Moderne Computer verarbeiten Daten innerhalb von Nanosekunden. Das Hauptproblem ist dabei, eine ausreichende Menge an Daten zur Verfügung zu stellen, um die Recheneinheiten des Prozessors zu versorgen.

Der ideale Speicher ist

• sehr groß
• sehr schnell
• nichtflüchtig

und

• preiswert.

Da dies unerreichbar ist, benutzt man eine Speicherhierarchie, die große, nichtflüchtige, billige, aber langsame Speicher mit schnellen, dafür jedoch kleinen kombiniert.

Ein typisches Computersystem hat heute (2004)

• Recheneinheit (1-2 Prozessoren, flüchtig, Nanosekunden)
• Register (ca. 4 bis 128, 32-64 Bit, flüchtig, Nanosekunden)
• Cache (32 Kilobyte bis wenige Megabyte, flüchtig, ungefähr 10 Nanosekunden)
• Arbeitsspeicher (512 Megabyte bis 4 Gigabyte, flüchtig, ungefähr 100 Nanosekunden)
• Festplattenspeicher (80 Gigabyte bis 1 Terabyte, nichtflüchtig, wenige Millisekunden)
• Bandlaufwerke (Bänder mit bis zu mehreren Terabyte, nichtflüchtig, Minuten)

Bei PCs wird häufig auf Bandlaufwerke verzichtet.

Die ersten Computer hatten keinen Arbeitsspeicher, ca. einige Register, die mit derselben Technik wie das Rechenwerk aufgebaut wurden, also Röhren oder Relais. Programme wurden auf gänzlich anderen Medien gespeichert.

Später wurden Magnetkernspeicher eingeführt, die die Information in Form von kleinen Ferritkernen speicherten. Diese waren in einer kreuzförmigen Matrix aufgefädelt, wobei je eine Adressleitung und eine Wortleitung sich in der Mitte eines Ferritkerns kreuzten. Der Speicher war nichtflüchtig, die Information ging jedoch beim Lesen verloren, wurde jedoch von der Ansteuerungslogik sofort wieder zurückgeschrieben. Daneben wird kein Strom verbraucht, solange der Speicher nicht beschrieben oder gelesen wird. Für heutige Verhältnisse ist er sehr groß und in der Herstellung auch sehr teuer. Ein typischer Großcomputer wie die Telefunken TR440 konnte Ende der 1970er Jahre Kernspeicher mit 192 Tausend Worten à 48 Bit, also über 1 MByte haben.

Der Kernspeicher war groß genug, das aktuell auszuführende Programm zunächst von einem externen Medium in den Arbeitsspeicher zu laden und alle Daten zu halten. Programme und Daten liegen in diesem Modell aus Sicht des Prozessors in dem selben Speicher, die heute am weitesten verbreitete Von-Neumann-Architektur wurde eingeführt.

Mit Einführung der Mikroelektronik wurde der Arbeitsspeicher zunehmend durch in integrierte Schaltungen (Chips) ersetzt. Zunächst als Flipflop, das mindestens zwei, mit Ansteuerlogik aber bis zu sechs Transistoren benötigt und relativ viel Chipfläche verbraucht. Solche Speicher ziehen stets Strom. Typische Größen waren integrierte Schaltungen (IC) mit 1 Kibibit, wobei jeweils acht ICs gemeinsam adressiert wurden. Die Zugriffszeiten lagen bei einigen 100 Nanosekunden und waren schneller als die Prozessoren, die um ein Megahertz getaktet waren. Dies ermöglichte zu dem einen die Einführung von Prozessoren mit sehr wenigen Registern wie dem MOS Technologies 6502 oder dem Texas Instruments TMS 9000, die ihre Berechnungen größtenteils in dem Arbeitsspeicher durchführten. Zu dem anderen ermöglichte es den Bau von Heimcomputern, deren Videologik einen Teil des Arbeitsspeichers als Bildschirmspeicher benutzte und parallel zu dem Prozessor darauf zugreifen konnte.

Ende der 1970er wurden dynamische Arbeitsspeicher entwickelt, die die Information in einem Kondensator speichern und ca. noch einen zusätzlichen Feldeffekttransistor pro Speicherbit benötigen. Sie können sehr klein aufgebaut werden und benötigen sehr wenig Leistung. Der Kondensator verliert die Information allerdings langsam, die Information muss daher alle paar Millisekunden neu geschrieben werden. Dies geschieht durch eine externe Logik, die den Speicher periodisch ausliest und neu zurückschreibt (Refresh). Durch die höhere Integration in den 1980er Jahren kann diese Refreshlogik preiswert aufgebaut werden. Typische Größen in den 1980ern waren 64 Kibibit pro IC, wobei jeweils acht Chips gemeinsam adressiert wurden.

Die Zugriffszeiten der dynamischen RAMs liegen bei preiswertem Aufbau ebenfalls bei einigen 100 Nanosekunden und haben sich seitdem ca. wenig verändert, die Größen sind jedoch auf mehrere Mebibit pro Chip gewachsen. Die Prozessoren werden heute nicht mehr in dem Megahertz, sondern in dem Gigahertz-Bereich getaktet, dadurch sind Maßnahmen erforderlich, die durchschnittliche Zugriffszeit pro Bit zu verkürzen.

Zunächst wird ein Cache, also ein kleiner, sehr schneller, aber relativ teurer Zwischenspeicher zwischen Prozessor und Arbeitsspeicher geschaltet, der einen kleinen Teil des Arbeitsspeichers enthält und auf den innerhalb weniger Nanosekunden zugegriffen werden kann. Ab und zu werden sogar mehrere, verschieden schnelle und große Cachespeicher hierarchisch benutzt.

Dieser Cache ist als Assoziativspeicher ausgeführt, kann also entscheiden, ob die Daten einer Adresse schon in dem Cache gespeichert sind oder noch vom Arbeitsspeicher geholt werden müssen. Dann wird ein anderer Teil des Caches aufgegeben. Der Cache wird dabei immer mit mehreren aufeinander folgenden Worten gefüllt, beispielsweise immer mit mindestens 256 Bits (so genannte Burst-Zugriffe)

Der Bus vom Cache zu dem Arbeitsspeicher wird schnell ausgeführt, also mit hoher Taktrate und Datenübertragung bei steigender und fallender Taktflanke (DDR: Double Data Rate). Er ist jetzt synchron und mit großer Wortbreite, z. B. 64 Bit/Adresse. Werden mehrere Speichersteckplätze auf der Hauptplatine eines PCs eingesetzt, so werden aufeinander folgende Adressen in verschiedenen Steckplätzen gespeichert. Dies ermöglicht überlappenden Zugriff (Interleaved) bei Burst-Zugriffen.

Innerhalb der Speicherchips werden ganze Adresszeilen in Schieberegistern gespeichert. Ein 1 Mebibit-Chip kann zu dem Beispiel 1024 Zeilen mit 1024 Bits haben. Beim ersten Zugriff wird ein schnelles, internes 1024-Bit Register mit den Daten einer Zeile gefüllt. Bei Burst-Zugriffen sind die Daten der folgenden Adressen dann bereits in dem Schieberegister und können mit sehr kleiner Zugriffszeit von diesem gelesen werden (EDO: Extended Data Out).

Durch diese Maßnahmen ist es möglich, die mittlere Zugriffszeit pro Bit drastisch auf unter eine Nanosekunde zu verringern, obwohl der Zugriff auf ein bestimmtes Bit in dem Speicher stets noch mehrere 100 Nanosekunden beträgt.

• Ram-Speicher-FAQ Fragen & Antworten (http://www.eastcomp.de/speicherfaq1.htm)Siehe auch: Data Alignment