Dynamisches RAM

DRAM steht für Dynamisches RAM und bezeichnet einen elektronischen Speicherbaustein für Computer, der als integrierter Schaltkreis ausgeführt ist. Sein Inhalt ist flüchtig (volatil), das heißt die gespeicherte Information geht bei Abschalten der Spannungsversorgung verloren.

Inhaltsverzeichnis

1 Aufbau und Funktion

2 Geschichte

3 Anwendung

3.1 Produktgenerationen von DRAMs
3.2 Vergleichstabelle

Aufbau und Funktion

Ein DRAM enthält eine zweidimensionale Matrix aus Speicherzellen, die auf der Oberfläche eines Chips angeordnet und verdrahtet sind. Der Aufbau einer einzelnen DRAM-Speicherzelle ist sehr einfach, sie besteht nur aus einem Kondensator und einem Transistor. Heute benötigt man nur noch einen CMOS-Transistor. Seine geringe Eigenkapazität bildet dabei den Kondensator. Die Information wird als elektrische Ladung im Kondensator gespeichert. Jede Speicherzelle speichert ein Bit. Der Transistor - auch Auswahltransistor genannt - dient als Schalter zum Lesen und Schreiben der Information. Jeweils mehrere tausend Speicherzellen sind in einer Matrixanordnung verschaltet: 'Wordlines' verbinden alle Steuerelektroden der Auswahltransistoren in einer Zeile, 'Bitlines' verbinden alle Source-Gebiete der Auswahltransistoren eine Spalte. Am Rande der Matrix sind die Bitlines mit Schreib/Lese-Verstärkern verbunden, während die Wordlines mit Adressdecodierschaltungen verbunden sind. Auf einem Speicher-Chip sind eine Vielzahl von diesen Speichermatrizen zu einem zusammenhängenden Speicherbereich verschaltet.

Durch ihren sehr einfachen Aufbau brauchen die Speicherzellen nur sehr wenig Chipfläche. In Zahlen wird die konstruktionsbedingte Größe einer Speicherzelle als das Vielfache der kleinsten fertigbaren Struktur (minimum Featuresize oder 'F') angegeben: eine DRAM Zelle benötigt heute das 6-10fache von 'F' im Quadrat (F²), während eine SRAM-Zelle das mehr als hundert F² benötigt. Daher kann ein DRAM bei gegebener Chipgröße eine wesentlich grössere Zahl von Bits speichern. Daraus resultieren weitaus niedrigere Herstellungskosten pro Bit als beim SRAM. Unter den heute üblichen elektronischen Speicherarten hat nur der NAND-Flash eine kleinere Speicherzelle mit ungefähr dem 4,5F² (bzw 2,2 F² pro Bit für Multilevel-Cells).

Diesem Vorteil des DRAM gegenüber dem SRAM steht der Nachteil gegenüber, dass sich die im Kondensator gespeicherte Ladung und damit die gespeicherte Information aufgrund von Leckströmen mit der Zeit verflüchtigt, wenn sie nicht periodisch wieder aufgefrischt wird. Dies ist normalerweise in Abständen von einigen Millisekunden erforderlich. Das Auffrischen des Speichers wird zeilenweise bewerkstelligt. Dazu wird jeweils eine Speicherzeile in einem Schritt in einen auf dem Chip befindlichen Zeilenpuffer übertragen und von dort verstärkt wieder zurück in die Speicherzeile geschrieben. Daher rührt die Bezeichnung "dynamisch". Bei statischen Speichern wie dem SRAM kann man demgegenüber alle Signale anhalten, ohne dass Datenverlust eintritt. Das Auffrischen des DRAMs verbraucht außerdem auch im Ruhezustand eine gewisse Menge von Energie. Deshalb bevorzugt man in Anwendungen, bei denen es auf geringen Ruhestrom ankommt, das SRAM.

Geschichte

Der erste kommerziell erhältliche DRAM-Chip war der Typ 1103, von Intel 1970 vorgestellt. Er enthielt 1024 Speicherzellen (1KBit). Das Prinzip der DRAM-Speicherzelle wurde 1966 von Robert H. Dennard am Thomas J. Watson Research Center von IBM entwickelt.

Seither wurde die Kapazität eines DRAM-Chips um den Faktor 1 Million gesteigert und die Zugriffszeit auf ein Zehntel verkürzt. Heute (2004) besitzen DRAM-Chips Kapazitäten von bis zu 1GBit und Zugriffszeiten von 25ns. Die Produktion von DRAM-Speicherchips gehört zu den umsatzstärksten Segmenten der Halbleiterindustrie. Mit den Produkten wird spekuliert, es existiert ein Spotmarkt.

Anwendung

Normalerweise wird das DRAM in Form von Speichermodulen als Arbeitsspeicher des Prozessors benutzt. Spezieller RAM (meist deutlich schneller) wird jedoch auch als Bild- und Texturspeicher für Grafikkarten eingesetzt, zum Beispiel GDDR3 (Graphics Double Date Rate SDRAM).

DRAMs werden häufig nach der Art des Baustein-Interface eingeteilt. In den Hauptanwendungen haben sich in zeitlicher Reihenfolge die Interfacetypen 'Fast Page Mode DRAM' (FPM), 'Extended Data Output RAM' (EDO), 'Synchronous DRAM'( SDR), 'Double-Data-Rate-Synchronous DRAM' (DDR) entwickelt. Die Eigenschaften dieser DRAM Typen sind durch das 'JEDEC'-Consortium genormt. Daneben existiert parallel zu SDR/DDR das 'Rambus-DRAM' Interface, das hauptsächlich bei Speicher für Server eingesetzt wird.

Für spezielle Anwendungen wurden weitere Typen entwickelt: der Graphics-DRAM (auch Synchronous Graphics RAM - SGRAM) ist z.B. durch höhere Datenbreiten für den Einsatz auf Grafikkarten optimiert, wobei jedoch auf die prinzipielle Funktionsweise z.B. eines DDR-DRAMs zurückgegriffen wird. Die Vorläufer des Graphics-RAM waren der Video-RAM (VRAM) - ein auf Grafikanwendungen optimierter Fast Page Mode RAM mit zwei Ports statt einem - und danach der Window RAM (WRAM), der EDO-Features und einen dedizierten Display-Port aufzuweisen hatte.

Für die Anwendung in Netzwerkkomponenten optimierte DRAM-Typen haben von verschiedenen Herstellern die Namen 'Network-RAM', Fast-Cycle-RAM' und 'Reduced Latency RAM' erhalten. In mobilen Applikationen, wie Mobiltelefonen oder PDAs ist ein geringer Energieverbrauch wichtig - hierfür werden 'mobile DRAMs' entwickelt, bei denen durch besondere Schaltungstechnik und Herstellungstechnologie die Stromaufnahme abgesenkt wird. Eine Zwitterrolle nimmt der 'Pseudo-SRAM' (bei anderen Herstellern auch 'cellular RAM' oder '1T-SRAM' = 1-Tranistor-SRAM') ein: der Speicher selbst ist ein DRAM, der sich nach außen wie ein SRAM verhält. Das wird erreicht, indem eine logische Schaltung den SRAM-typischen Zugriffsmechanismus auf die DRAM-Steuerung umsetzt und die bei dynamischen Speichern grundsätzlich notwendige regelmäßige Auffrischung der Speicherinhalte ('refresh') durch im Baustein enthaltene Schaltungen vorgenommen wird.

Produktgenerationen von DRAMs

Art	Jahr der Einführung
FPM DRAM / Fast Page Mode DRAM	1987
EDO RAM / Extended Data Output RAM	1995
SDRAM / Synchronous Dynamic Random Access Memory	1997
RDRAM / Rambus Dynamic Random Access Memory	1999
DDR-SDRAM / Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory	2000
DDR-2-SDRAM	2004

Vergleichstabelle

DDR-SDRAM

FSB	Busbreite	Bezeichnung	Bandbreite	Rechnung
133 MHz	64 Bit	PC2100	2,1 GB/s	(133.000.000 x 64 x 2)
166 MHz	64 Bit	PC2700	2,7 GB/s
200 MHz	64 Bit	PC3200	3,2 GB/s

Wenn das Speicherinterface nun Dualchannel ist, kann es zweimal soviel Bandbreite erreichen. Z.B. AMD's Prozessor Athlon64-FX besitzt ein Dualchannel-Memory-Interface, Athlon64 im Sockel 754 verfügt über ein Singlechannel-Memory-Interface

Dual-DDR-SDRAM

FSB	Busbreite	Bezeichnung	Bandbreite	Rechnung
133 MHz	64 Bit	PC2100	4,2 GB/s	(133.000.000 x 64 x 2 x 2)
166 MHz	64 Bit	PC2700	5,4 GB/s
200 MHz	64 Bit	PC3200	6,4 GB/s

DDR2-SDRAM

FSB	Busbreite	Bezeichnung	Bandbreite	Rechnung
100 MHz	64 Bit	PC2-3200	3,2 GB/s
133 MHz	64 Bit	PC2-4200	4,2 GB/s
166 MHz	64 Bit	PC2-5300	5,3 GB/s

RDRAM

FSB	Busbreite	Bezeichnung	Bandbreite
400 MHz	16 Bit	PC800	1,6 GB/s
533 MHz	16 Bit	PC1066	2,1 GB/s
600 MHz	16 Bit	PC1200	2,4 GB/s

Dual-RDRAM

FSB	Busbreite	Bezeichnung	Bandbreite
400 MHz	16 Bit	PC800	3,2 GB/s
533 MHz	16 Bit	PC1066	4,2 GB/s
600 MHz	16 Bit	PC1200	5.0 GB/s

Kategorie:Elektronik Kategorie:Speichermedium