DRAM (Dynamic Random Access Memory)

Wie funktioniert DRAM?

Memory besteht aus Datenbits oder Programmcode, die in einem zweidimensionalen Gitter angeordnet sind. DRAM speichert Datenbits in einer so genannten Speicherzelle, die aus einem Kondensator und einem Transistor besteht. Die Speicherzellen sind normalerweise in einer rechteckigen Konfiguration angeordnet. Wenn eine Ladung durch eine Spalte geschickt wird, wird der Transistor an dieser Spalte aktiviert. Eine DRAM-Speicherzelle ist dynamisch, das heißt, sie muss alle paar Millisekunden aufgefrischt oder mit einer neuen elektronischen Ladung versehen werden, um Ladungsverluste aus dem Kondensator auszugleichen.

Die Speicherzellen arbeiten mit anderen Stromkreisen zusammen, die zur Identifizierung von Zeilen und Spalten, zur Verfolgung des Auffrischungsprozesses, zur Anweisung an eine Zelle, ob sie eine Ladung annehmen soll oder nicht, und zum Lesen oder Wiederherstellen von Daten aus einer Zelle verwendet werden können.

DRAM ist eine Möglichkeit des Halbleiterspeichers, die ein Systementwickler beim Bau eines Computers verwenden kann. Zu den alternativen Memory-Optionen gehören Static RAM (SRAM), Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM), NOR-Flash und NAND-Flash. Viele Systeme verwenden mehr als einen Memory-Typ.

Arten von DRAM

Es gibt viele Arten von DRAM, die in einem Gerät verwendet werden können. Einige Beispiele sind die folgenden:

• Synchronous DRAM (SDRAM) synchronisiert die Memory-Geschwindigkeit mit dem CPU-Takt, so dass der Memory-Controller den CPU-Takt kennt. Dadurch kann die CPU mehr Befehle auf einmal ausführen.
• Rambus DRAM (RDRAM) wurde in den frühen 2000er Jahren häufiger für Grafikkarten verwendet.
• Double Data Rate SDRAM (DDR SDRAM) verdoppelt nahezu die Bandbreite der Datenrate von SDRAM durch die Verwendung von Double Pinning. Dieses Verfahren ermöglicht die Übertragung von Daten bei steigender (von 0 auf 1) und fallender Flanke (von 1 auf 0) eines Taktsignals. Dieser Typ wurde im Laufe der Zeit in verschiedenen Versionen angeboten, darunter DDR2 SDRAM, DDR3 SDRAM und DDR4 SDRAM.
• Fast Page Mode DRAM (FPM DRAM) bietet eine höhere Leistung als andere DRAM-Typen, da es sich auf einen schnellen Seitenzugriff konzentriert.
• Extended Data Out DRAM (EDO DRAM) verbessert die Zeit zum Lesen aus dem Memory von Mikroprozessoren wie dem Intel Pentium.

DRAM-Bauformen

Es gibt zwei Haupttypen von DRAM-Bauformen: Single Inline Memory Module (SIMM) und Dual Inline Memory Module (DIMM). Die SIMM-Bauform gilt heute als veraltet und wurde in den 1980er bis 1990er Jahren verwendet. SIMMs gab es in 30- und 72-poligen Sets und hatten in der Regel 32-Bit-Datenübertragungsraten. DIMMs hingegen werden heute häufig verwendet und sind dual inline, das heißt, sie haben Pins auf beiden Seiten des Chips. DIMMS haben in der Regel 168-polige Anschlüsse - oder mehr - und unterstützen eine Datenübertragungsrate von 64 Bit. DDR DIMMs haben 184 Pins und DDR2/DDR3 DIMMs verfügen über 240 Pins.

Die DRAM-Bauformen für DIMMs werden als verschiedene integrierte Schaltkreisarchitekturen festgelegt. Dazu gehören unter anderem die folgenden:

• Unbuffered DIMMs (UDIMMs) werden in der Regel in Desktops und Laptops verwendet. Sie kosten weniger und laufen schneller, sind aber weniger stabil.
• Registered DIMMs (RDIMMs) werden üblicherweise in Servern verwendet. Sie sind stabiler und entlasten den Memory-Controller der CPU.
• Fully Buffered DIMMs (FB-DIMMs) werden in größeren Memory-Systemen verwendet. Sie sind zuverlässiger, da sie die Methoden zur Fehlererkennung verbessern und die Signalintegrität aufrechterhalten können.

Vorteile

Zu den wichtigsten Vorteilen von DRAM gehören die folgenden:

• Der Aufbau ist einfach, da nur ein Transistor benötigt wird.
• Die Kosten sind im Vergleich zu alternativen Memory-Typen wie SRAM niedrig.
• Er bietet eine höhere Speicherdichte.
• Mit DRAM können mehr Daten gespeichert werden.
• Der Arbeitsspeicher kann aufgefrischt und gelöscht werden, während ein Programm läuft.

Nachteile

Zu den wichtigsten Nachteilen von DRAM gehören die folgenden:

• Der Speicher ist flüchtig (volatile).
• Der Stromverbrauch ist im Vergleich zu anderen Optionen hoch.
• Die Herstellung ist komplex.
• Die Daten in den Speicherzellen müssen aufgefrischt werden.
• Er ist langsamer als SRAM.

DRAM vs. SRAM

DRAM ist ein Nachfolger von SRAM. Die Speicherentwickler reduzierten die Anzahl der Elemente pro Bit und eliminierten differentielle Bitleitungen, um Chipfläche zu sparen und DRAM zu entwickeln. Infolgedessen ist DRAM in der Herstellung kostengünstiger als SRAM.

SRAM hat jedoch einige Vorteile gegenüber DRAM. SRAM muss nicht aufgefrischt werden, da es nach dem Prinzip des Umschaltens des Stromflusses in eine von zwei Richtungen arbeitet, anstatt eine Ladung in einer Speicherzelle zu halten. SRAM wird im Allgemeinen als Cache-Speicher verwendet, auf den schneller zugegriffen werden kann als auf DRAM.

SRAM ist in der Lage, Daten auf Byte-Ebene zu lesen und zu schreiben, und ist dabei schneller als DRAM. DRAM schreibt Daten auf Byte-Ebene und liest auf Multi-Byte-Seiten-Ebene.

Die Leistungsunterschiede hängen davon ab, ob sich das System im aktiven oder im Ruhemodus befindet. DRAM benötigt im aktiven Zustand weniger Strom als SRAM, aber SRAM verbraucht im Ruhezustand deutlich weniger Strom als DRAM.

Geschichte

Eine der ersten Verwendungen von DRAM war 1965 in einem Toshiba-Rechner - mit einer kapazitiven Form von DRAM, die aus bipolaren Speicherzellen hergestellt wurde. Im selben Jahr entwickelte IBM einen 16-Bit-Silizium-Speicherchip. Zu diesem Zeitpunkt konnte das verwendete bipolare DRAM jedoch nicht mit dem Magnetkernarbeitsspeicher (magnetic-core memory) konkurrieren. Dies galt für DRAM bis zur Erfindung des Metall-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET), der zum Metall-Oxid-Halbleiter-DRAM - oder MOS-DRAM - führte. Das Patent für MOS-DRAM wurde 1968 erteilt. 1969 entwickelte Intel ein DRAM, das eine Zelle mit drei Transistoren verwendete.

Intel verbesserte sein DRAM-Produkt 1970 mit dem Intel 1103, der kommerziell genutzt wurde. Zu dieser Zeit begannen MOS-Speicher im Vergleich zu Magnetkernspeichern eine größere Marktpräsenz zu erlangen.

1973 wurde auch der Mostek MK4096 erfunden, ein 4-KB-DRAM. Dies war der erste DRAM, der Multiplex-Zeilen- und Spaltenadressleitungen enthielt. Der Mostek MK4096 konnte in kleinerer Bauform mit geringer Pinanzahl untergebracht werden, da er die Anzahl der erforderlichen Adressleitungen halbierte.

1992 entwickelte Samsung den SDRAM mit einer Kapazität von 16 Mb.