Arbeitsspeicher / Hauptspeicher

Da der interne Speicher (Register und Cache) des Hauptprozessors (CPU) in der Regel zu klein und der Zugriff auf den Datenspeicher (z. B. Festplatte oder SSD) zu langsam ist, dient der Arbeitsspeicher als Zwischenspeicher für Daten und Programmcode.
Der Arbeitsspeicher oder Hauptspeicher ist ein wichtiger Teil eines Computers und ein wesentlicher Faktor für die Leistungsfähigkeit eines Computersystems, wenn es um die Verarbeitung von großen Datenmengen geht. Hier spielt die Lese- und Schreibgeschwindigkeit und auch die Speicherkapazität ein große Rolle.

• Speicherarchitektur

Manchmal wird für den Arbeitsspeicher die Abkürzung RAM verwendet. Das ist eigentlich die Abkürzung für Random Access Memory. RAM zeichnet sich durch den wahlfreien Zugriff, sowohl lesend, als auch schreibend, aus.

In einem Computer werden als Arbeitsspeicher typischerweise DRAM- bzw. SDRAM-Typen verwendet. Solche Speicherchips befinden sich nicht nur in PCs, Notebooks, Server, Smartphones und Tablets. Auch Smart-TV, Infotainmentsysteme in Autos, Industriesteuerungen, KI-Beschleunigern, Grafikkarten und Einplatinen-Computer verwenden DRAM oder SDRAM als Arbeitsspeicher.

• RAM - Random Access Memory
• DRAM - Dynamic RAM
• SDRAM - Synchronous DRAM

Virtueller Arbeitsspeicher

Prinzipiell ist der physikalische Arbeitsspeicher auf die Größe des eingebauten Arbeitsspeichers begrenzt. Doch Computersysteme mit Datenspeicher oder Massenspeicher können ihren Arbeitsspeicher virtuell vergrößern. Dazu bekommen die Anwendungen vom Betriebssystem nicht den physischen Speicher, sondern nur einen eigenen virtuellen Adressraum zugewiesen. Wenn alle laufenden Anwendungen mehr Arbeitsspeicher brauchen, als tatsächlich vorhanden ist, lagert das Betriebssystem die Daten auf ein Festplatte oder SSD aus. Das bedeutet aber auch, dass das Gesamtsystem langsamer wird. Denn Zugriffe auf den virtuellen Arbeitsspeicher auf einer Festplatte oder SSD benötigen mehr Zeit, als Zugriffe auf den tatsächlich physikalisch vorhandenen Arbeitsspeicher.
Der virtuelle Arbeitsspeicher wird je nach Betriebssystem als Auslagerungsdatei, SWAP-Datei oder SWAP-Partition bezeichnet.

Arbeitsspeicher in Servern

Bei Servern kommt häufig ein spezieller Arbeitsspeicher mit Registered-ECC zum Einsatz. Dieser Speicher besitzt zusätzliche Speicherchips zur Fehlerkorrektur (Error Correction Code, ECC), wodurch die Zuverlässigkeit des Systems deutlich erhöht wird.

• ECC - Error Correcting Code

Arbeitsspeicher für mobile Geräte

In Smartphones, Tablets, dünnen Notebooks und einigen Mini-PCs befinden sich häufig aufgelötete
Low-Power-Chips. Es geht hier um möglichst geringen Energieverbrauch.
Diese Chips takten oft auch höher, weil sie nicht auf Modulen mit längeren Leiterbahnen und Steckanschlüssen sitzen, die Störungen verursachen. Durch ihre höhere Taktfrequenz übertragen sie Daten schneller, was vor allem bei 3D- und KI-Beschleunigung Vorteile hat.

Arbeitsspeicher für Grafikkarten

Weil die Datenmengen bei grafischen Berechnungen sehr umfangreich sein können, sind die Speicher-Chips für Grafikkarten noch schneller. Meistens ist hier die Entwicklung ein bis zwei Stufen weiter als beim klassischen Arbeitsspeicher. Manche Grafikkarten und KI-Beschleuniger verwenden sogar das superschnelle und teure High Bandwidth Memory (HBM), das mit aufwendiger Verbindungstechnik über Tausende statt Dutzende von Signalleitungen eng an den Rechenchip gekoppelt ist.

• HBM - High Bandwidth Memory

Speichermodule / Speicherriegel

In vielen modernen Geräten sind SDRAM-Chips fest auf der Hauptplatine verlötet und lassen sich daher nicht nachträglich austauschen. Beispielsweise um den Arbeitsspeicher zu vergrößern. Um Computer flexibel mit Arbeitsspeicher ausstatten zu können, werden die Speicherchips auf austauschbaren Speichermodulen ausgelagert. Austauschbarer Arbeitsspeicher findet sich vor allem in Desktop-PCs, Workstations und in klassischen Servern.

Speichermodule sind kleine steckbare Platinen, auf denen die Speicherchips befestigt sind. Sie werden in spezielle Steckplätze auf dem Mainboard eingesetzt. Die gängigste Bauform solcher Speichermodule sind sogenannte Dual Inline Memory Modules (DIMMs). Für kompaktere Geräte wie Mini-PCs und Notebooks kommen kleinere Varianten, die Small Outline DIMMs (SO-DIMMs), zum Einsatz.
Im Serverbereich werden spezielle Module verwendet, sogenannte Registered-ECC-DIMMs.
Für besonders hohe Speicherkapazitäten können auf diesen Modulen mehrere Silizium-Dies übereinander gestapelt werden.

• Mehr Informationen über Speichermodule
• DIMM - Dual Inline Memory Module

Da es unterschiedliche Modultypen von verschiedenen Herstellern gibt, muss der Speichercontroller mit verschiedenen Varianten kompatibel sein. Damit das reibungslos funktioniert, werden Bauformen und Organisation des Speichers durch die JEDEC standardisiert.

• PC/PC2/PC3/PC4-Spezifikation

Übersicht: DRAM-Typen

• DDR: Der aktuelle Standard für klassische Computer.
• GDDR: Optimiert für Grafikberechnungen.
• LPDDR: Fokus auf Energieeffizienz bei hoher Leistung (Mobilgeräte).
• HBM: Spezialisiert auf maximalen Datendurchsatz (KI/Netzwerk).

Speicher-Controller

Der Speicher-Controller bindet die Speichermodule des Arbeitsspeichers in ein Computersystem ein. Die Speichermodule haben keine eigene Logik. Es sind nur Platinen mit Speicherchips drauf. Den Zugriff auf den Speicher koordiniert deshalb der Speicher-Controller. Der Speicher-Controller ist das Bindeglied zwischen Prozessor und Arbeitsspeicher oder zwischen Chipsatz und Arbeitsspeicher. Die genaue Anbindung hängt von der Systemarchitektur ab.

Speicher-Controller binden die Speichermodule in einem oder mehreren Speicherkanälen an. Die Speicherkanäle sind mit einem oder mehreren Speichermodulen bestückt. Der Speicher-Controller liest zu Beginn des Bootvorgangs die zulässigen Betriebsparameter vom Speichermodul aus und nimmt diese dann in Betrieb. Anschließend verfügt das System über Arbeitsspeicher.

In der Anfangszeit war der Speicher-Controller im Chipsatz integriert. Daten und Programmcode musste deshalb immer den Umweg über den Chipsatz machen. Mit zunehmender Taktfrequenz und Integrationsdichte wurden Prozessoren bei der Datenverarbeitung immer schneller. Deshalb musste die Geschwindigkeit des Arbeitsspeichers im Laufe der Zeit immer wieder angehoben werden.
Kann der Prozessor die Daten aus dem Arbeitsspeicher nicht schnell genug lesen, dann sinkt die effektive Rechenleistung des Prozessors. Deshalb sind die Prozessor-Hersteller diejenigen, die an der Beschleunigung des Arbeitsspeichers am meisten interessiert sind. Schließlich wollen sie, dass ihre Prozessoren ihre Leistungsfähigkeit optimal ausreizen können.

Doch nicht nur an der Beschleunigung des Arbeitsspeichers, sondern auch an der Beschleunigung der Verbindung zwischen Prozessor und Arbeitsspeicher sind die Prozessor-Hersteller interessiert. Deshalb bauen die Prozessor-Hersteller den Speicher-Controller gleich in den Prozessor mit ein, um den Arbeitsspeicher auf möglichst kurzem und schnellem Wege an den Prozessor anzubinden.
Der im Prozessor eingebaute Speicher-Controller hat positive Auswirkungen auf das Gesamtsystem. Zum Einen, verkürzt die direkte Anbindung des Speichers an den Prozessor die Latenzzeit bei den Zugriffen. Das bedeutet auch, dass der Prozessor insgesamt mit kleineren Caches auskommt. Außerdem ist der Datenverkehr zwischen CPU, Speicher und Peripherie entkoppelt. Der Datentransfer der Peripherie kann jetzt dem Datenverkehr zum Speicher nicht mehr in die Quere kommen.

Mit jeder neuen Prozessor-Generation wächst die Zahl der Prozessorkerne. Und verbesserte Prozessor-Architekturen erhöhen die Anforderungen an die Datentransferleistung des Arbeitsspeichers. Der Prozessor hat neben mehr Kernen auch immer mehr und immer breitere Speicherkanäle, mit denen er die Speichermodule anbindet.

Übersicht: Halbleiterspeicher

• ROM - Read Only Memory
• RAM - Random Access Memory
• DRAM - Dynamic RAM
• SDRAM - Synchronous DRAM
• DDR-SDRAM - Double Data Rate SDRAM
• Flash-Memory / Flash-Speicher
• FRAM - Ferroelectric RAM
• MRAM - Magnetoresistive RAM
• PCRAM - Phase Change RAM

Übersicht: Speichermodule für Arbeitsspeicher

• DIMM - Dual Inline Memory Module
• CUDIMM - Clocked Unbuffered Dual Inline Memory Module
• R-DIMM und FB-DIMM

Weitere verwandte Themen:

• Motherboard
• Chipsatz
• Halbleiterspeicher
• Cache (L1 / L2 / L3)
• Speichermodule
• Datenspeicher
• Maßeinheiten in der IT

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