Wie ein Personalcomputer funktioniert - Teil 4: der Arbeitsspeicher

Artikel | Veröffentlicht am 02.08.2016
Wie ein Personalcomputer funktioniert - Teil 4: der Arbeitsspeicher

Der PC ist zentrales Arbeitsgerät, und das über sämtliche Branchen und Anwendungen hinweg. Doch wie funktioniert solch ein technisches Wunderwerk und welche Aufgaben übernehmen die eingebauten Komponenten wie Festplatte, Grafikkarte und Arbeitsspeicher? SONA Knowledge Base ist diesen und weiteren Fragen nachgegangen und liefert interessante Antworten rund um den Computer.

Dieser mehrteilige SONA Knowledge Base-Schwerpunkt zeigt mit jedem einzelnen Beitrag, wie die internen Bauteile eines herkömmlichen PCs funktionieren und wie man sich das Zusammenspiel dieser Komponenten vorstellen muss. Hierfür betrachten wir genauer die interagierende Arbeitsweise von Prozessor, Mainboard, Arbeitsspeicher und Co.

Der Arbeitsspeicher, schnelles Zwischenlager und CPU-Datenbeschaffer

Im Gegensatz zu einer Festplatte oder einem SSD-Speicher beherbergt der Arbeitsspeicher oder RAM (= Random Access Memory) die Daten nur temporär. Daher wird dieser Speichertyp auch oft als flüchtiger Speicher bezeichnet. Die Hauptaufgabe des RAM besteht darin, besonders häufig benötigte Daten möglichst schnell bereit zu stellen, und zwar dem Prozessor und in vielen Fällen auch den Grafikchips, die oft direkt in den Prozessor integriert sind. Diese Daten werden für bestimmte Berechnungen oder Bilddaten benötigt, die während des Programmablaufs bereits gestellt werden. Da der Arbeitsspeicher rund 250-mal schneller ist bei den Datentransfers als eine Festplatte und etwa 120.000-mal schneller auf Daten zugreifen kann, landen die Daten grundsätzlich vom RAM im Prozessor.

Statischer und dynamischer Speicher - was taugt wofür

Bei den RAM-Typen unterscheidet man zwischen SRAM und DRAM. Dabei steht SRAM für Static, also statischen Speicher und DRAM für Dynamic RAM, also für dynamischen Arbeitsspeicher. SRAM-Speicher bestehen aus sogenannten Flip-Flop-Speicherzellen und sind sehr schnell. Daher werden SRAM-Komponenten bevorzugt als Cache-Speicher verwendet. Darüber hinaus gibt es beim SRAM keine Refresh-Zyklen, da der anliegende Strom konstant auf demselben Niveau gehalten wird. Der Nachteil des SRAM-Speichers ist seine Größe und die daraus resultierende Siliziumfläche, die vergleichsweise recht teuer ist.

DRAM-Speicherchips hingegen sind deutlich einfacher aufgebaut und benötigen auch viel weniger Platz. SRAM-Komponenten müssen wegen ihres inneren Aufbaus alle 32 bzw. 64 Millisekunden aufgefrischt werden, da sie ansonsten ihren Inhalt verlieren würden, was DRAM-Speicher deutlich langsamer macht. Daher kommt die DRAM-Technik bevorzugt im Arbeitsspeicher zum Einsatz, da deutlich weniger Platz benötigt wird und trotzdem genug Tempo erreicht wird.

DRAM ist nicht gleich DRAM

Sieht man sich die aktuellen RAM-Typen an, fallen diverse Zusatzbezeichnungen wie SDRAM ins Auge. Das "S" steht für "synchronous", was bedeutet, dass sich die DRAM-Taktrate synchron zum Systembus verhält. Eine Weiterentwicklung des SDRAM ist der DDR-SDRAM. Dahinter steckt das Double Data Rate-Verfahren, womit eine Verdopplung der Datentransferraten ermöglicht wurde. Dies wird erreicht, indem Daten beim Anstieg und Abfall einer Taktflanke übertragen werden. Das heißt beispielsweise, dass ein DDR-400-Arbeitsspeicher nominell mit 400 MHz getaktet wird, in Wahrheit aber nur 200 MHz angelegt werden müssen.

Aktuell sind DDR4-Speicherbausteine das Maß der Dinge, die es als DDR4-1600 bis DDR4-3200 zu kaufen gibt. Damit sind Datenübertragungsraten von bis zu 25.6 Gigabit/s pro Speicherkanal möglich. Die Parameter für diese Transferraten lauten: 400 MHz Speichertakt, 1.6 GHz Bustakt, 3.2 GHz effektiver Takt bei einer anliegenden Spannung von 1,2 Volt.

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