Halbleiterspeicher / Elektronischer Datenspeicher

Elektronische Datenspeicher fassen Halbleiterbauelemente, vorwiegend Transistoren, zu integrierten Schaltkreisen zusammen, um Daten und Informationen zu speichern. Dazu werden spezielle nicht-leitende Materialien, wie zum Beispiel Silizium, gezielt verunreinigt, um sie unter bestimmten Bedingungen in einen leitenden oder nicht-leitenden Zustand zu versetzen. Die Zustände leitend und nicht-leitend können dabei die beiden binären Zuständen "0" und "1" abbilden. Die beiden Zustände können mit Halbleitern verarbeitet oder gespeichert werden. Das bedeutet, es gibt elektronische Schaltkreise, die der Datenhaltung dienen und Schaltkreise, die deren Inhalt lesen, schreiben und verarbeiten können.

Einteilung der Halbleiterspeicher anhand des Speicherzugriffs

Diese Einteilung der Halbleiterspeicher richtet sich nach der Art des Speicherzugriffs. Bekannt sind Halbleiterspeicher mit seriellem Zugriff. Das heißt, auf den Inhalt des Speichers kann nur nacheinander zugegriffen werden. Unter dieser Art des Speichers fällt auch das Schieberegister.

• Shift Register (Schieberegister)
• SAM - Serial Access Memory (Umlaufspeicher)
• CAM - Content Adressable Memory (Assoziationsspeicher)

Da diese Art der Datenspeicherung und das Auslesen unflexibel ist, werden Direktzugriffsspeicher (ortsadressierter Halbleiterspeicher mit wahlfreiem Zugriff) bevorzugt, bei denen der Prozessor direkten Zugriff auf die einzelnen Speicherzellen hat. Hier sind die Speicherzellen in einer Matrix angeordnet und lassen sich direkt adressieren und ansprechen.
Man unterscheidet dabei zwischen der Inhaltsadressierung und der Ortsadressierung. Die ortsadressierten Halbleiterspeicher sind die am häufigsten verwendeten Halbleiterspeicher. Dazu gehören der Festwertspeicher ROM und der Schreib-Lese-Speicher RAM. Auch die Varianten und Abarten dieser beiden Halbleiterspeicher gehören zu den ortsadressierten Halbleiterspeichern. Das RAM wird als Arbeitsspeicher und das ROM als Festwertspeicher verwendet.

• ROM - Read Only Memory
• RAM - Random Access Memory

Einteilung der Halbleiterspeicher anhand der Datenhaltung

Generell unterscheidet man bei Halbleiterspeichern die unterschiedlichen Arten der Speicherung bzw. Datenhaltung:

• Flüchtiger Halbleiterspeicher, bei dem die Informationen verloren gehen, wenn sie nicht aufgefrischt werden oder wenn die Energieversorgung abgeschaltet wird.
• Permanenter Halbleiterspeicher, bei dem die Informationen einmal gespeichert oder fest verdrahtet und damit unveränderbar sind.
• Semi-permanenter Halbleiterspeicher, bei dem die Informationen permanent und veränderbar gespeichert sind.

Flüchtiger Halbleiterspeicher

Flüchtige Halbleiterspeicher haben den Nachteil, dass sie ihren Speicherinhalt verlieren, sobald die Energieversorgung ausgeschaltet wird. Eine dauerhafte Speicherung ist dann nur mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung möglich. Der Grund, warum sie trotzdem genutzt werden ist, dass sie besonders schnell sind und damit als Arbeitsspeicher geeignet sind.

• RAM - Random Access Memory (Schreib-Lese-Speicher)
• DRAM - Dynamic Random Access Memory
• SRAM - Static Random Access Memory
• PSRAM - Pseudo Static Random Access Memory

Permanenter Halbleiterspeicher oder Festwertspeicher

Permanente Halbleiterspeicher sind digitale Festwertspeicher, die NICHT neu programmiert oder beschrieben werden können. Ihr Speicherinhalt ist dauerhaft unveränderlich. Typischerweise enthalten permanente Halbleiterspeicher Betriebssysteme, Anwendungsprogramme und Firmware an denen während des Betriebs keine Änderungen vorgenommen werden müssen. In der Regel werden ROM- und PROM-Bausteine nicht fest auf die Platinen gelötet, sondern sind durch Sockel austauschbar.

• ROM - Read Only Memory
• PROM - Programmable Read Only Memory

Heute dient Flash-Speicher als ROM- und PROM-Ersatz. Vor allem deshalb, weil sich der Speicherinhalt von Flash jederzeit, auch während des Betriebs, überschreiben lässt und der Speicherinhalt erhalten bleibt.

Semi-permanenter Halbleiterspeicher oder Festwertspeicher

Semi-permanente Halbleiterspeicher sind digitale Festwertspeicher, die wiederholt neu programmiert werden können.

• EPROM - Erasable Programmable Read Only Memory
• EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read Only Memory
• Flash-Memory / Flash-Speicher
• FRAM - Ferroelectric RAM
• MRAM - Magnetoresistive RAM
• PCRAM - Phase Change RAM
• RRAM / ReRAM - Resistive RAM

Heute dient Flash-Speicher als EPROM- und EEPROM-Ersatz. Vor allem deshalb, weil sich der Speicherinhalt von Flash-Speicher jederzeit, auch während des Betriebs, überschreiben lässt.

Der ideale elektronische Speicher

Im wesentlichen gibt es nur 3 Arten von Halbleiterspeicher in der Computertechnik, die relevant sind: SRAM, DRAM und Flash-Speicher. Leider ist keiner davon ideal.

• Static Random Access Memory (SRAM) mit sehr schnellen Lese- und Schreibzeiten. Allerdings braucht SRAM viel Platz, weshalb es nur bis zu einer gewissen Größe sinnvoll nutzbar ist. Außerdem geht der Speicherinhalt verloren, sobald er vom Strom getrennt wird.
• Dynamic Random Access Memory (DRAM) ist etwas langsamer als SRAM, braucht dafür nur sehr wenig Platz. Aber, der Speicherinhalt muss ständig aufgefrischt werden, was viel Energie verschlingt und Zeit braucht. Auch hier geht der Speicherinhalt verloren, wenn er vom Strom getrennt wird.
• Flash-Speicher sind nicht flüchtig und haben Speicherzeiten von mehreren Jahren. Sie sind allerdings langsamer und die Anzahl der Schreib- und Löschzyklen begrenzt, weshalb sie sich als Massenspeicher aber nicht als Arbeitsspeicher eignen.

Schon lange forscht und entwickelt man an Speicher und Speicherkonzepten, die die Funktionalität von DRAM und Flash-Speicher kombinieren. Das würde die Speicherarchitektur vereinfachen und den Energieverbrauch eines Computers enorm verringern.

Elektronische Datenspeicher bzw. Halbleiterspeicher für den Endanwender

Der Endanwender erhält die elektronischen Datenspeicher bzw. Halbleiterspeicher nicht als einzelne Bausteine, sondern als fertiges Produkt. Beispielsweise als Speichermodul für den Arbeitsspeicher. Oder Flash-Speicher in Form von USB-Sticks, Speicherkarten oder SSDs, die neben dem Halbleiterspeicher auch einen Schnittstellen-Controller in einem Gehäuse integriert haben.

• Speichermodul (DIMM)
• USB-Stick
• Speicherkarten
• SSD - Solid State Drive
• Storage Class Memory

Speichermodul (DIMM)

Speichermodule sind austauschbare Komponenten, die PCs mit Arbeitsspeicher ausstatten. Sie bestehen aus Speicherchips auf einer Trägerplatine und werden in speziellen DIMM-Steckplätzen eingesetzt.

• Speichermodule

USB-Stick

Ein USB-Speicherstick ist ein tragbares Speichermedium, das über einen USB-Port an einem Computer angeschlossen wird. Er nutzt Flash-Halbleiterspeicher was hohe eine Speicherkapazität und Zugriffsgeschwindigkeit bietet. USB-Sticks haben Disketten und beschreibbare CDs/DVDs für den Transport und die Archivierung kleiner Datenmengen ersetzt.

• USB-Stick

Speicherkarten

Speicherkarten sind kompakte, tragbare Datenspeicher, die Flash-Memory nutzen und in mobilen Geräten wie Handys und Digitalkameras eingesetzt werden. Die gängigsten Typen sind SD- bzw. MicroSD-Karten und CFexpress. Der Markt für Speicherkarten hat sich durch die Verbreitung von Smartphones stark verändert, wobei viele ältere Formate an Bedeutung verloren haben.

• Speicherkarten

SSD - Solid State Drive

Eine SSD ist ein Massenspeicher ohne bewegliche Teile, der auf Flash-Halbleiterspeicher basiert. Sie bieten hohe Transferraten, kurze Zugriffszeiten und geräuschlosen Betrieb, eignen sich jedoch weniger für die langfristige Datenarchivierung im Vergleich zu klassischen Festplatten.

• SSD - Solid State Drive

SCM - Storage Class Memory

Storage Class Memory (SCM) ist eine Alternative für Flash-Speicher, dass als Massenspeicher eingesetzt wird. SCM oder auch persistentes Memory fügt sich in der Speicher-Architektur zwischen RAM und Massenspeicher ein. Die Idee ist, dass die Daten schneller in den Arbeitsspeicher kommen. Es handelt sich dabei um ein Hybridsystem mit einem Flash-Cache.

• SCM - Storage Class Memory

NVM - Non-Volatile-Memory

Computer, deren Speicher rein auf Flash-Speicher basieren, sind der Traum eines jeden Software-Entwicklers und Anwenders. Der Computer müsste nie mehr beim Starten booten, sondern wäre sofort betriebsbereit. Genauso schnell wäre er auch ausgeschaltet. Und beim nächsten Start wären die gleichen Programme und Dateien geladen, wie vor dem Ausschalten.

Übersicht: Halbleiterspeicher

• ROM - Read Only Memory
• RAM - Random Access Memory
• DRAM - Dynamic RAM
• RAM- und DRAM-Varianten (veraltet)
• SDRAM - Synchronous DRAM
• DDR-SDRAM (DDR1 / DDR2 / DDR3 / DDR4)
• Flash-Memory / Flash-Speicher
• FRAM - Ferroelectric RAM
• MRAM - Magnetoresistive RAM
• PCRAM - Phase Change RAM

Übersicht: Datenspeicher

• Datenspeicher
• Magnetischer Datenspeicher
• Optischer Datenspeicher
• CSD - Computational Storage Devices
• SCM - Storage Class Memory
• PIM - Processing-in-Memory

Weitere verwandte Themen:

• Digitale Signalspeicher (Flip-Flops)
• Speicherarchitektur
• Arbeitsspeicher / Hauptspeicher
• Identifikation von Halbleiterbausteinen
• Maßeinheiten in der IT

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