Computerspeicher nutzt mehrere Speichertypen. Zwei davon, der Arbeitsspeicher mit wahlfreiem Zugriff und der Nur-Lese-Speicher – RAM beziehungsweise ROM –, haben ähnliche Akronyme, aber ganz unterschiedliche Definitionen, Eigenschaften und Einsatzgebiete.
RAM ist das Kurzzeitgedächtnis eines Computers. Im Wesentlichen wird RAM zum Speichern der Daten verwendet, die die CPU für das Betriebssystem, Softwareprogramme und Prozesse benötigt. ROM bietet dauerhaften Speicherplatz für Anweisungen, die während des Bootstrappings benötigt werden – also beim Einschalten, dem „Hochfahren“, des Computers. Es speichert das grundlegende Ein-/Ausgabesystem (BIOS) und andere Firmware für die Computerhardware, die nur selten aktualisiert werden muss.
Dieser Artikel beschreibt beide Speichertypen und ihre Unterschiede ausführlicher.
Was ist RAM und wie funktioniert er?
RAM bietet kurzfristigen Speicherplatz für Informationen, die ein Computerprozessor gerade verwendet oder voraussichtlich verwenden wird. Er ist deutlich schneller als eine Festplatte, ein Solid-State-Laufwerk oder ein anderes Gerät zur Langzeitspeicherung. Dadurch muss der Computer nicht auf die Verarbeitung der Daten warten.
Die Geschwindigkeit von RAM wird in Nanosekunden gemessen. Da RAM so unglaublich schnell ist, kann er rasch zwischen Aufgaben wechseln. RAM ist außerdem ein Lese-/Schreibspeicher. Das bedeutet, dass die CPU Anweisungen schnell aus dem RAM lesen und Ergebnisse in den RAM schreiben und Daten damit zügig verändern kann. RAM wird Arbeitsspeicher mit wahlfreiem Zugriff genannt, weil der Computer direkt und in beliebiger Reihenfolge auf den RAM zugreifen und ihn bearbeiten kann – von jedem physischen Ort aus.
Die RAM-Kapazität eines Computers reicht gewöhnlich von etwa 2 GB bis 64 GB. Sie wird durch Chips bereitgestellt, die in Speichersteckplätze neben der zentralen Prozessoreinheit (CPU) auf der Hauptplatine des Computers passen. Die RAM-Kapazität lässt sich durch das Hinzufügen weiterer Chips erweitern, sofern diese kompatibel sind. Mehr RAM verbessert die Verarbeitungsgeschwindigkeit eines Computers, nicht seine Speicherkapazität.
RAM ist ein flüchtiger Speicher, das heißt, er speichert Daten nur, solange das Gerät eingeschaltet ist. Wird der Computer ausgeschaltet, werden die Daten im RAM automatisch gelöscht. Aufgrund der Flüchtigkeit des RAM werden alle Arbeiten am Computer ständig auf der Festplatte oder SSD gespeichert, damit die Daten bei einer plötzlichen Unterbrechung der Stromversorgung nicht verloren gehen.
RAM-Chips sind im Grunde Halbleiter auf einem Prozessor, die Variablen für CPU-Berechnungen speichern – der RAM stellt Speicheradressen für angeforderte Daten bereit. Erhält die CPU eine Anweisung zum Lesen von Daten zusammen mit deren Speicheradresse beziehungsweise Speicherort, sendet sie die Adresse an den RAM-Controller. Dieser überträgt die Adresse an den richtigen Pfad, öffnet die Pfadtransistoren und liest den Wert jedes Kondensators aus. Letztlich werden die gelesenen Daten zurück an die CPU übertragen.
RAM-Typen
Die beiden wichtigsten RAM-Typen sind statischer RAM (SRAM) und dynamischer RAM (DRAM).
SRAM ist schneller und benötigt weniger Strom als DRAM. Außerdem ist er teurer. Er wird im Allgemeinen als Cache-Speicher verwendet. SRAM nutzt den Zustand einer Speicherzelle mit sechs Transistoren, um ein Datenbit zu speichern. Typische Geschwindigkeiten liegen zwischen 20 und 40 Nanosekunden (ns).
DRAM ist langsamer und benötigt mehr Strom, kann aber mehr Daten speichern als SRAM. Er verwendet eine Speicherzelle aus einem gekoppelten Transistor und Kondensator, um ein Datenbit zu speichern. Anders als bei SRAM muss jede DRAM-Zelle regelmäßig aufgefrischt werden, da Kondensatoren dazu neigen, Ladung zu verlieren. Typische DRAM-Geschwindigkeiten liegen zwischen 60–100 ns.
Der schnellste RAM ist DDR5, das 2021 auf den Markt kam und die größten Verbesserungen gegenüber allen vorherigen DDR-RAM-Versionen bietet.
Was ist ROM und wie funktioniert es?
ROM ist ein nichtflüchtiger Speicher, das heißt, er speichert Daten sowohl bei eingeschalteter als auch bei ausgeschalteter Stromversorgung. Solange ROM nicht gelöscht wird, vergisst es Daten nie. Die meisten Computer verfügen über zahlreiche ROM-Chips auf der Hauptplatine und auf Erweiterungskarten. Diese speichern das System-BIOS sowie wichtige Informationen zum Hochfahren, Lesen und Schreiben auf Peripheriegeräte, Verwalten grundlegender Daten und Ausführen einiger Dienstprogramme.
Wird ein Computer eingeschaltet, erwacht der Nur-Lese-BIOS-Chip zum Leben und überprüft die verschiedenen Komponenten des Computers, um sicherzustellen, dass sie alle vorhanden sind und ordnungsgemäß funktionieren. Bei diesem als Power-on Self-Test (POST) bezeichneten Vorgang weist das BIOS die CPU an, den Code an verschiedenen Stellen zu überprüfen. Während des Tests hören Sie möglicherweise das Surren der Festplatte und sehen einige blinkende Lichter. Nach Abschluss des Tests übernimmt die CPU und startet das Betriebssystem.
ROM findet sich in PCs und anderen Geräten wie Taschenrechnern, Peripheriegeräten und eingebetteten Systemen, bei denen sich die Programmieranforderungen voraussichtlich nicht ändern. ROM-Chips wurden in Spielmodulen für frühe Spielkonsolen wie das ursprüngliche Nintendo und den Gameboy verwendet.
ROM wird als Nur-Lese-Speicher bezeichnet, weil die CPU zwar Daten im ROM lesen, sie traditionell aber nicht verändern konnte. Einige, aber nicht alle ROM-Typen ermöglichen inzwischen das Löschen und erneute Beschreiben von Daten, wenn auch längst nicht so effizient wie RAM.
ROM-Typen
Es gibt drei Haupttypen von ROM-Speichern.
- Programmierbarer ROM (PROM), ein ROM-Typ, der als leerer Speicher hergestellt wird, etwa bei einer CD-ROM. Die Daten werden nach der Herstellung geschrieben.
- Löschbarer und programmierbarer ROM (EPROM), ein ROM-Chip, der durch Bestrahlung mit hochintensiven ultravioletten Strahlen gelöscht werden kann. EPROM kann anschließend neu programmiert werden.
- Elektrisch löschbarer und programmierbarer ROM (EEPROM), der mithilfe elektrischer Feldemission (auch Fowler-Nordheim-Tunneln genannt) gelöscht werden kann – ein einfacherer Vorgang als der bei EPROM. EEPROM kann etwa 10.000-mal neu programmiert werden.
Die Zukunft von RAM und ROM
Die Industrie versucht, einen universellen Speicher mit denselben Eigenschaften wie DRAM und Flash-Speicher herzustellen. Einige vielversprechende Produkte sind die folgenden:
- Magnetoresistiver RAM (MRAM), der magnetische Eigenschaften zum Speichern von Daten nutzt und daher keine Stromquelle benötigt, um die Daten zu erhalten. Obwohl MRAM bereits eingesetzt wird, ist er teuer und wird nur sparsam von spezialisierten Organisationen verwendet. MRAM könnte DRAM ersetzen.
- Phasenwechselspeicher (PCM), ein nichtflüchtiger RAM, der Daten speichert, indem elektrische Ströme durch Heizelemente geleitet werden, um eine Glasart schnell zu erhitzen und abzukühlen.
- Resistiver Speicher mit wahlfreiem Zugriff (ReRAM), ein nichtflüchtiger RAM, der durch das Erzeugen physischer Defekte in Schichten aus Oxidmaterial funktioniert. Die Defekte werden als Sauerstoffleerstellen bezeichnet und ähneln denen in einem Halbleiter, enthalten jedoch Sauerstoffionen. ReRAM wird in KI-Anwendungen eingesetzt.
Alle künftigen DRAM-Ersatztechnologien werden derzeit in Nischenmärkten eingesetzt; konkrete Termine für eine öffentliche Nutzung gibt es nicht. Ziel des universellen Speichers ist es, RAM und ROM auf demselben Chipsatz zu vereinen. Allerdings müssen Halbleiteranbieter noch mehrere Herausforderungen bewältigen, damit dieser Speicher Wirklichkeit wird.
Fazit: RAM und ROM
Sowohl Nur-Lese-Speicher als auch Arbeitsspeicher mit wahlfreiem Zugriff stellen wichtige Arten internen Speichers bereit, die Computer für ihre ordnungsgemäße Funktion benötigen. RAM und ROM befinden sich beide auf der Hauptplatine des Computers, jedoch in separaten steckbaren Chipsätzen, und beide wurden technologisch weiterentwickelt. Halbleiteranbieter arbeiten zwar an Ersatztechnologien, sind dabei aber auf technische Herausforderungen gestoßen. Deshalb werden die meisten Computer mindestens in den nächsten Jahren weiterhin RAM und ROM verwenden.
