Speicherbaustein

Ab den 1960er Jahren lösten elektronische Halbleiterspeicher (das Die im Vordergrund) die magnetischen Kernspeicher (im Hintergrund) ab. Damit begann das Zeitalter der Halbleiterspeicher, die heutzutage die Grundlage für das Speichern digitaler Daten im Informationszeitalter bilden. Die Mehrzahl der elektronischen Geräte enthält heute nicht nur einen, sondern mehrere Halbleiterspeicher.

Ein Speicherbaustein ist heutzutage ein diskreter integrierter Schaltkreis (ICs) oder Halbleiterspeicher, das heißt eine spezielle mikroelektronische Schaltung oder Anordnung von Halbleiterbauteilen in einem Gehäuse, bestehend aus einer Vielzahl von Speicherzellen. Diese elektronischen Bauteile werden von spezialisierten Unternehmen der Halbleiterindustrie für das Auflöten auf eine Leiterplatte entworfen, hergestellt und angeboten. Beispiele hierfür sind die Hauptplatine eines Computers. Im Falle eines Personal Computers (PC) wird Arbeitsspeicher (als Speichermodul) eingesteckt und verbunden. Andere Speicher, wie die Cache-Speicher, sind in Mikroprozessoren integriert.

Speicherbausteine sind neben den Logikbausteinen (Gattern) für Logikschaltungen wesentliche Bestandteile eines digitalen Systems, z. B. eines Computers oder Mikrocontrollers. Sie stellen je nach Typ, das „Langzeit- und Kurzzeit-Gedächtnis“ dieser Systeme dar. Fachsprachlich ausgedrückt unterscheidet man die nichtvolatilen (nichtflüchtigen) von den volatilen (flüchtigen) Halbleiterspeichern.

Abgrenzung

Andere Speichermedien für Computersysteme wie magnetische Festplatten, Magnetbändern oder optischen Speicher (z. B. CD-ROM, DVDs und Blu-ray) werden üblicherweise nicht als Speicherbaustein bezeichnet.

Entwicklungsgeschichte

Kernspeicher waren der Industriestandard für elektronische Speicher. Aufnahme von 2012 aus einem Konferenzraum in Menlo Park, Kalifornien (Silicon Valley).

Die Entwicklung von Speicherbausteinen und der entsprechenden Technologie erfolgte parallel zu den Entwicklungen der Computer. Noch bevor es halbleiterbasierten Speichern gab, dominierten Kernspeicher die Welt der elektronischen Datenverarbeitung (EDV) der 1950er und 1960er Jahre. Sie wurden noch vor DRAM, SRAM und Flash eingesetzt. Die Daten wurden durch die Magnetisierung – oder deren Fehlen – der einzelnen Ringe gespeichert, d. h. ein Bit (0/1) als Speichergröße. Die Module (siehe das Foto) hatten meist eine Kapazität von 4 Kilobit. Es handelt sich um einen nichtflüchtigen Speicher, der zudem relativ unempfindlich gegenüber Strahlung und sogenannten „Soft Errors“ ist – ganz ähnlich wie das heutige MRAM. Die frühen Exemplare wurden noch von Hand gewebt; im Laufe der Zeit verringerte sich die Größe der Eisenringe, und sie wurden zu einem dichten elektromagnetischen Gewebe verarbeitet.

Die Erfindungen der elektronischen und halbleiterbasierten Speicherbausteine sind mit einer Reihe an Ingenieuren und Wissenschaftlern verbunden. Beispielsweise wurde das EPROM von Dov Frohman erfunden, oder Fujio Masuoka, dem Erfinder des Flash-Speicher. Letzterem ging die Erfindung des Floating-Gate-Transistors durch Dawon Kahng und Simon Sze etwa 1967 voraus.

Neuere Entwicklungen streben an, das magnetische Speicherprinzip mikroelektronisch zu hochdichten, nicht flüchtigen Speichern zu kombinieren (siehe MRAM).

Typen

Siehe auch: Halbleiterspeicher

128 Megabyte (MB) Memory Stick von Sony. Zu erkennen sind der Controller- und Kommunikationschip von Sony (links) und der Speicherchip von Toshiba (rechts).

Speicherbaustein sind in verschiedenen Formen verfügbar. Man unterscheidet sowohl hinsichtlich der genutzten Halbleitertechnologie, als auch des genutzten Chipgehäuses bzw. ihrer elektrisch-elektronischen Ansteuerung (Spannungs- und Stromversorgung, sowie Daten- und Kontrollleitung bzw. Bus). Grundsätzlich unterscheidet man außerdem zwischen flüchtigen („vergesslichen“) und nichtflüchtigen Speichern. Gängige Speichertechniken und damit Speicherbausteine sind:

Flüchtige Halbleiterspeicher

• Random-Access Memory (RAM) und Derivate:
  • DDR-SDRAM
  • Dynamic Random Access Memory (DRAM)
  • Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM)
  • Graphics Double Data Rate (GDDR)
• Cache:
  • Static RAM (SRAM)

Nichtflüchtige Halbleiterspeicher

• Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM)
• Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM)
• Flash-Speicher:
  • NOR-Flash
  • NAND-Flash

Manche Bausteine werden mittels Maskenprogrammierung (Mask ROM) geschrieben/gelesen. Hier sind die Bausteine:

• Festwertspeicher (ROM)
• Programmable Read-Only Memory (PROM)

Zu den neuesten Speichern zählen neben den weiterentwickelten Generationen DDR2, DDR3, DDR4 und DDR5 (in Verwendung auch als Grafikspeicher, siehe GDDR oben) die mittels PCI Express oder High Bandwidth Memory (HBM) in PC-Systemen angeschlossen werden.

Die Speichertechnologie wird je nach Verwendung des Speichers gewählt, z. B. nichtflüchtiger Langzeitspeicher wie in einem BIOS oder schneller Kurzzeitspeicher wie beim Arbeitsspeicher eines Computer-Systems. Siehe auch die Hersteller von Halbleiterspeichern.

Anwendungen

Speicherbausteine werden in einer Vielzahl von Anwendungen zum kurz- oder langfristigen Ablegen von Informationen eingesetzt. Sind die Bausteine aus halbleiterbasierten Materialien funktional und fertigungstechnisch hergestellt, spricht man auch von Halbleiterspeichern, die zum Speichern und Lesen von digitalen Daten verwendet werden.

Es gibt viele eine Vielzahl von Speicherbausteinen, welche für verschiedene Zwecke verwendet werden, wie beispielsweise Halbleiterspeicher für Startladeroutinen im BIOS als auch Halbleiterspeicher von Arbeitsvariablen bei der Verarbeitung eines Anwendungsprogramms im Arbeitsspeicher. Ursprünglich waren diese Funktionen ausschließlich in Speicherbausteinen realisiert. Mit zunehmender Komplexität der Systeme, höherem Integrationsgrad von ICs und kürzeren Schaltzeiten wurden zusätzliche Speicherbausteine hinzugefügt, die (zum Teil gleich) aus Kosten-, Zuverlässigkeits- und Geschwindigkeitsgründen zusammen mit den Logikschaltungen in einem monolithischen integrierten Schaltungen (ICs) realisiert wurden. Beispiele hierfür sind der Cache in einem konventionellen Computersystem als auch eingebetteter Speicher für Langzeitdatenspeicherung in modernen Mikrocontrollern. Eine weitere Anwendung von Speicherbausteinen sind große nichtflüchtige Speicher wie sie in Halbleiterspeicher-Festplatten, USB-Massenspeicher oder in elektronischen Speicherkarten verwendet werden.

Siehe auch

• Massenspeicher
• Parallele und Serielle Datenübertragung
• Sekundärspeicher
• Soft Error und Built-in self-test (BIST)

Literatur

Siehe auch: Halbleiterspeicher und Halbleitertechnik

Weblinks

Commons: Computerspeicher – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien