RAM: Von SD-Ram bis Rambus

SD-RAM (Synchronous DRAM)

SDRam steht für Synchronous DRAM. Das Synchrone DRAM hat den großen Vorteil, dass es seine Aktionen am Systemtakt orientiert. Dadurch lässt sich die Ansteuerung des Speichers deutlich vereinfachen und beschleunigen. SDRam überträgt die Daten auf der steigenden Flanke des Taktsignals, welches den Speicher mit dem Speicher-Controller verbindet.



Intern besteht das SDRAM aus zwei Speicherbänken. Der Zugriff erfolgt abwechselnd, so dass die benötigte Erholungszeit zwischen den Zugriffen entfällt. Zusätzlichen Geschwindigkeitsvorteil bringt das Pipeline-Verfahren. Übertragungrate von SDRam ist deutlich höher als bei EDO oder FastPage Ram. Es gibt SDRam für drei Bustakte: 66MHz, 100MHz und 133MHz, diese heißen demzufolge PC66, PC100 und PC133.
Während der SDRAM-Chip noch Daten einliest, gibt er Daten aus. So kann das SDRAM mit bis zu 133 MHz betrieben werden.
Ein SDRAM kann programmiert werden, und so die Art des Zugriffs gesteuert werden. Auf diese Weise lässt sich SDRAM an jede beliebige Anwendung anpassen.

RAM-Bausteine können als statische (SRAM) oder dynamische (DRAM) ausgelegt sein.

SRAM: solange eine Spannung anliegt, bleibt ein Bit in seinem Zustand erhalten. Um das zu garantieren, ist eine größere Zahl Transistoren notwendig. Er ist statisch, was bedeutet, dass der Speicherinhalt mittels Flip-Flops gespeichert wird, und so nach dem Abruf des Speicherinhaltes erhalten bleibt. Dadurch ist der Stromverbrauch sehr hoch, was aber zu einem schnellen arbeiten innerhalb des Speichers führt. Der höhere Integrationsgrad auf dem entsprechenden Chip macht zwar die Zugriffszeit schneller, treibt aber auch die Kosten für den Baustein in die Höhe. Aufgrund seines hohen Preises wird er nur in Cache-Speichern verwendet.



DRAM: der Bitzustand wird mit einer Kondensatorladung gespeichert. Die Größe der Ladung bestimmt, ob der Zustand als "0" oder als "1" zu werten ist. Speicherchips mit DRAM-Bausteinen sind relativ einfach aufgebaut. Ihre Kondensatoren haben aber die Eigenschaft, daß sie ihre Ladung allmählich verlieren. Damit geht auch der Bitzustand und die durch ihn gespeicherte Information verloren. Dem begegnet man durch ein regelmäßiges Wiederholen des Schreibvorganges für den Speicherinhalt (im Millisekunden-Rhythmus), einem sogenannten Refresh. DRAM-Bausteine werden für den Hauptspeicher verwendet.

SPD

Die neuen DIMM-Module entahlten einen EPROM-Chip der Informationen über den RAM speichert. Den kleinen achtbeinigen Chip nennt man SPD (Serial Presence Detect). Die Idee: Das BIOS liest die Information aus dem SPD und kann dann automatisch den Systembus optimal auf den RAM einstellen, damit CPU und RAM möglicht effizient kommunizieren.
Es gibt ein Programm, das den Inhalt des SPD testet. Sie finden es auf der c‘t Homepage. Es funktioniert mit Intel-Chipsätzen die eine 82371 South Bridge haben, z.B. der BX und der GX.

VCM-SDRAM (Virtual Channel Memory SDRAM)

Speziell für den Apollo-Pro-Plus Chipsatz von VIA gibt es das VCM-SDRAM von NEC. Rein äußerlich ist diese Art von Speicher vom normalen SDRAM nicht zu unterscheiden. VCM-SDRAM ist genauso auf DIMMs untergebracht.



Das VCM verwendet anstatt eines Adresspuffers mehrere. In modernen PC‘s mit Multitasking-Betriebssystemen erfolgt der Zugriff auf den Speicher von vielen Quellen aus. Parallel laufende Tasks reservieren sich bestimmte Speicherbereiche und sorgen für ein intensives Datenaufkommen auf dem Speicherbus.
Diese Entwicklung zielt darauf die Wartezyklen, der auf den Speicher zugreifenden Memory Master (DMA, DIE, SCSI, AGP, Soundkarte), zu verkürzen. Der VCM Speicher verfügt über unabhängige Speicherkanäle, die zwischen dem I/O-Interface und der Speichermatrix angeordnet sind und Daten temporär speichern können. Durch die Technik werden simultane Anfragen zwischengespeichert, es gibt also keine langen Wartezyklen mehr und die Speicheranfragen müssen nicht neu initiiert werden. Interne Operationen, wie ein Precharge der Bitleitungen oder ein Zeilen- Refresh, laufen parallel zu den eigentlichen Zugriffen auf den Speicher ab. Die bereits anstehenden Zugriffe lassen sich zudem in den Channels puffern. Dieses Verfahren macht sich aber nur positiv bei speicherintensiven PCI- und AGP-Karten bemerkbar.

VCM ist von NEC als offener Standard entwickelt worden. Lizenzgebühren, wie bei Rambus, sind für andere Hersteller nicht fällig. Neben NEC selbst entwickeln auch Hyundai, Infineon (Siemens) und Micron VC-SDRAMs. Auch Kingston wird in Kürze Module anbieten.

Speichermodule mit Virtual Channel Memory gibt es derzeit für Taktfrequenzen von 100 und 133 MHz. NEC bietet die VC-SDRAM-Chips sogar in einer 143-MHz-Version an. Die maximale Bandbreite von VC133-SDRAM entspricht im Burstzugriff mit 1,06 GByte/s der von PC133-SDRAM. Virtual-Channel-SDRAM kann wie Standard-SDRAM mit jedem Takt gültige Daten am Ausgang liefern.

Pressemitteilung

E-SDRAM (Enhanced SDRAM)

Beim ESDRAM, von Mitsubishi, wird SRAM als Cache eingesetzt. Der Memory-Controller muss hier den Datenverkehr zwischen dem Cache und dem DRAM regeln. Die Latency fällt weg, wenn er das gut macht.

Datenblatt

HSDRAM (Highspeed-SDRAM)

HSDRAM ist ein Ableger, vom SDRAM, der eigentliche große Unterschied zum üblichen SDRAM liegt eigentlich darin, dass er in der Regel bis 150 Mhz belastbar. Daher auch sein Name PC150 HSDRAM. Aber eigentlich ist er lediglich ein etwas erweiterter, schnellerer PC133 SDRAM ist. Er besitzt eine Latency von 2:3:2 und eine Zugriffszeit von4,5 ns.
Außerdem weißt er eine geringere Latenz und einen geringeren Stromverbrauch auf. Er besitzt die gleiche Bauform wie herkömmlicher SDRAM auf und ist deshalb auch kompatibel zu herkömmlichen SDRAM Bänken.



Enhanced Memory Systems, ein Tochterunternehmen der Ramtron International Corporation, hat den HSDRAM im Jahr 2000, im Rahmen einer Konferenz in San José, diese Sonderbauform des SDRAM‘ vorgestellt.

Dieser RAM war bei Over-Clockern sehr beliebt, denn so rückten die 166Mhz Speichertakt in greifbare Nähe. Diese Module waren aber nur in den USA käuflich zu erwerben, aber auch viele Internet-Shop‘s boten sie zu einem Preis von ca.195$ für ein 128MB an.

Datenblatt

SLDRAM (Synchronous Link DRAM)

SLDRAMs sind von der Leistung her mit den RDRAMs vergleichbar. Sie werden von einem unabhängigen Konsortium von 12 Speicherherstellern entwickelt, um einen offenen Standard für den Arbeitsspeicher der Zukunft zu entwickeln. Zunächst nannte sich das Bündnis "Sync-Link-Konsortium", seit 1997 firmiert es aber unter dem Namen des zu schaffenden Speichers: SLDRAM. Erste Chips kamen 1999 auf breiter Front auf den Markt.



Es stellt eine alternative Speicherart zu RDRAM dar, und soll die Hersteller vor eventuellen Lizensgebühren an die Firmen Intel und Rambus schützen.
Die SLDRAM-Speichertechnologie baut auf die Technik von DDR-SDRAMs und sorgt durch eine Pipeline-Technik für eine Erweiterung der Bandbreite.

SLDRAM ist eine evolutionäre Speichertechnologie, die den nächsten Schritt in der DRAM-Entwicklung von EDO nach SDRAM und DDR-SDRAM präsentiert. In SLDRAM sind wichtige Technologiesprünge vereint: Die Anzahl interner unabhängiger Bänke ist von vier (SDRAM, DDR-SDRAM) auf bis zu 16 Bänken erweitert worden. Das synchrone Interface nutzt für die Datenübertragung ebenfalls beide Taktflanken mit Unterstützung eines Strobe-Signals.

Der Entwurf orientiert sich stark am Rambus-Konzept. Wie Direct RDRAM arbeitet SLDRAM mit einem schmalen (16 Bit) aber hoch getakteten Speicherbus. Dadurch durfte die Gemeinschaftsentwicklung auch vergleichbare Leistungsdaten erreichen. Bei SLDRAM beginnt jede Transaktion mit einem Anforderungspaket, das Adressinformationen und Befehle enthält. Die zu schreibenden oder lesenden Daten sind in Paketen zusammengefasst. Ein einfacher Spaltenzugriff löst den Transfer eines ganzen Datenpakets aus, das aus einem Burst von vier 18-Bit-Wörtern besteht. Der Zugriff auf die Daten von einer oder mehrerer Spalten in einer Page kann dadurch mit einem einzigen Anforderungspaket erfolgen. In Verbindung mit der Multibank-Architektur erweitert sich durch dieses Verfahren die Bandbreite von SLDRAM. Mit Transferraten von 400 MBit/s pro Datenpin lassen sich in einer 64-Bit-Umgebung Bandbreiten von bis zu 3,2 GByte/s erreichen. So ein Wert läßt sich zumindest aus heutiger Sicht nur durch die "Kanalbündelung" mehrerer unabhängiger SLDRAM-Subsysteme erreichen - und das kann die Rambus-Lösung auch.

DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRam)

Synchroner DRAM II, auch als DDR-Speicher heißt Double Data Rate SDRam. Der Name rechtfertigt sich dadurch, dass DDR Ram die Daten auf der steigenden (vgl. SDRam) und auf der fallenden Flanke des Taktsignals überträgt, dadurch ergibt sich die doppelte Bandbreite.



DDR Ram hat damit rechnerisch die doppelte Bandbreite von normalen SDRam. Es gibt DDR Ram Spezifikationen für verschiedene Taktraten, als da wären 100MHz, 133MHz, 166MHz und 200MHz. Dies sind die realen Taktraten, bezeichnet wird der Ram jedoch meisst mit der effektiven Taktfrequenz, die doppelt so hoch liegt, da ja pro Taktzyklus zwei mal Daten übertragen werden. Es ergeben sich also die Standards: DDR 200, DDR 266, DDR 333 und DDR 400. Zu kaufen gibt es auch schon DDR 433 , für diesen gibt es allerdings noch keine offizielle Spezifikation.

RDRAM - Rambus

Rambus ist ein systemweites Chip-zu-Chip-Schnittstellendesign, das die Datenübertragung über einen vereinfachten Bus mit hoher Taktfrequenz ermöglicht. Das RDRAM-Design stellt im Gegensatz zu den üblichen Ansätzen auf Chip-Ebene einen integrierten Ansatz auf Systemebene dar. Die drei wichtigsten Elemente des Rambus-Designs sind (1) Rambus-basierende DRAMs (RDRAMs), (2) Rambus ASIC-Zellen (RACs) und (3) eine als "Rambus-Kanal" bezeichnete Verbundschaltlogik.

Rambus, eine Technologie, die 1995 zum ersten Mal in Grafik-Workstations eingesetzt wurde, nutzt eine spezielle RSL-Technologie (Rambus-Signalisierlogik), die bei herkömmlichen Verfahren des System- und Platinendesigns Übertragungsraten von 600 MHz ermöglicht. Rambus gibt es in zwei Varianten: RDRAM und Concurrent RDRAM. RDRAM ist bereits in Produktion, während Concurrent RDRAM Ende 1997 in Produktion gehen soll. Die dritte Erweiterung dieser Produktfamilie, Direct RDRAM, befindet sich noch in Entwicklung und soll 1999 in Produktion gehen.

Rambus verwendet niedervoltige Signalschwingungen bei Datenübertragungen auf beiden Flanken eines Synchronisationstaktimpulses. Darüber hinaus nutzt RDRAM eine 8-Bit- Schnittstelle anstelle der 4-, 8- oder 16-Bit-Schnittstelle von EDO/SDRAMs. Die Daten werden auf beiden Flanken hochfrequenter Taktimpulse übertragen, wobei Rambus einen schmalen Bus verwendet. Rambus hat Lizenzverträge mit 11 DRAM-Herstellern, die 1996 mehr als 85 % der DRAM-Umsätze weltweit tätigten. Samsung entwickelt zur Zeit 16/18-Mbit- und 64-Mbit-RDRAMs. Toshiba produziert bereits 16/18-Mbit-RDRAMs, während sich die 64-Mbit-RDRAMs noch in Entwicklung befinden.

Ende 1996 schloß Rambus einen Entwicklungs- und Lizenzvertrag mit Intel ab, so dass die PC-Chipsätze von Intel ab 1999 Rambus-Speicher unterstützen werden. In der Videospielekonsole Nintendo 64TM wird die Rambus-Technologie bereits für 3D-Grafik und CD-Audio eingesetzt. Auch in Standard-PCs von Gateway und Micron sowie auf Add-In-PC-Karter, von Herstellern wie Creative Labs wird der Rambus-Speicher schon genutzt.

Das Channel Interface von Rambus enthält einen nur 16- oder 18-Bit-(mit ECC) breiten Datenbus. Der Adressbus besitzt eine Breite von 8 Bit und hat getrennte Leitungen für die Zeilen- und Spaltenansteuerung. Vorteil: Gleichzeitige unabhängige Zugriffe auf Zeilen und Spalten sind möglich, während noch Daten des vorhergehenden Befehls übertragen werden.

Jedes einzelne RDRAM-IC besitzt die volle Datenbreite des Channels. Gegenüber 64-Bit-Speicherbussen muss aber die Taktung des Channels entsprechend hoch sein, um konkurrenzfähige Bandbreiten zu erreichen. Die derzeit maximale Taktfrequenz ist mit 400 MHz und durch Ausnutzung beider Taktflanken mit effektiv 800 MHz extrem hoch. Ein Maximum von 1,6 GByte/s ist bei jedem einzelnen Chip und somit pro Channel erreichbar. Bei zwei Channels verdoppelt sich die maximale Bandbreite entsprechend auf 3,2 GByte/s.

Die neuartige Busarchitektur der Rambus-Technologie erfordert durch ihre elektrischen Eigenheiten eine andere Modulbauform. Von der Größe und den beidseitigen Kontaktreihen her sind die bei Rambus verwendeten RIMMs zwar einem DIMM sehr ähnlich, unterscheiden sich aber sowohl in mechanischer als auch in elektrischer Hinsicht erheblich. Die Module fassen bis zu 16 Chips bei beidseitiger Bestückung und sind als ein Teilstück des Channels zu betrachten. Die Datenbreite des Moduls beträgt wie die der einzelnen Chips 16 Bit (18 Bit mit ECC). Die Anzahl der Pins ist aber auf 184 gegenüber 168 Pins bei einem DIMM angestiegen. Der Grund ist die hohe Frequenz von bis zu 800 MHz, mit der die Rambus-DRAMs getaktet werden. Um diese gegenüber PC100-DIMMs achtfach höhere Taktfrequenz zu realisieren, gehört zu jeder Signal- und Datenleitung eine eigene Masseleitung. Auf die Adress-, Steuer-, Takt- und 16/18-Datenleitungen kommen insgesamt 72 Masseleitungen, die nur für eine hohe Signalintegrität sorgen. Sie sollen kapazitive Effekte, Reflexionen, Übersprechverhalten, Störsignale und Rauscheffekte möglichst gering halten.

Ein Channel kann laut Spezifikation maximal zwei RIMMs aufnehmen. Durch die Bus-Topologie von Rambus sind unbelegte Sockel mit einer Dummy-Platine namens C-RIMM zu bestücken. Die Continuity-RIMMs schleifen die Steuer- und Datenleitungen einfach durch. Gleichzeitig verursachen sie aber zusätzliche Kosten.

Concurrent Rambus

Concurrent RDRAMs nutzen ein verbessertes Protokoll, mit dem sich auch bei kleinen, willkürlich verteilten Datenblöcken eine durchgängig hohe Bandbreite erzielen läßt. Die Concurrent Rambus- Technologie ist für 16/18/64/72-Mbit-RDRAMs konzipiert. Dieser RDRAM der zweiten Generation bietet eine effizientere Nutzung der Spitzenbandbreiten bei Grafik- und Multimedia-Anwendungen. Diese Speichertechnologie stellt eine Weiterentwicklung des RDRAM-Speichers dar und erzielt seine höhere Effizienz dank eines synchronen, parallelen Protokolls für blockorientierte, überlappende Übertragungen. Bei dieser Technologie werden Daten pro Kanal mit bis zu 600 MB pro Sekunde, einer Frequenz von 600 MHz und einem verbesserten Protokoll übertragen (80 % effizientes). Darüber hinaus sind Concurrent RDRAMs kompatibel mit früheren RDRAM-Generationen. Dank weiterer Verbesserungen hinsichtlich Signalisierung und Taktgebung wird sich 1998 die Geschwindigkeit auf 800 MHz erhöhen lassen.

Direct Rambus

Die Direct Rambus-Technologie ist eine Weiterentwicklung der heutigen RDRAMs. Direct RDRAMs verwenden dieselbe Signalisierart (RSL: Rambus-Signalisierlogik), bieten jedoch eine breitere Schnittstelle (16 Bit), eine höhere Frequenz von 800 MHz und ein verbessertes Protokoll (90 % effizientes). Ein einziges Direct RDRAM-Modul wird 1,6 Gigabyte pro Sekunde, zwei Module werden 3,2 Gigabyte pro Sekunde liefern. Bei Direct Rambus werden zum Abrufen von 1,6 GB zwei und zum Abrufen von 2,4 GB drei 8-Bit-Kanäle verwendet.

DDR vs. Rambus

Seit der Zeit als AMD auf DDRam setzte und Intel Rambus verbaute gibt es die Diskussion welcher Ram bessere Perfomance bringt. Für den Leihen erwecken die reinen technischen Fakten de Eindruck als Ob Rambus deutlich schneller wäre als DDR. Zur Erinnerung, DDR existiert zur Zeit in Spezifikationen mit 200, 266, 333 und 400 MHz Bustakt. Rambus hingegen läuft mit Taktraten von 800 oder 1066 MHz. Diese Reinen Taktraten erwecken den Eindruck, dass Rambus einfach besser sein muss, aber das ist nur die halbe Wahrheit. Blickt man genauer in die Spezifiaktionen, so sieht man, dass DDR einen 64 bit breiten Bus (72bit mit ECC) benutzt, Rambus hingegen nur einen 16bit (18bit mit ECC) breiten Bus.
Eine kurze Rechnung ergibt folgende Peak-Werte für die Datenbandbreite:
( man rechnet: Busbreite * Taktrate / 8 )

DDR 200: 1600MB/s
DDR 266: 2100MB/s
DDR 333: 2600MB/s
DDR 400: 3200MB/s
Rambus 800: 1600MB/s
Rambus 1066: 2100MB/s

und man sieht sofort, DDR und Rambus haben eigentlich gar keinen Perfomance Unterschied, zumindestens nicht rechnerisch. Eigentlich ist das auch sofort klar, denn der Datenbus von Rambus hat nur 1/4 der Breite von DDR (16/64) und die Taktraten sind 4 mal höher (200 -> 800 , 266 -> 1066).
Führt man sich diese Rechnung zu Gesicht kann man endlich auch nachvollziehen, warum Intel jetzt auf den aktuellen Mainboards wieder auf DDR umgerüstet hat, denn bei gleicher Perfomance ist DDR deutlich billiger als Rambus, da die Stückzahlen viel höher sind. Und ganz nebenbei bieten die neuen Standards DDR 333 und DDR 400 mehr Bandbreite, als man von Rambus je erwarten könnte.

Link zu einer Taktratenübersicht

Laptop-Ram

SO-DIMM (Small Outline-DIMM)



SO-DIMMs sind die DIMM-Ausführung für tragbare Computer. Sie sind in zwei verschiedenen Ausführungen verfügbar. Der SDRAM war anfangs erst mit 72 Pins, mit einer Transferrate von 32 Bit später auch mit 144 Pin‘s, ausgelegt für einen Transfer von 64 Bit. Der heute in vielen Rechnern standardmäßige DDR-RAM besitzt 200 Pin‘s und hat eine maximale Speicherkapazität von 512 MByte pro Modul.



Auch verschiedene Bauformen haben sich im Laufe der Zeit etabliert.

SO-RIMM (Small Outline-RIMM)

SO-RIMMs sind die RIMM-Ausführung für tragbare Computer.