Speichertechnologien und DRAM

Speichertechnologien sind die physischen Geräte, die Daten auf der Hauptspeicherebene speichern – hauptsächlich dynamisches RAM (DRAM) für die Kapazität und statisches RAM (SRAM) für die Geschwindigkeit – deren Timing, Bandbreite und Organisation die Leistungsuntergrenze der Speicherhierarchie festlegen.

Definition

Speichertechnologien sind die Halbleiter und verwandten Geräte, die zur Implementierung von Computerspeicher verwendet werden, am wichtigsten DRAM, das jedes Bit als Ladung auf einem Kondensator speichert und periodisch aufgefrischt werden muss, und SRAM, das Bits in Latches für eine schnellere, aber weniger dichte Speicherung speichert.

Scope

Dieses Thema behandelt die Gerätetechnologien hinter dem Speicher: SRAM-Zellen, die in Caches verwendet werden, DRAM-Zellen und deren Notwendigkeit der Aktualisierung (Refresh), die DRAM-Organisation in Bänke, Zeilen und Spalten, die Timing-Parameter und Standards (wie die DDR-Familien), Speicherbandbreite und -kanäle sowie aufkommende nichtflüchtige Speicher. Ausgenommen sind die Cache- und Betriebssystem-Ebene der Speicherverwaltung (Cache-Organisation und -Richtlinien, virtueller Speicher und Paging) sowie persistente Sekundärspeichergeräte (secondary storage devices).

Core questions

• Wie unterscheiden sich SRAM- und DRAM-Zellen in Geschwindigkeit, Dichte, Kosten und Leistung?
• Warum muss DRAM aufgefrischt werden und wie ist es in Bänke, Zeilen und Spalten organisiert?
• Welche Timing-Parameter und Standards regeln den DRAM-Zugriff und die Bandbreite?
• Wie fügen sich aufkommende nichtflüchtige Speicher in die Speicherhierarchie ein?

Key concepts

• SRAM-Zelle
• DRAM-Zelle und Refresh
• Bänke, Zeilen und Spalten
• Zeilenaktivierung und Precharge
• DDR-Speicherstandards
• Speicherbandbreite und Kanäle
• Speicherlatenz
• nichtflüchtiger Speicher

Mechanisms

Eine SRAM-Zelle speichert ein Bit in einem kleinen Latch, was einen schnellen Zugriff, aber eine geringe Dichte ermöglicht. Eine DRAM-Zelle speichert ein Bit als Ladung auf einem winzigen Kondensator, der leckt und periodisch aufgefrischt werden muss. DRAM-Chips sind in Bänke von Zeilen und Spalten organisiert; ein Zugriff aktiviert eine Zeile in einen Sense-Amplifier-Puffer und liest oder schreibt dann Spalten daraus. Double-Data-Rate (DDR)-Schnittstellen und mehrere Kanäle erhöhen die Bandbreite, während die Latenz durch die Zeilenaktivierungs- und Spaltenzugriffszeiten bestimmt wird.

Clinical relevance

Da Prozessoren den Speicher stark übertreffen, prägen die DRAM-Eigenschaften – Latenz, Bandbreite und die Kosten der Zeilenaktivierung – direkt die Systemleistung und motivieren die gesamte Cache-Hierarchie. Die Eigenschaften von DRAM schaffen auch Zuverlässigkeits- und Sicherheitsprobleme, wie den Rowhammer-Störungseffekt, und aufkommende nichtflüchtige Speicher gestalten die Art und Weise neu, wie Systeme Speicher und Speicherung kombinieren.

History

Robert Dennard erfand die Ein-Transistor-DRAM-Zelle bei IBM in den Jahren 1966–1968, und DRAM wurde zur dominierenden Hauptspeichertechnologie. Aufeinanderfolgende synchrone und Double-Data-Rate (DDR)-Standards erhöhten die Bandbreite über Jahrzehnte, während SRAM die Technologie der On-Chip-Caches blieb. Nichtflüchtige und gestapelte Speicher entstanden später, um Kapazität und die Grenze des persistenten Speichers zu adressieren.

Key figures

• Robert Dennard
• John L. Hennessy
• David A. Patterson
• Bruce Jacob

Seminal works

• hennessy2019
• jacob2008

Frequently asked questions

Warum muss DRAM aufgefrischt werden, SRAM aber nicht?

DRAM speichert jedes Bit als Ladung auf einem Kondensator, die langsam entweicht, sodass der Inhalt periodisch gelesen und neu geschrieben (aufgefrischt) werden muss, um Datenverlust zu vermeiden. SRAM speichert jedes Bit in einem Latch, das seinen Zustand beibehält, solange Strom zugeführt wird, sodass es keiner Auffrischung bedarf.

Warum wird SRAM für Caches und DRAM für den Hauptspeicher verwendet?

SRAM ist viel schneller, aber pro Bit größer und teurer, was es ideal für kleine, geschwindigkeitskritische Caches macht. DRAM ist dichter und pro Bit billiger, aber langsamer, was es für den großen Hauptspeicher geeignet macht, wo Kapazität wichtiger ist als reine Latenz.