RAM (Main Memory, Hauptspeicher, Primärspeicher)

Was ist RAM (Random Access Memory)?

Der Arbeitsspeicher (Random Access Memory, RAM) ist die Hardware in einem Computer, die das Betriebssystem (OS), Softwareprogramme und alle anderen aktuell verwendeten Daten vorübergehend speichert, damit sie dem Prozessor des Geräts schnell zur Verfügung stehen. RAM wird oft auch als Hauptspeicher oder Main Memory eines Computers bezeichnet, im Gegensatz zum Prozessor-Cache oder anderen Memory-Typen.

Der Arbeitsspeicher wird als Teil des Primärspeichers eines Computers betrachtet. Er kann viel schneller gelesen und beschrieben werden als Sekundärspeicher wie Festplattenlaufwerke (HDDs), Solid-State-Laufwerke (SSDs) oder optische Laufwerke. RAM ist jedoch flüchtig; er speichert Daten nur so lange, wie der Computer eingeschaltet ist. Wenn der Strom ausfällt, sind auch die Daten verloren. Wenn der Computer neu gestartet wird, müssen das Betriebssystem und andere Dateien erneut in den Arbeitsspeicher geladen werden, in der Regel von einer Festplatte oder SSD.

Wie funktioniert RAM?

Der Begriff Direct Random Access Memrory (DRAM) oder Random Access Memory (RAM) basiert auf der Tatsache, dass auf jeden Speicherplatz direkt über seine Speicheradresse zugegriffen wird und dass der Zugriff zufällig erfolgt. RAM ist so organisiert und gesteuert, dass Daten direkt an bestimmten Stellen gespeichert und abgerufen werden können. Auf andere Speichertypen – beispielsweise eine Festplatte oder eine CD-ROM – kann ebenfalls direkt und zufällig zugegriffen werden, aber der Begriff Random Access wird für sie nicht verwendet.

Ursprünglich wurde der Begriff RAM verwendet, um reguläres Kern-Memory von Offline-Speicher zu unterscheiden. Als Offline-Speicher bezeichnete man in der Regel Magnetbänder, bei denen der Zugriff auf bestimmte Daten nur durch sequenzielles Auffinden der Adresse, beginnend am Anfang des Bandes, möglich war.

Der Arbeitsspeicher ähnelt in seinem Konzept einer Reihe von Kästchen, die in Spalten und Zeilen angeordnet sind, wobei jedes Kästchen entweder eine 0 oder eine 1 enthält (binär). Jedes Kästchen hat eine eindeutige Adresse, die durch Abzählen der Spalten und Zeilen ermittelt wird. Ein Satz von RAM-Kästen wird als Array bezeichnet, und jeder Kasten wird als Zelle bezeichnet.

Um eine bestimmte Zelle zu finden, sendet der RAM-Controller die Spalten- und Zeilenadresse über eine dünne elektrische Leitung, die in den Chip geätzt ist. Jede Zeile und Spalte in einem RAM-Array hat ihre eigene Adressleitung. Alle Daten, die aus dem Array gelesen werden, werden über eine separate Datenleitung zurückgegeben.

RAM ist physisch klein und wird in Mikrochips gespeichert. Die Mikrochips sind in Speichermodulen zusammengefasst, die in Steckplätze auf der Hauptplatine (Motherboard) eines Computers gesteckt werden. Die Verbindung zwischen den Steckplätzen auf der Hauptplatine und dem Prozessor erfolgt über einen Bus, das heißt eine Reihe elektrischer Leitungen.

Der Arbeitsspeicher speichert generell kleinere Datenmenge als Sekundärspeicher, aber die Kapazitätsgrößen sind in den vergangenen Jahren gewachsen. So fasst typischer Laptop-Computer etwa zwischen 8 und 64 GB RAM, Server-Memory-Module bieten bis zu 512 GB. Allerdings lassen sich diese Module in größeren Systemen zusammenfassen und so können RAM-Kapazitäten im Terabyte-Bereich erreicht werden. Mechanische Festplatten hingegen bieten bis zu 36 TB (Stand Januar 2025, Seagate) an Speicherkapazität, SSDs bis zu 61 TB (Stand 2025, Samsung). Eine Festplatte (HDDs) speichert Daten auf einer magnetisierten Oberfläche, die wie eine Schallplatte aussieht. Alternativ dazu speichert eine SSD die Daten in Speicherchips, die im Gegensatz zu RAM nicht flüchtig sind. Sie benötigen keine konstante Stromversorgung und verlieren keine Daten, wenn der Strom abgeschaltet wird.

Wie viel RAM wird benötigt?

Die meisten PCs bieten die Möglichkeit, RAM-Module bis zu einer bestimmten Grenze hinzuzufügen. Je mehr Arbeitsspeicher in einem Computer vorhanden ist, desto weniger muss der Prozessor Daten von der Festplatte oder dem Solid-State-Laufwerk lesen, was länger dauert als das Lesen von Daten aus dem RAM. RAM-Zugriffszeiten werden in Nanosekunden angegeben, während Speicherzugriffszeiten in Millisekunden angegeben werden.

Der Arbeitsspeicher kann nur eine begrenzte Menge an Daten speichern, weniger als ein Sekundärspeicher wie eine SSD oder HDD. Wenn der Arbeitsspeicher voll ist und zusätzliche Daten benötigt werden, muss das System den Platz im Arbeitsspeicher für die neuen Daten freigeben. Dieser Prozess kann das vorübergehende Verschieben von Daten in den Sekundärspeicher umfassen, oft durch Auslagerung oder Paging von Dateien. Solche Vorgänge können die Leistung erheblich beeinträchtigen. Deshalb ist es wichtig, dass ein System über genügend Arbeitsspeicher verfügt, um seine Arbeitslasten zu bewältigen.

Die benötigte RAM-Menge variiert je nach Anwendungsbereich. Für Videobearbeitung sind mindestens 16 GB RAM empfehlenswert, wobei mehr vorteilhaft ist. Bei der Bildbearbeitung mit Photoshop Creative Cloud auf einem Mac empfiehlt Adobe mindestens 8 GB RAM. Allerdings kann diese Menge bei gleichzeitiger Nutzung mehrerer Anwendungen unzureichend sein und zu Leistungseinbußen führen.

RAM-Empfehlungen nach Anwendungsbereich

Videobearbeitung:

• 16 GB: Ausreichend für 1080p und 4K, ohne Hintergrundaufgaben
• 32 GB: Optimal für 1080p und 4K mit Multitasking
• 64 GB: Empfohlen für 8K-Videobearbeitung

Bildbearbeitung:

• 8 GB: Minimale Anforderung für Photoshop
• 16 GB: Empfohlen für bessere Leistung bei komplexeren Projekten
• 32 GB oder mehr: Ideal für umfangreiche Projekte und Multitasking

Für optimale Leistung sollte die RAM-Menge immer an die spezifischen Anforderungen des Arbeitsablaufs angepasst werden, wobei mehr RAM generell eine flüssigere Nutzung ermöglicht

RAM-Typen

RAM gibt es in zwei Hauptformen:

• Dynamic Random Access Memory (DRAM). DRAM wird normalerweise für den Hauptspeicher eines Computers verwendet. Wie bereits erwähnt, benötigt er ständig Strom, um die gespeicherten Daten vorzuhalten. DRAM ist billiger als SRAM und bietet eine höhere Speicherdichte, erzeugt jedoch mehr Wärme, verbraucht mehr Strom und ist nicht so schnell wie SRAM.
  Jede DRAM-Zelle speichert eine positive oder negative Ladung, die in einem elektrischen Kondensator gehalten wird. Diese Daten müssen alle paar Millisekunden mit einer elektronischen Ladung aufgefrischt werden, um Lecks im Kondensator auszugleichen. Ein Transistor dient als Gate und entscheidet, ob der Wert eines Kondensators gelesen oder geschrieben werden kann.
• Static Random Access Memory (SRAM). Diese Art von RAM wird in der Regel für den Hochgeschwindigkeits-Cache des Systems verwendet, zum Beispiel L1 oder L2. Wie DRAM benötigt auch SRAM eine konstante Stromversorgung, um die Daten zu speichern, muss aber nicht wie DRAM ständig aufgefrischt werden. SRAM ist teurer als DRAM und hat eine geringere Dichte, aber es erzeugt weniger Wärme, verbraucht weniger Strom und bietet eine bessere Leistung.
  Bei SRAM fungiert der Transistor anstelle eines Kondensators, der die Ladung hält, als Schalter, wobei eine Position als 1 und die andere Position als 0 dient. Für statisches RAM sind mehrere Transistoren erforderlich, um ein Datenbit zu speichern, im Gegensatz zu dynamischem RAM, das nur einen Transistor pro Bit benötigt. Aus diesem Grund sind SRAM-Chips viel größer und teurer als eine entsprechende Menge DRAM.

Aufgrund der Unterschiede zwischen SRAM und DRAM wird SRAM hauptsächlich in kleinen Mengen verwendet, vor allem als Cache-Speicher im Prozessor eines Computers.

Zu den weiteren Arten des flüchtigen RAM gehören Synchronous Dynamic RAM (SDRAM) und Pseudo Static RAM (PSiRAM). Darüber hinaus gibt es noch nichtflüchtiges RAM (non-volatile), der die Daten auch bei Verlust der Stromquelle weiterhin speichert. Zu diesem RAM-Typ gehören die Versionen Ferro-Electric RAM (FRAM, FeRAM), Magnetic RAM (MRAM), Phase Change RAM (PRAM, PCRAM) und Resistive RAM (RRAM, ReRAM).

Weitere spezifische RAM-Typen sind:

• FPM-DRAM (Fast Page Mode DRAM)
• SDR-RAM (Single Data Rate RAM)
• DDR-SDRAM (verschiedene Generationen: DDR, DDR2, DDR3, DDR4, DDR5)
• VRAM (Video RAM)
• EDO-RAM (Extended Data Output RAM)
• ECC RAM (Error Correction Code RAM)

Diese Liste ist nicht vollständig, da es noch weitere Varianten und Subtypen gibt. Die Entwicklung neuer RAM-Technologien schreitet stetig voran, um die Leistung und Effizienz von Computersystemen zu verbessern.

Die Evolution des RAM: Von asynchron zu DDR

In den Anfängen der Computertechnologie arbeitete RAM asynchron zum Prozessor, was zu Leistungsengpässen führte. Mit der Einführung von SDRAM in den frühen 1990er Jahren wurde dieses Problem gelöst, indem das Memory mit dem Prozessor synchronisiert wurde.

Um die Jahrtausendwende markierte DDR-SDRAM einen bedeutenden Fortschritt. Diese Technologie verdoppelte den Datendurchsatz, indem sie beide Flanken des Taktsignals nutzte. Seitdem hat sich DDR-SDRAM kontinuierlich weiterentwickelt:

• DDR: Eingeführt um 2000, nutzte beide Taktflanken.
• DDR2: Verbesserte Leistung bei reduzierter Spannung.
• DDR3: Weitere Spannungsreduktion und erhöhte Datentransferrate.
• DDR4: Nochmals gesteigerte Effizienz und Geschwindigkeit.
• DDR5: Letzte Generation mit verdoppelter Datentransferrate gegenüber DDR4.

Jede neue DDR-Generation brachte höhere Geschwindigkeiten und bessere Energieeffizienz, war jedoch nicht abwärtskompatibel aufgrund unterschiedlicher Verarbeitungsmethoden.

GDDR-SDRAM

Grafik-DDR (GDDR) ist ein spezialisierter SDRAM-Typ, der primär in Grafik- und Videokarten zum Einsatz kommt. Ähnlich wie DDR SDRAM ermöglicht GDDR die Datenübertragung an mehreren Punkten eines CPU-Taktzyklus, ist jedoch auf die spezifischen Anforderungen der Grafikverarbeitung optimiert.

Zu den Eigenschaften von GDDR gehören:

• Höhere Betriebsspannungen im Vergleich zu DDR SDRAM
• Weniger stringentes Timing
• Fokus auf hohe Bandbreite statt niedriger Latenz
• Optimiert für parallele Aufgaben wie 2D- und 3D-Rendering

GDDR bietet die für GPUs erforderlichen höheren Geschwindigkeiten und Speicherbandbreiten, da bei Grafikaufgaben enge Zugriffszeiten weniger kritisch sind als bei allgemeinen Rechenoperationen. Wie DDR hat auch GDDR mehrere Generationen durchlaufen, wobei jede Version Verbesserungen in Leistung und Energieeffizienz brachte:

• GDDR
• GDDR2
• GDDR3
• GDDR4
• GDDR5
• GDDR6

Die aktuellste Generation ist GDDR6X, die nochmals gesteigerte Bandbreiten und Effizienz gegenüber GDDR6 bietet.

GDDR-Speicher wird fest auf Grafikkarten verlötet, was kürzere Signalwege und damit höhere Transferraten ermöglicht. Diese Optimierungen machen GDDR besonders geeignet für die anspruchsvollen Anforderungen moderner Grafiksysteme, einschließlich hochauflösender Texturen und komplexer 3D-Renderings.

RAM und virtuelles Memory im Vergleich

Der virtuelle Speicher ist eine gute Lösung für Speicherbeschränkungen moderner Computersysteme. Wenn der Hauptspeicher (RAM) knapp wird, nutzen Betriebssysteme eine Technik, die es ermöglicht, den verfügbaren Speicherplatz zu erweitern. Dabei werden Daten temporär zwischen dem schnellen RAM und dem langsameren Sekundärspeicher (in der Regel die Festplatte oder SSD) ausgetauscht.

Das Prinzip ist einfach: Aktive Programmdaten verbleiben im RAM, während weniger genutzte Informationen in den Sekundärspeicher ausgelagert werden. Dadurch entsteht ein virtueller Adressraum, der deutlich größer ist als der physisch vorhandene Arbeitsspeicher. Programme können so arbeiten, als hätten sie unbegrenzten Speicher zur Verfügung, ohne dass tatsächlich zusätzlicher RAM eingebaut werden muss. Dies wird als virtuelles Memory bezeichnet.

Der Prozess funktioniert über eine komplexe Adressumwandlung: Programmanweisungen werden zunächst in virtuellen Adressen gespeichert und bei der Ausführung in reale Speicheradressen übersetzt. Dies ermöglicht Systemen, größere Programme oder mehrere Anwendungen gleichzeitig zu laden und zu verarbeiten.

Der Nachteil dieser Methode liegt in der Geschwindigkeit. Da ständig Daten zwischen RAM und Sekundärspeicher verschoben werden müssen, kann dies die Systemleistung verlangsamen. Programme, die direkt aus dem RAM arbeiten, sind in der Regel deutlich schneller.

Trotz dieser Einschränkung ist virtueller Speicher eine unverzichtbare Technologie moderner Betriebssysteme, die Nutzern mehr Flexibilität und Leistung bei begrenzten Hardware-Ressourcen bietet.

RAM und Flash-Memory: Zwei komplementäre Speichertechnologien

Obwohl RAM und Flash-basiertes Memory beide auf Halbleitertechnologie basieren, erfüllen sie in Computersystemen unterschiedliche Funktionen. Flash-Arbeitsspeicher dient primär der Datenspeicherung, während RAM als schneller Arbeitsspeicher fungiert. Der Prozessor greift über den Cache auf Daten im RAM zu, was deutlich schneller ist als der direkte Zugriff auf Flash-Speicher.

Ein entscheidender Unterschied liegt in der Datenlöschung: Flash-Speicher erfordert blockweises Löschen, RAM hingegen ermöglicht Bit-genaues Löschen. Dies macht RAM schneller, aber auch teurer. Flash-Speicher bietet den Vorteil der Nichtflüchtigkeit, behält also Daten auch ohne Stromversorgung, was beim RAM nicht der Fall ist.

Trotz seiner geringeren Geschwindigkeit ist NAND Flash-Memory aufgrund des günstigeren Preises und der Datenpersistenz eine wichtige Ergänzung zum schnellen, aber flüchtigen RAM in modernen Computersystemen.

RAM und ROM im Vergleich

RAM und ROM sind zwei grundlegende Speichertypen in Computersystemen, die sich in ihren Funktionen und Eigenschaften deutlich unterscheiden.

ROM (Read-Only Memory) ist ein nichtflüchtiger Speicher, der Daten dauerhaft speichert. Seine Hauptmerkmale sind:

• Enthält vorprogrammierte Daten, die nur gelesen werden können
• Behält Informationen auch ohne Stromversorgung
• Wird oft für den Startup-Code des Computers verwendet
• Hat eine begrenzte Kapazität von wenigen Megabytes
• Daten können nach der Erstprogrammierung in der Regel nicht geändert werden

Im Gegensatz dazu ist RAM (Random Access Memory) ein flüchtiger Arbeitsspeicher mit folgenden Eigenschaften:

• Ermöglicht schnelles Lesen und Schreiben von Daten
• Verliert alle gespeicherten Informationen beim Ausschalten des Computers
• Dient als temporärer Speicher für laufende Programme und Prozesse
• Bietet deutlich größere Kapazitäten, typischerweise mehrere Gigabyte
• Inhalte können jederzeit geändert und überschrieben werden

Während ROM für die permanente Speicherung kritischer Systeminformationen genutzt wird, dient RAM als dynamischer Arbeitsspeicher für die aktuelle Datenverarbeitung des Computers.

Weitere RAM-Optionen

Resistive RAM (RRAM oder ReRAM) ist eine vielversprechende nichtflüchtige Speichertechnologie, die auf der Veränderung des Widerstands in einem speziellen dielektrischen Material basiert. ReRAM-Bauteile enthalten einen Memristor, dessen Widerstand sich bei Anlegen unterschiedlicher Spannungen ändert.

ReRAM funktioniert durch die Erzeugung von Sauerstofflücken in einer Oxidmaterialschicht. Diese Leerstellen repräsentieren binäre Werte, ähnlich wie Elektronen und Löcher in Halbleitern. Im Vergleich zu NAND-Flash bietet ReRAM höhere Schaltgeschwindigkeiten, potenziell höhere Speicherdichten und geringeren Stromverbrauch. Diese Eigenschaften machen ReRAM besonders attraktiv für Anwendungen in Sensoren für Industrie, Automobilbranche und das Internet der Dinge (IoT).

Trotz jahrelanger Entwicklungsherausforderungen haben Hersteller stetige Fortschritte gemacht, und einige Anbieter produzieren bereits ReRAM-Geräte. Die Technologie zeigt Potenzial als Alternative zu NAND Flash, insbesondere in Cloud- und Rechenzentrumsumgebungen, wo Leistung und Energieeffizienz kritisch sind.

Die Speicherindustrie setzte zeitweise große Hoffnungen in Storage Class Memory (SCM) wie 3D XPoint. Diese Technologie, die eine transistorlose Kreuzpunkt-Architektur verwendet, versprach Geschwindigkeiten zwischen DRAM und NAND bei nichtflüchtiger Speicherung. Intel's Optane-Produktlinie war das bekannteste Ergebnis dieser Bemühungen, positioniert zwischen DRAM und NAND-Flash in Bezug auf Leistung und Preis.

Allerdings hat sich Optane trotz seiner vielversprechenden Eigenschaften am Markt nicht durchgesetzt. Intel hat die Entwicklung der Optane-Technologie eingestellt, was die Zukunft von SCM-Technologien ungewiss erscheinen lässt. Dennoch bleibt ReRAM ein vielversprechender Kandidat für zukünftige Memory-Lösungen, insbesondere in spezialisierten Anwendungsbereichen, die von seiner einzigartigen Kombination aus Geschwindigkeit, Energieeffizienz und Nichtflüchtigkeit profitieren können.

Höhere Leistung mit LPDDR5

Im Februar 2019 veröffentlichte die JEDEC Solid State Technology Association den Standard JESD209-5, Low Power Double Data Rate 5 (LPDDR5). LPDDR5-Memory verspricht Datenraten von bis zu 6400 Megatransfers pro Sekunde (MT/s), 50 Prozent mehr als die erste Version von LPDDR4, die mit 3200 MT/s getaktet war.

Im Juli 2019 begann Samsung Electronics mit der Massenproduktion des branchenweit ersten mobilen 12-Gbit-LPDDR5-DRAM. Laut Samsung wurde der DRAM für die Unterstützung von 5G- und KI-Funktionen in zukünftigen Smartphones optimiert. Seitdem haben eine Reihe anderer Hersteller LPDDR5-Speicher mit Kapazitäten von bis zu 64 GB auf den Markt gebracht.

LPDDR5 verspricht eine deutliche Steigerung der Speichergeschwindigkeit und -effizienz für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter mobile Computergeräte wie Smartphones, Tablets und ultradünne Notebooks sowie High-End-Laptops wie das MacBook Pro.

Kosten für RAM

Der DRAM-Markt erlebte 2023 eine bemerkenswerte Entwicklung. Zu Beginn des Jahres fielen die Preise aufgrund eines Überangebots, das teilweise durch eine gedämpfte Nachfrage verursacht wurde. Als Reaktion darauf reduzierten die Hersteller ihre Produktion, was in der zweiten Jahreshälfte zu einem Preisanstieg führte.

Laut TrendForce lag der durchschnittliche Vertragspreis für ein 8-GB-DDR5-Speichermodul Ende November 2023 bei 17,50 US-Dollar, was einem monatlichen Anstieg von 2,94 Prozent entsprach. Dieser Trend setzte sich fort, und bis Februar 2024 stiegen die Preise für DDR5-Module weiter an.

Für 2024 prognostizierten Analysten eine mögliche Fortsetzung des Preisanstiegs, abhängig von Faktoren wie Produktionskapazitäten, Lagerbeständen und Nachfrage. Insbesondere die wachsende Nachfrage nach High-Performance Computing (HPC) und KI-Anwendungen könnte den DRAM-Markt zusätzlich beeinflussen.

Trotz dieser Prognosen bleibt der DRAM-Markt volatil. Faktoren wie geopolitische Spannungen, technologische Fortschritte und Veränderungen in der Verbrauchernachfrage können schnell zu Preisschwankungen führen. Unternehmen und Verbraucher sollten daher die Marktentwicklungen aufmerksam verfolgen und ihre Einkaufsstrategien entsprechend anpassen.