DRAM (Dynamic Random Access Memory)

Was ist DRAM (Dynamic Random Access Memory)?

Dynamic Random Access Memory (DRAM) ist ein weit verbreiteter Typ von flüchtigem Halbleiterspeicher, der in Computern und anderen elektronischen Geräten verwendet wird. Er dient als Arbeitsspeicher für Daten und Programmcode, die der Prozessor für seine Funktionen benötigt. DRAM findet Anwendung in PCs, Workstations, Servern und mobilen Geräten. Ein wesentlicher Vorteil ist der Direktzugriff, der es dem Prozessor ermöglicht, ohne sequenzielles Durchsuchen auf beliebige Memory-Bereiche zuzugreifen. Die Nähe zum Prozessor gewährleistet einen schnelleren Datenzugriff im Vergleich zu Festplatten oder SSDs.

Funktionsweise von DRAM

Die Funktionsweise von DRAM basiert auf einer Matrix aus Speicherzellen, die jeweils aus einem Kondensator und einem Transistor bestehen. Diese Zellen sind in einem zweidimensionalen Gitter angeordnet. Der Kondensator speichert die Information als elektrische Ladung, wobei ein geladener Zustand einer logischen 1 und ein entladener Zustand einer logischen 0 entspricht. Der Transistor fungiert als Schalter für den Zugriff auf den Kondensator. Da die Ladung im Kondensator mit der Zeit abfließt, muss jede Zelle alle paar Millisekunden aufgefrischt werden, um die gespeicherten Informationen zu erhalten. Dies erklärt die Bezeichnung dynamisch im Namen.

Es gibt verschiedene Memory-Alternativen, darunter SRAM (Static RAM), EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), NOR-Flash oder NAND-Flash. In zahlreichen Systemen kommen gleichzeitig verschiedene Memory-Typen zum Einsatz.

Die unterschiedlichen DRAM-Typen

Mittlerweile stehen zahlreiche verschiedene DRAM-Typen zur Verfügung, die individuelle Leistungseigenschaften offerieren. Die Datenrate wird in der Regel mit MT/s angegeben, was Megatransfers (oder Millionen Transfers) pro Sekunde bedeutet.

SDRAM (Synchronous DRAM)

SDRAM wurde 1996 eingeführt und synchronisiert sein Timing mit dem CPU-Takt. Dies ermöglicht eine effizientere Datenübertragung, da der Speicher-Controller den genauen CPU-Takt kennt. SDRAM erreichte Datenraten von 66 MT/s und mehr.

DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM)

DDR-SDRAM, eingeführt im Jahr 2002, verdoppelt die Datenübertragungsrate im Vergleich zu SDRAM. Es überträgt Daten sowohl bei steigenden als auch fallenden Taktflanken, was zu Datenraten von 266-400 MT/s führt. DDR-SDRAM arbeitet mit einem 266-Bit-Prefetch-Puffer.

DDR2-SDRAM

DDR2, verfügbar seit 2004, bietet höhere Geschwindigkeiten als DDR mit Bandbreiten bis zu 8,5 GB/s. Es erreicht Datenraten von 533-800 MT/s und arbeitet mit niedrigerer Spannung, was zu verbesserter Energieeffizienz führt.

DDR3-SDRAM

DDR3 reduziert den Stromverbrauch um 40 Prozent gegenüber DDR2 und führt neue Funktionen wie ASR (Automatic Self-Refresh) und SRT (Self-Refresh Temperature) ein. Es erreicht Datenraten von 1066-1600 MT/s und bietet verbesserte Leistung und Stabilität.

DDR4-SDRAM

DDR4, der aktuelle Standard, bietet eine noch niedrigere Betriebsspannung (1,2V) und höhere Transferraten von 2133-5100 MT/s. Es führt neue Technologien wie Bank Groups ein und verbessert die Signalintegrität und Datenstabilität.

DDR5-SDRAM

DDR5, die neueste Generation, erreicht Datenraten von 3200-6400 MT/s und arbeitet mit nur 1,1V. Es bietet signifikant höhere Bandbreiten, mit Transferraten von bis zu 51,2 GB/s bei DDR5-6400.

FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM)

FPM DRAM bot höhere Geschwindigkeiten als frühere DRAM-Typen durch optimierten Seitenzugriff. Es kam 1987 auf den Markt, war in den 1990er Jahren weit verbreitet und wurde 1996 durch den optimierten EDO-RAM abgelöst.

RDRAM (Rambus DRAM)

RDRAM wurde in den frühen 2000er Jahren hauptsächlich für Grafikkarten verwendet. Es bot hohe Bandbreiten, war aber teurer als andere DRAM-Typen. Die dritte Generation wurde durch XDR DRAM abgelöst.

XDR DRAM

XDR DRAM wurde 2006 vorgestellt und wurde vor allem in der Playstation 3 eingesetzt. Es basiert auf RDRAM und hat eine Taktrate von 400 MHz. Mit der Weiterentwicklung der DDR-Technologie wurde auch dieser Memory-Typ obsolet.

Jede neue DRAM-Generation brachte Verbesserungen in Geschwindigkeit, Energieeffizienz und Kapazität, was zu kontinuierlichen Leistungssteigerungen in Computersystemen führte. Die Entwicklung von DDR zu DDR5 zeigt einen klaren Trend zu höheren Datenraten, geringerem Stromverbrauch und verbesserter Leistung pro Takt.

Bauformen für DRAM

Die wichtigsten DRAM-Bauformen sind Single Inline Memory Module (SIMM) und Dual Inline Memory Module (DIMM). SIMMs waren in den 1980er bis 1990er Jahren weit verbreitet. Sie hatten 30- oder 72-polige Anschlüsse und unterstützten in der Regel 32-Bit-Datenübertragungsraten. SIMMs gelten heute als veraltet und werden nicht mehr verwendet. DIMMs sind die heute am häufigsten verwendete DRAM-Bauform. Sie haben Pins auf beiden Seiten des Moduls, was zu höheren Datenübertragungsraten führt. Standardmäßige DIMMs haben 168 oder mehr Pins (bis zu 240) und unterstützen 64-Bit-Datenübertragungsraten. Es gibt verschiedene integrierte Schaltkreisarchitekturen für DIMMs, darunter die hier gelisteten:

Unbuffered DIMM (UDIMM)

UDIMMs werden hauptsächlich in Desktop-PCs und Laptops eingesetzt. Sie sind kostengünstiger und schneller als andere DIMM-Typen, aber weniger stabil. Diese DIMM arbeitet ohne Zwischenspeicher und Fehlerkorrektur.

Registered DIMM (RDIMM)

RDIMMs finden vorwiegend in Servern Verwendung. Sie bieten höhere Stabilität und entlasten den Memory-Controller der CPU. Die Adressleitung wird vom Register übernommen. Darüber hinaus verfügt es über eine Fehlerkorrektur (ECC), die Bitfehler im laufenden Betrieb erkennt und ausbessert, ohne Datenverlust oder Komponentenausfall.

Fully Buffered DIMM (FB-DIMM)

FB-DIMMs werden in größeren Speichersystemen eingesetzt. Sie zeichnen sich durch verbesserte Fehlererkennung und Signalintegrität aus. Hier sitzt ein Buffer zwischen Speicherchip und Rechner. Dieser Buffer stellt die Verbindung zum Memory-Controller her. Bei diesen DIMMs kommen mehrere Technologien zum Einsatz, die die Verfügbarkeit und die Integrität der Daten verbessern, unter anderem durch Silent Data Corruption Failure in Time, ECC, CRC und Path-trough-path-Logik.

Small Outline DIMM (SODIMM)

SODIMMs sind kompakte Versionen von DIMMs, die hauptsächlich in Laptops und anderen Geräten mit begrenztem Platz verwendet werden. Sie gewährleisten hohe Energieeffizienz und eine flache Bauform. Sie kommen häufig als Erweiterung für den RAM und zur Optimierung der Systemleistung zum Einsatz.

Load Reduced DIMM (LRDIMM)

LRDIMMs sind eine Weiterentwicklung der RDIMMs und werden in Hochleistungsservern eingesetzt, um noch größere Speicherkapazitäten zu ermöglichen.

Die Entwicklung der DRAM-Bauformen hat zu immer höheren Geschwindigkeiten, größeren Kapazitäten und verbesserter Energieeffizienz geführt. Moderne DIMM-Varianten wie DDR4 und DDR5 bieten deutlich höhere Leistung als ihre Vorgänger.

Was sind die Vor- und Nachteile der DRAM-Technologie?

Die DRAM-Technologie bringt nicht nur Vorteile, sondern auch einige Nachteile mit sich. Die wichtigsten Eckpunkte sind nachfolgend aufgeführt.

Vorteile von DRAM

• Hohe Speicherdichte: DRAM ermöglicht die Speicherung großer Datenmengen auf kleinem Raum.
• Kosteneffizienz: Im Vergleich zu anderen Speichertypen wie SRAM ist DRAM deutlich günstiger in der Herstellung.
• Einfache Struktur: DRAM benötigt nur einen Transistor und einen Kondensator pro Speicherzelle, was die Produktion vereinfacht.
• Skalierbarkeit: Die einfache Struktur ermöglicht es, große Speicherkapazitäten zu realisieren.
• Aktualisierbarkeit: Der Arbeitsspeicher kann aufgefrischt und gelöscht werden, während ein Programm läuft.

Nachteile von DRAM

• Volatilität: DRAM verliert gespeicherte Daten bei Stromausfall, was es für langfristige Datenspeicherung ungeeignet macht.
• Regelmäßige Auffrischung: Die Speicherzellen müssen ständig aufgefrischt werden, um Datenverlust zu verhindern.
• Höherer Stromverbrauch: Durch den Auffrischungsprozess verbraucht DRAM mehr Energie als andere Speichertypen, besonders im aktiven Betrieb.
• Langsamere Zugriffszeit: Im Vergleich zu SRAM hat DRAM eine höhere Zugriffszeit und ist somit langsamer.
• Komplexität des Memory-Controllers: Die Notwendigkeit der Auffrischung erhöht die Komplexität des Controller-Designs.

Die Unterschiede von DRAM und SRAM im Überblick

Sowohl DRAM als auch SRAM sind zwei essenzielle Arten an flüchtigem Arbeitsspeicher, die häufig eingesetzt werden. Sie unterscheiden sich in vielen Aspekten, die hier kurz dargelegt werden.

Geschwindigkeit und Zugriffszeit

SRAM ist deutlich schneller als DRAM und hat eine kürzere Zugriffszeit. Dies macht SRAM besonders geeignet für Anwendungen, die hohe Geschwindigkeit erfordern, wie beispielsweise CPU-Caches.

Kosten

DRAM ist kostengünstiger in der Herstellung als SRAM. Dies macht DRAM zur bevorzugten Wahl für den Hauptspeicher in Computern, wo große Kapazitäten benötigt werden.

Speicherdichte

DRAM bietet eine höhere Speicherdichte als SRAM. Dies bedeutet, dass DRAM mehr Daten auf kleinerem Raum speichern kann, was es ideal für den Einsatz als Memory macht.

Stromverbrauch

SRAM verbraucht im Standby-Modus weniger Strom als DRAM, benötigt aber bei hoher Last mehr Energie. DRAM hingegen hat einen relativ konstanten, aber höheren Stromverbrauch aufgrund der notwendigen regelmäßigen Auffrischung der Daten.

Auffrischung

SRAM behält die gespeicherten Daten, solange Strom anliegt, ohne dass eine Auffrischung erforderlich ist. DRAM hingegen muss regelmäßig aufgefrischt werden, um die gespeicherten Informationen zu erhalten.

Anwendungsbereiche

SRAM wird hauptsächlich in CPU-Caches (L1, L2, L3) verwendet, wo Geschwindigkeit entscheidend ist. DRAM findet Anwendung als Hauptspeicher in Computern, wo große Kapazitäten zu einem vernünftigen Preis benötigt werden.

Speicherkapazität

DRAM-Module sind in deutlich größeren Kapazitäten verfügbar, typischerweise im Gigabyte-Bereich, während SRAM-Module meist im Kilobyte- bis Megabyte-Bereich liegen.

Trotz der Vorteile von SRAM in Bezug auf Geschwindigkeit bleibt DRAM aufgrund seiner Kosteneffizienz und hohen Speicherdichte die vorherrschende Technologie für den Hauptspeicher in den meisten Computersystemen.

Entwicklungsgeschichte von DRAM

Das erste Mal kam DRAM 1965 in einem Toshiba-Rechner zum Einsatz, der eine Form von DRAM mit bipolaren Speicherzellen nutzte. Im Jahr 1966 entwickelte Dr. Robert Dennard im IBM-Thomas-Watson-Forschungszentrum die DRAM-Zelle, die aus einem Transistor und einem Kondensator bestand, wofür Dennard das US-Patent im Jahr 1968 erhielt. Intel entwickelte dann 1969 eine DRAM-Zelle mit drei Transistoren, was zum ersten kommerziellen DRAM-Produkt in 1970 führte, dem Intel 1103 mit 1024 Speicherzellen. Das Unternehmen Mostek entwickelte dann 1973 einen 4-KB-DRAM, den MK4096, der erstmals Multiplex-Zeilen- und Spaltenadressleitung integrierte. Samsung zog im Jahr 1992 mit einem SDRAM mit 16 Mbit auf den Markt. Der erste DDR-SDRAM mit 2,5 Volt wurde 1998 eingeführt, ihm folgen 2003 DDR2-SDRAM mit 1,8 Volt Betriebsspannung und DDR3-SDRAM in 2007 mit 1,5 Volt. Weitere Generationen des DDR-SDRAM kamen 2014 (DDR4) und 2021 (DDR5) auf den Markt. In den 2000er Jahren fand der RDRAM vor allem in Grafikkarten Verwendung.

Die Branche sieht großes Potenzial in der 3D-SDRAM-Technologie, die bis 2030 Einzug in den Markt halten soll. Ähnlich wie bei 3D-NAND-Flash wird hierbei die planare Architektur durch eine dreidimensionale ersetzt.