Laufe der Zeit exponentiell gesteigert. Immer wieder neue Entwicklungsstufen kommen zur Marktreife.

In der Anfangszeit lagen die Daten noch auf sequentiell zu lesenden Speichertypen, wie zum Beispiel auf Magnetbändern oder auf Lochkarten, vor. Um das Datenmaterial verarbeiten zu können, wurden Magnetbänder und Lochkarten in schnelle Rechenregister geladen, wobei mitunter eine so bezeichnete Delay Line (hier: Verzögerungsleitung) eingesetzt wurde, damit Zwischenergebnisse schneller bereit gehalten werden konnten.

Erst als die Ferritkernspeicher entwickelt und eingeführt wurden, erinnerte dieser beschreibbare Speicher an die Form des Matrixzugriffs heutiger RAM Lösungen. Die wesentliche Neuerung gegenüber den zuvor verwendeten Speichertypen besteht dabei im grundsätzlich wahlfreien Zugriff der Kernspeicher und der heute verwendeten RAM Bausteine.

Waren es im Computer-Mittelalter noch RAM Lösungen wie zum Beispiel SD RAM (Syncronous Dynamic Random Access Memory) oder EDO RAM (Extended Data Output Random Access Memory), ist RAM durch den Double Data Rate (DDR) erst richtig leistungsfähig geworden. Heute ist die Technik bereits in der vierten DDR Generation angelangt, was sinnbildlich für die extreme Entwicklung in diesem Segment der Computer Technologie ist. Zwar sehen die verschiedenen RAM Generationen im Grunde genommen nahezu gleich aus, aber es werden - analog den Prozessoren - jeweils unterschiedliche Sockel verwendet. Als Konsequenz hieraus kann dann allerdings zum Beispiel ein auf DDR 2 RAM ausgelegtes Mainboard keinen DDR 3 RAM unterbringen.

Random Access Memory: Unterscheidung zwischen flüchtigen und nicht flüchtigen Speichern

Der Random Access Memory lässt sich auf verschiedene Arten technisch umsetzen. Wie bereits zuvor skizziert, werden in Computern flüchtige bzw. volatile RAM Speicher verwendet. Aber es sind auch RAM Typen erhältlich, die auch ohne Stromzufuhr ihre Informationen erhalten.

Diese nicht volatilen Modelle werden NVRAM genannt. Grundsätzlich gibt es mehrere flüchtige und nicht flüchtige RAM Varianten. Bei den flüchtigen Arbeitsspeichern kommt vor allem der statischen Version (hier: SRAM) eine explizit hohe Bedeutung in der Computer-Technologie zu. Bei statistischem RAM handelt es sich um häufig kleine, elektronische Speicherbausteine bis zu mehreren MiBit.

Allerdings trifft der Name im historischen Kontext auch auf die Kernspeicher zu, die über Jahre hinweg selbst spannungslos ihren Zustand nicht ändern. Der Speicherinhalt, der in bistabilen Kippstufen abgelegt wird, kann beim statischem RAM behalten werden, ohne laufend Auffrischungszyklen zu generieren; das Anliegen einer entsprechenden Versorgungsspannung reicht hier.

Statistisches Random Access Memory im Fokus

Allerdings benötigt statisches Random Access Memory vergleichsweise mehr Chipfläche und Bauelemente als zum Beispiel die dynamische Variante. Je Speicherbit werden bei statischem Modell je einzelnem Speicherbit etwa vier bis sechs Transistoren benötigt. Dies ist gerade im Hinblick auf große Speichermengen im Vergleich zu anderweitigen Lösungen, wie eben zur dynamischen Variante, reichlich kostenintensiv. Dafür aber bietet diese Variante lediglich kurze Zugriffszeiten und kommt dazu eben ohne Refresh-Zyklen aus.

Eingesetzt wird Statisches RAM in Rechnern als Cache sowie zudem auch bei Mikrocontrollern als flüchtiger Speicher. Dabei gibt es eine Besonderheit zu beachten. Im Normalfall gehen sämtliche gespeicherten Daten bei Unterbrechung der Stromzufuhr verloren.

Mit Hilfe einer Pufferbatterie kann aber aus einem volatilen Random Access Memory jederzeit eine spezielle Form von nicht volatilen NVDRAM Speicher erzeugt werden. Pufferbatterien können dabei den Dateninhalt im Statischen Random Access Memory über mehrere Jahre hinweg im statischen RAM halten; zudem weisen die SRAM-Zellen ohne Zugriffszyklen lediglich einen geringen Leistungsbedarf auf.

Dynamisches und pseudostatisches RAM als Alternativlösung

Demgegenüber ist das dynamische RAM (DRAM) eine eher kostengünstige Variante, da bei diesem elektronischen Speicherbaustein weniger Kosten pro Bit anfallen. Daher wird die dynamische Version, deren Inhalt ebenfalls flüchtig ist, auch bevorzugt als Arbeitsspeichereinheit in Computern verwendet. Dabei werden die Informationen in den Ladezustand eines Kondensators gespeichert, wobei dieser vergleichsweise simple Aufbau die Speicherzelle extrem klein macht. Dies behindert aber nicht die Geschwindigkeit der Informationsflüchtigkeit.

Im Gegensatz zum statischen RAM müssen bei der dynamischen Variante zudem die Speicherzellen regelmäßig immer wieder neu aufgefrischt werden. Verfügen die DRAM Module dabei über eine integrierte Steuerschaltung zur Auffrischung der Speicherzellen, verhalten sie sich nach außen hin durchaus wie statisches Random Access Memory.

Dieser Fakt wird dann als pseudostatisches RAM (kurz: PSRAM) bezeichnet. Ein PSRAM vereinigt dabei die Vorteile der vergleichsweise einfachen Ansteuerung eines SRAM-Moduls mit den Vorzügen des geringen Flächenbedarfs eines dynamischen Random Access Memory-Bausteins.

Von 1996 bis 2001 war die Variante SDRAM quasi unersetzlich

Ebenfalls zu den flüchtigen Speichern zählt die Halbleiterspeicher-Variante Synchronous Dynamic Random Access Memory (kurz: SDRAM), die vorzugsweise auch in Computern als Arbeitsspeicher verwendet wird. Hierbei handelt es sich um eine DRAM Technolodie, die auf der Arbeitsrate beziehungsweise der Taktung basiert. Dabei gibt der Systembus oder ein angeschlossener Speicherbus den Takt vor, wobei die Taktung durch von den Taktflanken durchgeführte Werteänderungen in den Registern erfolgt.

Da bei dieser Variante Puffer- und Pipelining-Techniken genutzt werden können, ergibt sich im Hinblich auf den Arbeitsprozess ein deutlicher Zeitgewinn. SDRAM Module wurden vornehmlich von 1996 bis 2001 in Computern eingesetzt. Ferroelektrisches RAM (hier: FRAM, FeRAM), Phasenwechsel-RAM (PRAM, PCRAM) und Magnetisches Random Access Memory (Magnetblasenspeicher, Racetrack-Speicher) zählen demgegenüber allesamt zum nicht flüchtigen Random Access Memory.

Zu den Speichern mit nichtflüchtiger Speicherung zählen aber auch Flash Speicher. Diese digitalen Speicherbausteine sind miniaturisiert und damit portabel, dafür sind sie aber langsamer als Festwertspeicher (ROM). Daher werden Flash Speicher auch nicht als Hauptspeicher genutzt, sondern vielmehr als schneller Zwischenspeicher, zum Beispiel als ReadyBoost Cache. Die Technik kann allerdings nicht mit einem flüchtigen Speicher wie Random Access Memory konkurrieren, denn die Datenraten sind bei Flash deutlich geringer; außerdem sind die Zugriffszeiten länger.

Steigerung der CPU Leistung mit einem Mehrkanalmodus

Es ist auch möglich, gleich mehrere Random Access Memory Speicher parallel in einem so bezeichneten Mehrkanalmodus zum Einsatz zu bringen. Durch einen solchen Mehrkanalmodus kann die größtmögliche Geschwindigkeit, zu der ein Computer mit seinen Einzelkomponenten fähig ist, erreicht werden. Dabei ermöglicht es dieser Modus, dass der Speicher-Controller gleichzeitig auf alle zur Verfügung stehenden Module zugreifen kann; ein schnelles Speichern und Laden der Daten ist also auch bei komplexen Rechneranforderungen stets gegeben.

Erfahrungsgemäß arbeitet ein Computer mit Mehrkanalmodus genau dann zuverlässig flott, wenn die integrierten Speicherriegel mit identischer Geschwindigkeit arbeiten, es also quasi keinen Hauptspeicher gibt. Ausschlaggebend ist dabei der Arbeitstakt respektive die Taktrate, mit der die Übertragung der Daten erfolgt. Werden bei dieser Variante nämlich Speicherriegel mit unterschiedlichem Tempo verwendet, arbeitet Random Access Memory immer genau mit der Taktrate, die das langsamste Modul aufweist.

Speicherpool auf einem Server anlegen: Speicherplatz optimieren

Auch für ein Rechenzentrum ist Random Access Memory ein entscheidender Faktor. Ein Rechenzentrum benötigt nämlich immer einen erstklassigen Solid State Drive. Neben den klassischen Varianten kommen dabei auch immer schnellere Alternativen auf den Markt. Einige SSD-Versionen können dabei zusätzlich als Speichererweiterung dynamisches Random Access Memory ersetzen. Hier sind oftmals bis zu 24 Tbyte RAM möglich.

Wer etwa mit „Windows Server“ arbeitet, kann ab der Version 2012 diesbezüglich mit den richtigen SSD-Modellen physische Datenträger zu einem Speicherpool zusammenfassen. Wie viele Speicherpools letztendlich erstellt werden, ist dabei nebensächlich. Auf einem Server ist die Anzahl der Speicherpools nicht begrenzt. Explizit auf einem Speicherpool bauen dann wiederum die Speicherplätze auf. Dabei können in den Speicherplätzen spezielle Freigaben erstellt oder auch einzelne Speicherplätze via „BitLocker“ verschlüsselt werden.

* Michael Radtke arbeitet bei Content.de

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