Wie funktioniert Arbeitsspeicher? #5

Willkommen zurück zur nun schon 5. Folge der Computerserie. Dieses Mal geht es weiter mit einer weiteren internen Komponente, die für die schnelle Abarbeitung in einem Rechner unverzichtbar ist. Die Rede ist vom Arbeitsspeicher. Warum dieser Extra-Speicher so wichtig in einem Computer ist und wie er diese Aufgabe erfüllt, erfahrt ihr gleich. Wenn für dich dieses Thema aber komplett neu ist, würde ich dir sehr empfehlen, zumindest das 1. Video der Reihe anzuschauen. Also, macht euch gefasst auf den Mega-Brainfuck, konzentriert euch und los geht's. Beim Arbeitsspeicher oder Hauptspeicher handelt es sich, wie der Name schon sagt, um einen Speicher. Der speichert jedoch nicht einfach nur Daten des Speicherns willen, wie z.B. die Festplatte, sondern speichert Daten zwischen, die oft von der CPU gebraucht werden. Es befinden sich also vorwiegend Kopien von Daten der Festplatte und Zwischenergebnisse temporär, also für kurze Zeit, auf dem Arbeitsspeicher. Warum? Aus dem einfachen Grund, weil Arbeitsspeicher deutlich schneller ist. Hinsichtlich der Datenrate ist er ca. 250-mal schneller als die Festplatte und betrachtet man die Zugriffszeit, ist er sogar 120.000-mal schneller. Schauen wir uns jetzt genauer an, mit was die Daten im Arbeitsspeicher gesichert werden. Einen guten Anhaltspunkt findet man, wenn man den umgangssprachlichen Namen vom Arbeitsspeicher kennt. Und zwar ist das der RAM. Und RAM ist eigentlich eine Art von Speicher, nämlich der Random Access Memory. Das Random sollte in dem Zusammenhang nicht mit zufällig in Verbindung gebracht werden, sondern eher mit wahlfrei. Es handelt sich beim RAM um einen wahlfreien Speicher, bei dem der Zugriff auf jede beliebige Speicherzelle exakt gleich lange dauert. Grob kann man den RAM nun in zwei Gruppen einteilen. Den V-RAMs und den NV-RAMs. Dabei steht das V dieses Mal nicht für Video, sondern für Volatil bzw. das NV für Nicht-Volatil. Da aber vermutlich kaum jemand die Bedeutung von Volatil kennt, nennen wir es doch lieber Flüchtig. Damit kommt der Unterschied auch gleich besser zum Vorschein. V-RAMs sind also flüchtige Speicher, die ohne Spannungsversorgung ihre Informationen verlieren. Und NV-RAMs sind eben nicht flüchtig, da sie ihre Daten auch ohne Stromzufuhr behalten. Ein Beispiel für NV-RAMs wären die Flash-Speicher in SSDs. Da bei Arbeitsspeichern nur flüchtige Speicher verwendet werden, schauen wir uns diese jetzt auch genauer an. V-RAMs kann man nun weiter unterteilen in S-RAM und B-RAM. Der S-RAM ist ein statischer Speicher, der ein Bit, also den Zustand 0 oder 1, mithilfe eines Flipflops speichern kann. Dieses setzt sich aus sechs Transistoren zusammen, wobei Transistor 1 und 2 für die Ein- und Ausgabe zuständig sind und die Transistoren 3 bis 6 für den eigentlichen Speicherprozess. Die Wordline, die an den Ein- und Ausgabetransistor angeschlossen ist, gibt dabei den Befehl zur Schaltung des Transistors und die Bitline, die an dieselben Transistoren angeschlossen ist, dient als Ein- und Ausgabeleitung. Vorteile dieser statischen RAM sind, dass er sehr schnell ist, Lese- und Schreibvorgänge also innerhalb kürzester Zeit vorgenommen werden können. Deshalb wird S-RAM auch in Caches verwendet, die dementsprechend sehr schnell sind. Außerdem genügt es beim S-RAM, eine unveränderliche Spannung anzulegen, damit er seine Informationen behält. Es fällt damit das ständige Auffrischen weg, das wir beim D-RAM noch beobachten werden. Der große Nachteil beim S-RAM besteht aber in seinem komplexen Aufbau und die damit resultierende große Fläche. Was der Nachteil des S-RAMs ist, ist der große Vorteil des D-RAMs, des dynamischen Speichers. Dort werden für die Speicherung von einem Bit nämlich nur ein Transistor und ein Kondensator benutzt. Der Transistor ist dabei einfach nur fürs Schalten zuständig und der Kondensator, der eine elektrische Ladung speichern kann, nimmt damit den Zustand 0 oder 1 ein. Da ein Kondensator seine Ladung aber aufgrund von Leckströmen nach einiger Zeit verliert, muss er regelmäßig, genau gesagt alle 32 oder 64 ms, aufgefrischt werden. Dieses Auffrischen verlangsamt den D-RAM enorm. Trotzdem ist er aber die bevorzugte Wahl für den Arbeitsspeicher, weil der minimale Platzbedarf und die daraus resultierende Speichervergrößerung dem Geschwindigkeitsdefizit überwiegen. Schließt man um mehrere solche D-RAM-Bausteine eine Wordline, erhält man eine Speicherzeile bzw. Page. Mehrere Speicherzeilen zusammen ergeben schließlich ein Speicherfeld, das eine zweidimensionale Matrix darstellt. Wenn wir von einer Speicherzeilenlänge bzw. Spaltenanzahl von 4096 Bausteinen, also 4096 Bit, und einer Speicherzeilenanzahl von 1024 ausgehen, dann ist ein Speicherfeld 4 Mbit groß. Diese Speicherfelder kann man nun weiter zu einer Speicherbank zusammenschließen, die dann z.B. aus 8 Speicherfeldern besteht. Das ergibt dann 8 mal 4 Mbit, also 32 Mbit. Und ein Speicherchip setzt sich schlussendlich wieder aus mehreren Speicherbänken zusammen. Gehen wir von 4 Speicherbänken pro Chip aus, ergibt das eine Größe von 4 mal 32 Mbit, also 128 Mbit. Teilt man diese dann durch 8, weil ein Byte eben 8 Bit groß ist, ergibt das 16 Megabyte für einen Speicherchip. Soll nun irgendetwas in eine Speicherzelle geschrieben oder davon gelesen werden, wird zu Beginn erst mal der richtige Chip und die richtige Bank direkt angesprochen. Der Speichercontroller der CPU übergibt jetzt die Adresse der Speicherzelle, dessen Zeile mit Hilfe des Zeilendecoders entschlüsselt wird. Diese eine Speicherzeile aktiviert man nun, indem die Spannung an der Bitline gekappt und dafür an die Wordline angeschlossen wird. Nun wird mit dem Spaltendecoder die richtige Position in der Speicherzelle gefunden. Die Bitline wird jetzt mit der Datenleitung des Speicherchips verbunden. Beim Lesen erfährt man damit den Zustand des Kondensators und beim Schreiben wird damit der richtige Zustand gesetzt. Beim anschließenden Deaktivieren der Speicherzeile wird die Spannung an der Wordline wieder gekappt und an die Bitline angeschlossen, damit die Zustände gehalten werden. Aufgrund dieser hochkomplexen Lese- und Schreibvorgänge müssen zwischen den einzelnen Schritten gewisse Pausen eingelegt werden, die man beim Arbeitsspeicher Latenzen nennt. Dabei gibt es vier verschiedene Latenzen, die immer mit vier Zahlen angegeben werden. Die erste steht dabei für die TCL- oder nur CL-Latenz. Diese gibt die Taktzyklen an, die vergehen müssen, bis die Daten vollständig ausgelesen sein sollten. Die zweite Latenz nennt sich TRCD und gibt die Zeit an, die zwischen dem Aktivieren einer Zeile und einer Spalte vergehen sollte. Die dritte Latenz ist die TRP-Latenz und gibt die Anzahl der Taktzyklen an, bis der geforderte Ladungszustand erreicht wurde. Und als letztes gibt es noch die TRAS-Latenz, die für die Zeit bis zu einem Neuzugriff steht. Rein rechnerisch setzt sich diese aus der CL, der TRP und einer gewissen Sicherheit zusammen. DRAM ist aber nicht gleich DRAM. Oft liest man bei Arbeitsspeichern nämlich auch noch von SDRAM. Das S steht dabei dann für Synchronous. Das bedeutet, dass dieser getaktete DRAM synchron zum Systembus arbeitet. Er hat also die gleiche Taktrate bzw. ein Vielfaches der Taktrate des Systembusses. Außerdem gibt es beim SDRAM noch eine Weiterentwicklung, die man ziemlich sicher schon einmal gehört hat, der DDR-SDRAM. Mit diesem Double-Data-Rate-Verfahren lässt sich eine doppelte Taktrate erzielen. Während bei SDRAM ohne DDR nur Daten beim Anstieg einer Taktflanke übertragen werden, werden es beim DDR-Verfahren beim An- und Abstieg. Das ist auch der Grund, warum z.B. bei einem DDR-400-Arbeitsspeicher, der eine effektive Frequenz von 400 MHz hat, nur eine Taktrate von 200 MHz in den Spezifikationen steht. Seit dieser Entwicklung gab es dann auch noch DDR-II und mittlerweile werden fast ausschließlich DDR-III-Speicher verwendet. Bei beiden Weiterentwicklungen wurden neben dem DDR-Verfahren die Taktraten derart angehoben, dass auch sie ca. doppelt so schnell sind wie ihr jeweiliger Vorgänger. Und jetzt schauen wir uns endlich an, wie so ein zusammengebauter Arbeitsspeicher mit seinen ganzen Speicherchips aussieht und kommen somit zum Specs-Check. Dieses Mal war Kingston so nett und hat mir ein 16 GB HyperX B-Series Arbeitsspeicherkit zugeschickt. Den Link dazu findet ihr wie immer in der Infobox. Wie man sieht, sind das zwei Arbeitsspeicherriegel, die im sogenannten Dual-Channel laufen. Sie arbeiten also parallel. Unten sitzen dann die je 240 Pins, die mit dem Mainboard und somit mit der CPU kommunizieren. Heutzutage befinden sich meist auf beiden Seiten Kontakte, die getrennt voneinander arbeiten. Deshalb nennt man so eine Bauweise auch DIM, Dual Inline Memory Module. Die Kerbe zwischen den Kontakten stellt sicher, dass die Riegel nur in einen kompatiblen Slot passen und die Kerben an den Seiten sind für die Befestigung am Mainboard zuständig. Einige Arbeitsspeicher mit hoher Taktrate, wie auch diese hier, besitzen eine Metallverkleidung, die den Zweck hat, Wärme von den einzelnen Speicherchips abzutransportieren. Schauen wir einmal darunter, erkennen wir, dass auf jeder Seite des PCBs sich 8 Chips, also insgesamt 16 Chips befinden. Und da hier ein Arbeitsspeicherriegel je 8 GB Speicher aufweist, muss ein Speicherchip also eine Größe von 500 MB haben. Auf der Verpackung kann man nun einige tolle Spezifikationen finden. Das hier ist einfach nur der Name des Kits und darunter steht, dass es 16 GB umfasst. In der nächsten Zeile erfährt man dann noch, dass es sich um DDR3-Speicher handelt, der mit einer maximalen Taktrate von 2400 MHz arbeitet und eine Latenz von 11 Taktzyklen hat. Ich sagte ja, dass es vier Latenzen gibt. Falls aber nur eine dabei steht, ist das immer die CL-Latenz, die angibt, wie lange das vollständige Auslesen von Daten dauert. Dann erfährt man noch, dass es 240 Pins gibt und es sich um Riegel mit je 8 GB und U-DIMM-Bauweise handelt. Das U steht dabei für unregistert, es befinden sich also keine zusätzlichen Register auf dem Riegel. Das Gegenteil, R-DIMMs entlasten mit Registern den Speicherkontroller, diese kommen aber hauptsächlich nur in Servern vor. So, und das war die letzte Information für dieses Video. Ich hoffe wirklich, dass euer Kopf nicht geplatzt ist. Ich werde für die nächsten Themen mal schauen, es etwas kürzer zu halten. Ich habe es jetzt eigentlich schon probiert, aber irgendwie war dann doch wieder alles wichtig. Wenn ihr immer noch nicht genug habt, könnt ihr euch jetzt noch das letzte Video zur Grafikkarte anschauen oder alle Computer-Videos in der Playlist oder die letzte Folge Random Q&A, wo es um die Bestandteile einer Flamme, um Teflon, Mückenstiche und den Pember-Effekt geht. Ansonsten sehen wir uns in zwei Wochen wieder zum Festplatten-Video. Bis dann. Untertitel im Auftrag des ZDF für funk, 2017