RAM: Von DIL bis PS-2 RAM

Im folgenden Artikel wollen wir die einzelnen Arten der RAM-Module vorstellen, einen Überblich über die allgemeine Funktion des Arbeitsspeichers geben, verschiedene Mechanismen aufzeigen, und einen Ausblick in die Zukunft geben.

Allein über diese Systemkomponente könnte man ganze Bücher füllen, also werden wir versuchen, das wichtigste so gut wie möglich, aber auch "leicht" verständlich aufzuzeigen, auf heutige Technologien einzugehen und einen Ausblick auf zukünftige Speichertechnologien geben.

DIL RAM (Dual-in-line RAM)

DIL-RAM oder auch DIP-RAM ist sozusagen, der Vater oder die Mutter, aller bis heute entwickelten RAM-Module und Technologien. Der Durchbruch des RAM‘s als wechselbare Systemkomponente, so wie wir sie heute kennen, begann 1981, als IBM ihren ersten XT-PC auf den Markt brachten.

Diese auch "Käfer" genannten kleinen, rechteckigen und meist schwarzen Chips enthielten an ihren beiden Längsseiten jeweils eine Reihe von Kontaktstiften. Jeder Chip bestand zunächst nur aus einem Transistor und einem Kondensator. DRAMs wurden von der Firma IBM eingeführt und bald darauf griffen auch andere Hersteller diese Erfindung auf. So begann beispielsweise der Aufstieg des Intel-Konzerns im Jahre 1970 mit einem 1-KBit-DRAM (Dynamic Random Access Memory).



Werden derartige Bausteine auf dem Mainboard eingesetzt, muss grundsätzlich eine sogenannte "Bank", bestehend aus neun DRAM-Sockeln, vollständig belegt sein. Eine Bank mit insgesamt neun Bausteinen zu jeweils 1 MBit stellt eine Speicherkapazität von 1 MB zur Verfügung (8 MBit = 1 MB), während der neunte Baustein lediglich eine "Parity"-Funktion übernimmt, d.h., er überprüft die Funktion der anderen acht Bausteine. Bei Grafikkarten entfällt der neunte Baustein.

Der IBM PC verwendete die Intel 8088 CPU die mit 4.77 MHz getaktet war. Der 8088 hatte nur einen 8 Bit Datenbus anstatt eines 16 Bit Busses, was ihn zwar kostengünstiger machten, aber auch langsamer.
Ursprünglich wollte IBM den Rechner mit 16 KByte RAM anbieten - doch Microsoft, die das Betriebssystem schrieb, drängte nach mehr RAM. Ausgeliefert wurde der IBM schließlich mit 64 KByte RAM mit 1 bit.



Der DIL-Ram wurde von den ersten PC‘s mit dem damals revolutionären Betriebsystem MS-Dos viele Jahre lang genutzt.

Wie jede PC-Komponete durchlief auf schon dieser erste RAM verschieden Modifikationen und Ausbaustufen.

Anfangs hatten die einzelnen Module eine Speicherkapazität von 16 KByte, bis sie 1987 eine Kapazität von 640 KByte erreichten. Aber die Zeit des DIL-RAM‘s war eigentlich schon Ende 1983 mit der Einführung des SIMM-RAM‘s besiegelt. Die Zugriffszeit von Anfangs 120 ns bis hin zum Ende bei rund 80 ns und der BUS-Geschwindigkeit von 1 Bit konnten den laufend wachsenden Ansprüchen der PC Hersteller einfach nicht gerecht werden. Außerdem, waren Platzprobleme in den damaligen Rechnern keine Seltenheit und die DIL-Module waren nicht gerade platzsparend.



Bis zu diesem Zeitpunkt der PC‘s Entwicklung war es nicht nötig, die Größe des Arbeitsspeichers über 640 KByte zu erweitern, da die XT-Rechner alles über diesem Wert nicht für den konventionellen Speicher nützen konnten. XT-Rechner mit einem 8086 Prozessor waren noch nicht in der Lage, einen extended Memory zu nutzen, da Prozessorstrucktur dafür nicht ausgelegt war.

Sehr teure Rechner, waren aber damals schon in der Lage die nun erhältlichen 1 MByte-Module zu nutzen. 640 KByte wurden normal als 640 KByte konventioneller Speicher genutzt, während die restlichen 384 KByte als RAM-Disk verwendet wurden.
Mit Einführung des AT standarts (80268 Prozessoren), und domit der Verwendung des Extended Memory, wurde der RAM-Drive wieder für viele Jahre in den Hintergrund gedrängt.

ZIP RAM (ZIG-ZAG Inline Pins RAM)

ZIP-RAM ist eine Sonderform, die nur kurze Zeit in Mode war. Es handelt sich um die gleichen Gehäuse wie bei DIL-Bausteinen, aber alle Anschlüsse sind auf einer Seite aus dem Gehäuse geführt und abwechselnd zur einen und zur anderen Seite gebogen. Im Prinzip also nur aufrecht gestellte DIL-Bausteine.



Bei Einführung dieser Speichermodule, besaßen die ersten von ihnen eine Kapazität von 32 KByte, welche bis 1986 auf 640 KByte gesteigert werden konnte. Die Zugriffszeit lag bei dieser Speicherart lag bei 60 - 120 ns. Aber auch der ZIP-RAM traf auf die selben Probleme, wie sein Bruder der DIL-RAM und somit war auch sein Schicksal besiegelt.

SIP RAM (Single-in-line-Package RAM)

SIP RAM ist einer der am wenigsten bekannten RAM Arten. Er kam ungefähr ein Jahr später auf den Markt als der DIL-RAM. Er was auch nur kurze Zeit auf dem Markt. Seine Herstellung war einfach zu teuer.
Sie besaßen 30 Pins, die mechanisch nicht sehr widerstandsfähig waren. Bei häufigem Wechsel brachen dem Modul oft einzelne Pins ab. Als Sockel für SIPPs dienten Pinleisten. Führungen oder Schnappverschlüsse wie bei SIMMs und modernen DIMMs waren nicht vorhanden.



Mit einer Datenbreite von 8 Bit fanden SIPPs ihren Einsatz in PCs mit Intel 80286- und 80386SX-Prozessoren. Durch die 16-Bit-breiten Speicherzugriffe des Prozessors mussten SIPPs in solchen Systemen immer paarweise eingesetzt werden. Die Anzahl der Module, die zum Erreichen der Busbreite erforderlich sind, ergeben eine Speicherbank. Es gab ihn bis zu einer Größe von 1 MByte und einer Zugriffszeit von 80 ns.

SIMM RAM (Single Inline Memory Modules)

SIMM‘s waren die ersten kleinen Karten mit 256 KByte, 1, 2 oder 4 MB RAM. Sie kamen Mitte der 80-er Jahre auf, als die PC Hersteller nach immer schnelleren und größeren Speichern verlangten. Sie hatten eine Steckerleiste mit 30 Kontakten die ins Motherboard gesteckt wurde.



Es gab sie zunächst mit 8 Bit. Das heißt, es werden mit jedem Zugriff 8 Bit gleichzeitig übertragen. Und das bedeutete für Prozessoren mit 16 Bit (286 und 386SX), dass immer zwei Module gleichzeitig angesprochen werden mussten um 16 Bit zu übertragen. Also wurden je zwei 8 Bit-Module in eine sogenannte Bank gesteckt. Es durfte nicht vorkommen, dass in einer Bank nur ein Modul steckte. Die Einführung der 8 Bit Speichermodule, bedeutete einen Unglaublichen Sprung in der Entwicklung der PC‘s nun blieben die Speicher nicht mehr hinter dem BUS-Speed der Rechner hinterher, sondern begannen diese Entwicklung zu kontrollieren.

Die ersten 30 Pin SIMM‘s hatten eine Speicherkapazität von 256 KByte und eine Zugriffszeit von 60 ns. Diese 60 ns waren bis hin zur Mitte der 90-er Jahre das Maß aller Dinge. Auch die kommenden Speicherarten PS/2 und Edo konnten keine höhere Zugriffszeit aufweisen. Die änderte sich erst mit der Einführung des SD-RAM‘s.



Die zweite Generation der 30 Pin SIMM‘s, so um 1987 herum, hatte eine Kapazität von 512 KByte. Die Steigerung der Speicherkapazität konnte aber nur durch eine schlechtere Zugriffszeit von 80 ns erreicht werden. Dieses nahmen die Hersteller aber gerne in kauf, da zu dieser Zeit, Kapazität mehr zähle als die Geschwindigkeit.

32 Bit-Prozessoren (386DX und 486) brauchten 4 Module mit je 8 Bit. Man konnte also auf einem frühen 486er Motherboard 4 x 1 MB, 4 x 2 MB oder 4 x 4 MB in jeder Bank installieren. Hatte man nur eine Bank war es teuer den RAM zu erweitern, da man alle alten Module ausbauen musste.



In der folgenden Jahren, wurden die Anforderungen der PC Hersteller immer größer. Immer mehr Speicher musste in den Rechnern verfügbar sein. Und ging Ende der 1989 die 3. Generation der 30 Pin SIMM‘s in die Produktion. Diese hatten eine Größe von 1 MByte und eine Zugriffszeit von 100 ns.



In den frühen 90-er Jahren begnügten sich die PC Hersteller nicht mehr nur mit der Größe des Speichers, auch seine Geschwindigkeit sollte gesteigert werden. Die 4. und letzte Generation von 30 Pin SIMM Modulen ging in die Produktion. Sie hatten eine Kapazität von bis zu 4 MByte und eine Zugriffszeit von 70 ns. Die Zeit der 8 Bit Speichersysteme war zu Ende und sie mussten neuen 32 Bit Modulen weichen.

PS/2 (IBM Personal System/2) SIMM Modul

Mit der Einführung des 368 DX und der 486er Prozessors im Jahr 1992 kam auch Bedarf nach mehr Arbeitsspeicher auf. Die grösseren 32 Bit Module kamen auf den Markt. Ein 486er Motherboard konnte nun 4 x 32 = 128 MB Speicher aufnehmen. Aber da jedes Modul nun 32 Bit breit war, musste man sie nicht mehr Paarweise oder zu viert installieren, sondern konnte sie einzeln betreiben. Ein 32 Bit Modul bildet eine "Bank". Dadurch blieb auch genug Raum um noch weitere Module zu betreiben.



Es waren zwar immer noch SIMM Module, aber durch die 32 Bit, waren sie vielseitig einsetzbar und ermöglichten eine leichtere Erweiterung des Vorhandenen Arbeitsspeichers. Auch optisch hatte sich etwas getan. Die PS/2 Module besaßen nicht mehr 30 Pins wie ihre Vorgänger, sondern war nun mit 72 Pins ausgestattet.

Ein weiterer Vorteil war, dass 486er Motherboards mit nur 33 MHz Systembustakt arbeiteten. Dadurch war die Qualität der RAM-Module nicht so entscheidend. Man konnte daher Module mit 60 und 70 ns und von verschiedenen Herstellern gemeinsam betreiben.

Die ersten PS/2 Module die auf den Markt kamen, hatten eine Kapazität von 4 MByte und eine Zugriffszeit von 70 ns. Die reichte aber nur kurze Zeit und die Entwicklung wurde stetig vorangetrieben. Immer mehr Systemleistung wurde von den PC‘s verlangt immer neue und bessere Programme kamen auf den Markt und stellte immer höhere Ansprüche an die Chip- und RAM-Hersteller.

PS/2 EDO (IBM Personal System/2) SIMM Modul

Mit Einführung von PC‘s mit 66 MHz Bustakt um 1994 herum, wurden die Anforderungen an die Speicherhersteller schlagartig geändert. Neue Speicher waren nötig, um die Leistung des vorhandenen Busses zu nutzen. Zwar funktionierten die normalen PS/2 Module weiterhin, aber die Industrie wollte die Bandbreite weiter steigern, und so kam ein neuer Typ von Speicher auf den Markt, der PS/2 EDO RAM.



PS/2 Edo (Extended Data Out) RAM:
- Zeitliche Überschneidung von aufeinander folgenden Speicherzugriffen möglich
- Chips können Daten noch zum Auslesen bereithalten, während bereits die nächste Adresse angelegt wird (Extended Data Out)
- Lesevorgänge können damit bis zu 20 % schneller erfolgen
- burst-reads: je nach Chipsatz 5-3-3-3 oder 4-2-2-2 (mit 50ns Chips)

EDO-RAMs jedoch in Verbindung mit einem Second-Level-Cache bzw. besser noch mit einem synchronen Cache ("Pipeline-Burst-Cache") eingesetzt, bedeutet dies in der Regel einen deutlichen Geschwindigkeitsvorteil. Die effektiven Speicherzugriffszeiten können so auf lediglich 10 oder weniger Nanosekunden gesenkt werden! Im Vergleich dazu benötigen reguläre PS/2-Module eine Zugriffszeit von etwa 60 ns. Dieser Umstand wurde zwischenzeitlich auch von Mainboard-Herstellern bemerkt, so dass heute der Second-Level-Cache in der Regel wieder auf dem Mainboard verfügbar ist.

Die ersten Module die auf den Markt kamen, hatten eine Kapazität 4 MByte und Zugriffszeit von 60 ns. Doch die Zugriffszeit der Module konnte nicht gesenkt werden.



In den folgenden Jahren wurde die Kapazität des PS/2 EDO Module bis auf 64 MByte gesteigert. Aber die Zugriffszeit konnte nicht gesenkt werden.

Leider arbeiten EDO-Bausteine nur bis maximal 66 MHz Bustakt zuverlässig; bei höheren Taktraten garantieren nur hochwertige Module einen problemlosen Betrieb, ab einem Speichertakt über 75 MHz ist für jedes EDO-RAM Schluss.

PS/2 FPM (IBM Personal System/2) SIMM Modul

Ein weiterer PS/2 Speicher der Mitte der 90-er Jahre auf den Markt kam, war der PS/2 FPM (Fast Page Mode) RAM. Er war hauptsächlich für die Benutzung in Pentium-Rechnern gedacht, mit eine FSB von 66 MHz.

- DRAM Baustein, der den Page-Mode nutzt.
- burst read: 5-3-3-3

Diese Speicher hatten eine Kapazität von bis zu 16 MByte und einer Zugriffsgeschwindigkeit von 60ns. Aber auch ihre Zeit dauerte nur wenige Jahre an.

BEDO RAM (Burst-EDO RAM)

Eine Weiterentwicklung der EDO-RAMs nennt sich Burst-EDO. Hierbei ist gegenüber den EDO-Bausteinen nicht nur eine Leseoptimierung, sondern auch eine Schreiboptimierung berücksichtigt, wodurch sie etwas schneller als EDO-Bausteine arbeiten. Intel hat jedoch als Chipsatz-Marktführer entschieden diese Innovation nicht zu unterstützen.

- Optimierung der Zugriffszeiten: 50ns
- Burst: Nachdem die Adresse angelegt wurde, können die nächsten drei Daten in jeweils einem Taktzyklus gelesen werden -> 5-1-1-1
- Interner Adresszähler vorhanden.
- Im Gegensatz zu FP RAM und E DO RAM auch Schreiben in Bursts möglich

Aber mit Einführung von DIMM Modulen (Doulbe Inlime Memory Modules), verloren SIMM‘s immer mehr an Bedeutung.