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RAM (Main Memory, Hauptspeicher, Primärspeicher)

Mitarbeiter: Kevin Ferguson, Stacey Peterson, Rodney Brown

RAM (Random Access Memory) ist die Hardware in einem Computergerät, in der das Betriebssystem (OS), die Anwendungsprogramme und die Daten im aktuellen Gebrauch aufbewahrt werden, so dass sie vom Prozessor des Geräts schnell erreicht werden können. RAM ist der Haupt- oder Arbeitsspeicher in einem Computer, und er lässt sich viel schneller auslesen und beschreiben als andere Arten von Speicher, wie zum Beispiel eine Festplatte (HDD), ein Solid-State-Laufwerk (SSD) oder ein optisches Laufwerk.

Fortsetzung des Inhalts unten

RAM wird auch Primärspeicher (Main Memory) genannt, da hier die Daten zuerst zwischengelagert werden, bevor sie auf die Festplatte oder SSD gespeichert werden.

Dieser Arbeitsspeicher ist flüchtig. Das bedeutet, dass Daten im RAM gespeichert bleiben, solange der Computer eingeschaltet ist, aber sie gehen verloren, wenn der Computer ausgeschaltet wird oder die Stromzufuhr unterbrochen wird. Wenn der Computer neu gestartet wird, werden das Betriebssystem und andere Dateien wieder in den RAM-Speicher geladen, normalerweise von einer HDD oder SSD.

Die Aufgabe des RAM

Aufgrund seiner Volatilität kann RAM keine permanenten Daten speichern. RAM kann mit dem Kurzzeitgedächtnis einer Person verglichen werden, und ein Festplattenlaufwerk mit dem Langzeitgedächtnis einer Person. Das Kurzzeitgedächtnis konzentriert sich auf die unmittelbare Arbeit, aber es kann nur eine begrenzte Anzahl von Fakten gleichzeitig im Blick behalten. Wenn das Kurzzeitgedächtnis einer Person voll ist, kann es mit Fakten aufgefrischt werden, die im Langzeitgedächtnis des Gehirns gespeichert sind.

Auch ein Computer funktioniert auf diese Weise. Wenn sich der RAM-Speicher füllt, muss der Prozessor des Computers wiederholt auf die Festplatte schreiben, um die alten Daten im RAM-Speicher abzulegen und dann mit neuen Daten zu überschreiben. Dieser Vorgang verlangsamt den Betrieb des Computers.

Abbildung 1: Beispiele für RAM-Module.
Abbildung 1: Beispiele für RAM-Module.

Die Festplatte eines Computers kann sich vollständig mit Daten füllen und nicht mehr aufnehmen können, aber dem RAM geht der Speicher nicht aus. Die Kombination aus RAM und Speicher kann jedoch vollständig aufgebraucht werden.

Wie funktioniert RAM?

Der Begriff „Random Access“ (wahlfreier/zufälliger Zugriff), wie er für RAM verwendet wird, kommt daher, dass auf jede Speicherstelle, auch als jede Memory-Adresse bezeichnet, direkt zugegriffen werden kann. Ursprünglich wurde der Begriff Random Access Memory verwendet, um reguläres Kern-Memory von Offline-Hauptspeicher zu unterscheiden.

Offline-Memory bezog sich typischerweise auf ein Magnetband, von dem aus auf ein bestimmtes Datenstück nur durch sequentielles Auffinden der Adresse, beginnend am Anfang des Bandes, zugegriffen werden konnte. Der RAM ist so organisiert und gesteuert, dass Daten direkt an und von bestimmten Stellen gespeichert und abgerufen werden können.

Auf andere Speichertypen, wie die Festplatte und CD-ROM, wird ebenfalls direkt oder wahlfrei (Random) zugegriffen, aber der Begriff wahlfreier Zugriff wird nicht verwendet, um diese anderen Speichertypen zu beschreiben.

RAM ähnelt im Konzept einer Reihe von Boxen, in denen jede Box eine 0 oder eine 1 enthalten kann. Jede Box hat eine eindeutige Adresse, die durch Zählen über die Spalten und durch Herunterzählen der Zeilen gefunden wird. Ein Satz von RAM-Boxen wird als Array bezeichnet, und jede Box wird als Zelle bezeichnet.

Um eine bestimmte Zelle zu finden, sendet der RAM-Controller die Spalten- und Zeilenadresse über eine dünne, in den Chip geätzte elektrische Leitung. Jede Zeile und Spalte in einem RAM-Array hat ihre eigene Adressleitung. Alle Daten, die gelesen werden, fließen auf einer separaten Datenleitung zurück.

RAM ist physikalisch klein und in Mikrochips gespeichert. Es ist auch im Hinblick auf die Datenmenge, die es aufnehmen kann, klein. Ein typischer Laptop-Computer kann mit 8 Gigabyte RAM ausgestattet sein, während eine Festplatte zehn Terabyte fassen kann.


Logical Increments beschreibt in diesem Video
die Funktionsweise von RAM.

RAM-Mikrochips werden in Memory-Modulen zusammengefasst, die in Steckplätze auf der Hauptplatine eines Computers gesteckt werden. Ein Bus oder eine Reihe von elektrischen Pfaden wird verwendet, um die Steckplätze der Hauptplatine mit dem Prozessor zu verbinden.

Eine Festplatte hingegen speichert Daten auf der magnetisierten Oberfläche einer Platte, die wie eine Schallplatte aussieht. Und alternativ speichert eine SSD Daten in Speicherchips, die im Gegensatz zum RAM nicht flüchtig sind, nicht auf eine konstante Stromversorgung angewiesen sind und keine Daten verlieren, sobald der Strom abgeschaltet wird oder ausfällt.

Die meisten PCs ermöglichen es Benutzern, bis zu einer bestimmten Grenze RAM-Module hinzuzufügen. Wenn mehr RAM in einem Computer vorhanden ist, verringert sich die Anzahl der Male, die der Prozessor Daten von der Festplatte lesen muss, ein Vorgang, der länger dauert als das Lesen von Daten aus dem RAM. Die Zugriffszeit auf den RAM-Speicher liegt in Nanosekunden, während die Zugriffszeit auf den Speicher in Millisekunden angegeben wird.

Wie viel RAM benötigen Sie?

Die Menge des benötigten RAM hängt davon ab, was der Benutzer gerade tut. Beim Videoschnitt zum Beispiel wird empfohlen, dass ein System mindestens 16 GB RAM hat, obwohl mehr wünschenswert ist. Für die Fotobearbeitung mit Photoshop empfiehlt Adobe ein System mit mindestens 3 GB RAM, um Photoshop CC auf einem Mac ausführen zu können. Wenn der Anwender jedoch gleichzeitig mit anderen Anwendungen arbeitet, können selbst 8 GB RAM nicht schnell genug für die Arbeitslast sein.

Arten von RAM

RAM gibt es in zwei Hauptformen:

  • Dynamic Random Access Memory (DRAM) bildet den typischen Arbeitsspeicher eines Computergeräts, und wie bereits erwähnt, muss er eingeschaltet sein, um gespeicherte Daten zu speichern. Jede DRAM-Zelle verfügt über eine in einem elektrischen Kondensator gespeicherte Ladung oder fehlende Ladung. Diese Daten müssen ständig alle paar Millisekunden mit einer elektronischen Ladung aufgefrischt werden, um Lecks im Kondensator auszugleichen. Ein Transistor dient als Gate und bestimmt, ob der Wert eines Kondensators gelesen oder geschrieben werden kann.
  • Static Random Access Memory (SRAM) benötigt ebenfalls konstante Energie, um Daten zu speichern, aber er muss nicht wie ein DRAM ständig aktualisiert werden. Bei SRAM fungiert der Transistor anstelle eines Kondensators, der die Ladung hält, als Schalter, wobei eine Position als 1 und die andere als 0 dient. Statisches RAM benötigt mehrere Transistoren, um ein Datenbit zu halten, im Gegensatz zu dynamischem RAM, das nur einen Transistor pro Bit benötigt. Infolgedessen sind SRAM-Chips viel größer und teurer als eine entsprechende Menge DRAM.

SRAM ist jedoch wesentlich schneller und verbraucht weniger Strom als DRAM. Aufgrund der Preis- und Geschwindigkeitsunterschiede wird statischer RAM hauptsächlich in kleinen Mengen als Cache-Memory im Prozessor eines Computers verwendet.

Abbildung 2: Die verschiedenen Memory-Typen bieten unterschiedliche Leistungen.
Abbildung 2: Die verschiedenen Memory-Typen bieten unterschiedliche Leistungen.

Geschichte des RAM: RAM vs. SDRAM

Ursprünglich war RAM asynchron, weil die RAM-Mikrochips eine andere Taktrate hatten als der Prozessor des Computers. Dies war ein Problem, da die Prozessoren immer leistungsfähiger wurden und der RAM mit den Datenanfragen des Prozessors nicht mehr Schritt halten konnte.

In den frühen 1990er Jahren wurden die Taktraten mit der Einführung des synchronen DRAM, oder SDRAM, synchronisiert. Durch die Synchronisierung des Arbeitsspeichers eines Computers mit den Eingaben des Prozessors konnten Computer Aufgaben schneller ausführen.

Die ursprüngliche einzelne Datenrate SDRAM (SDR SDRAM) erreichte jedoch schnell ihre Grenze. Um das Jahr 2000 herum wurde der synchrone Random Access Memory (DDR SRAM) mit doppelter Datenrate entwickelt. Dieser bewegte Daten zweimal in einem einzigen Taktzyklus, am Anfang und am Ende.

DDR-SDRAM wurde dreimal weiterentwickelt, nämlich mit DDR2, DDR3 und DDR4, und jede Iteration brachte verbesserte Datendurchsatzgeschwindigkeiten und einen geringeren Stromverbrauch mit sich. Jede DDR-Version war jedoch mit früheren Versionen inkompatibel, da mit jeder Iteration Daten in größeren Stapeln verarbeitet werden.

Abbildung 3: DDR wurde in verschiedenen Formaten entwickelt
Abbildung 3: DDR wurde in verschiedenen Formaten entwickelt

GDDR SDRAM

Graphics Double Data Rate (GDDR) SDRAM wird in Grafik- und Videokarten verwendet. Wie DDR SDRAMermöglicht diese Technologie die Bewegung von Daten an verschiedenen Punkten in einem CPU-Taktzyklus. Sie läuft jedoch mit höheren Spannungen und hat ein weniger strenges Timing als DDR SDRAM.

Bei parallelen Aufgaben, wie beispielsweise 2D- und 3D-Videowiedergabe, sind enge Zugriffszeiten nicht so notwendig, und GDDR kann die für die GPU-Leistung erforderlichen höheren Geschwindigkeiten und Memory-Bandbreitenermöglichen.

Ähnlich wie DDR hat GDDR mehrere Entwicklungsgenerationen durchlaufen, von denen jede mehr Leistung und einen geringeren Stromverbrauch bietet. GDDR6 ist die neueste Generation des Grafikspeichers.

RAM vs. virtuelles Memory

Auf einem Computer kann der Arbeitsspeicher knapp werden, insbesondere wenn mehrere Programme gleichzeitig ausgeführt werden. Betriebssysteme können physische Hauptspeicherdefizite durch die Schaffung von virtuellem Memory ausgleichen.

Mit virtuellem Memory werden Daten vorübergehend vom RAM in den Festlattenspeicher übertragen, und der virtuelle Adressraum wird unter Verwendung von aktivem Memory im RAM und inaktivem Hauptspeicher auf einer Festplatte vergrößert, um zusammenhängende Adressen zu bilden, die eine Anwendung und ihre Daten aufnehmen. Mit Hilfe des virtuellen Memorys kann ein System größere Programme oder mehrere Programme, die gleichzeitig laufen, laden, wobei jedes Programm so arbeiten kann, als hätte es unendlich viel Hauptspeicher, ohne dass mehr RAM hinzugefügt werden muss.

Virtuelles Memory ist in der Lage, doppelt so viele Adressen wie RAM zu verarbeiten. Die Befehle und Daten eines Programms werden zunächst auf virtuellen Adressen gespeichert, und sobald das Programm ausgeführt wird, werden diese Adressen in tatsächliche Memory-Adressen umgewandelt.

Ein Nachteil des virtuellen Arbeitsspeichers ist, dass er einen Computer verlangsamen kann, weil Daten zwischen dem virtuellen und dem physischen Memory abgebildet werden müssen. Allein mit dem physischen Hauptspeicher arbeiten Programme direkt vom RAM aus.

RAM vs. Flash-Memory

Flash-Memory und RAM bestehen beide aus Solid-State-Chips, aber sie spielen in Computersystemen aufgrund von Unterschieden in der Art ihrer Herstellung, ihrer Leistungsmerkmale und ihrer Kosten eine unterschiedliche Rolle. Flash-Memory wird als Speicher-Memory verwendet, während RAM als aktives Memory verwendet wird, der Berechnungen mit den aus dem Speicher abgerufenen Daten durchführt.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen RAM und Flash-Hauptspeicher besteht darin, dass Daten aus dem NAND-Flash-Memory in ganzen Blöcken gelöscht werden müssen, was ihn langsamer macht als RAM, wo Daten in einzelnen Bits gelöscht werden können.

Allerdings ist der NAND-Flash-Memory kostengünstiger als RAM, und er ist auch nicht flüchtig; im Gegensatz zum RAM kann er Daten selbst dann vorhalten, wenn der Strom abgeschaltet ist. Wegen seiner langsameren Geschwindigkeit, Nichtflüchtigkeit und geringeren Kosten wird Flash-memory häufig als Storage-Memory in SSDs verwendet.

RAM vs. ROM

Read-Only Memory (ROM) ist ein Computerhauptspeicher, der Daten enthält, die nur gelesen, nicht aber beschrieben werden können. ROM enthält eine Boot-up-Programmierung, die jedes Mal verwendet wird, wenn ein Computer eingeschaltet wird. Es kann im Allgemeinen nicht geändert oder umprogrammiert werden.

Die Daten im ROM sind nicht flüchtig und gehen nicht verloren, wenn der Computer ausgeschaltet wird. Infolgedessen wird ROM zur permanenten Datenspeicherung verwendet. Der Arbeitsspeicher hingegen kann Daten nur vorübergehend speichern. ROM umfasst im Allgemeinen mehrere Megabyte Speicherplatz, während RAM mehrere Gigabyte umfasst.

Weitere RAM-Optionen

Resistive Random Access Memory (RRAM oder ReRAM) ist ein nichtflüchtiger Speicher, der den Widerstand des festen dielektrischen Materials, aus dem er besteht, verändern kann. ReRAM-Bausteine enthalten einen Memristor, bei dem der Widerstand beim Anlegen unterschiedlicher Spannungen variiert.

ReRAM erzeugt Sauerstoffleerstellen, bei denen es sich um physikalische Defekte in einer Schicht aus Oxidmaterial handelt. Diese Leerstellen stellen zwei Werte in einem binären System dar, ähnlich wie die Elektronen und Löcher eines Halbleiters.

ReRAM hat eine höhere Schaltgeschwindigkeit im Vergleich zu anderen nichtflüchtigen Speichertechnologien, wie NAND-Flash. Es verspricht auch eine hohe Speicherdichte und einen geringeren Stromverbrauch als NAND-Flash, was ReRAM zu einer guten Option für Speicher in Sensoren macht, die für Industrie-, Automobil- und Internet of Things-Anwendungen verwendet werden.

Die Hersteller haben jahrelang darum gekämpft, die ReRAM-Technologie zu entwickeln und die Chips in die Produktion zu bringen. Einige wenige Anbieter liefern sie derzeit aus.

Die 3D XPoint-Technologie, beispielsweise Intels Optane, könnte schließlich die Lücke zwischen DRAM und NAND-Flash-Speicher füllen. 3D XPoint hat eine transistorlose Crosspoint-Architektur, bei der Selektoren und Speicherzellen an der Kreuzung von senkrechten Drähten liegen. 3D XPoint ist nicht so schnell wie DRAM, aber es ist ein nichtflüchtiger Speicher.

Abbildung 4: Intels 3D XPoint-basierte Optane-SSD soll die Lücke zwischen DRAM und NAND-Flash schließen.
Abbildung 4: Intels 3D XPoint-basierte Optane-SSD soll die Lücke zwischen DRAM und NAND-Flash schließen.

In Bezug auf Leistung und Preis liegt die 3D XPoint-Technologie zwischen schnellem, aber teurem DRAM und langsamerem, preiswerterem NAND-Flash. Im Laufe der Entwicklung der Technologie kann die Unterscheidung zwischen RAM und Storage verwischt werden.

5G und der RAM-Markt

Im Februar 2019 veröffentlichte die JEDEC Solid State Technology Association den JESD209-5, Low Power Double Data Rate 5 (LPDDR5). LPDDR5 wird schließlich mit einer I/O-Rate von 6400 MT/s arbeiten, 50 Prozent höher als die der ersten Version von LPDDR4, was die Memory-Geschwindigkeit und -Effizienz für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich mobiler Computergeräte wie Smartphones, Tablets und ultradünne Notebooks, erheblich steigern wird.

LPDDR5 wurde mit einer Datenrate von 6400 MT/s veröffentlicht, im Vergleich zu 3200 MT/s für LPDDR4 bei seiner Veröffentlichung im Jahr 2014.

Im Juli 2019 begann Samsung Electronics mit der Massenproduktion des branchenweit ersten mobilen 12-Gigabit-LPDDR5-DRAMs, der nach eigenen Angaben für die Aktivierung von 5G- und KI-Funktionen in zukünftigen Smartphones optimiert wurde.

Kosten für RAM

Bis zum Sommer 2019 blieben die DRAM-Preise gegenüber früheren Niveaus niedriger - aber dennoch volatil. Eine Reihe von Variablen trugen zur Volatilität bei, darunter eine Angebotsschwemme, Marktspannungen zwischen Südkorea und Japan (der Heimat der beiden größten Speicherchip-Hersteller der Welt, Samsung und SK Hynix), die Einführung des Mobilchips der nächsten Generation, des LPDDR5, und die zunehmende Verbreitung der 5G-Technologie. Einen weiteren Einfluss auf die Preise hatte die erwartete Zunahme der Nachfrage nach Unterhaltungselektronik im Internet der Dinge(Internet of Things, IoT), wie Autos und tragbare Geräte, die die Chips verwenden.

Diese Definition wurde zuletzt im November 2020 aktualisiert

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