Arbeitsspeicher/Geschichte

Geschichte

Zu Beginn kannten Computer keinen Arbeitsspeicher

• Zu der Zeit wurden Arbeitsschritte auf Floppy Discs und Lochkarten gespeichert.
• Die erste Form von Arbeitsspeicher wurde in 1947 erfunden und benutzte eine Kathodenstrahlröhre.
• Auch in 1947 erfunden wurde der Magnetkernspeicher.
• Arbeitsspeicher wie wir es kennen wurde erstmalig in 1968 erfunden.
• Dieser nennt sich Festkörperspeicher und hatte noch Pins als Anschluss.
• Diese Pins wurden kurze Zeit später mit Kontakten ersetz.
• 1980 kam man auf die Idee das Betriebssystem und Programme auf den Arbeitsspeicher zu kopieren.
• Was den PC deutlich schneller und ruckelfreier machte.

Geschichte

Magnetkernspeicherelement, um 1971, Kapazität 16 Kibibyte

Die ersten Computer hatten keinen Arbeitsspeicher, nur einige Register, die mit der gleichen Technik wie das Rechenwerk aufgebaut waren, also Röhren oder Relais

• Programme waren fest verdrahtet („gesteckt“) oder auf anderen Medien, wie zum Beispiel Lochstreifen oder Lochkarten gespeichert und wurden nach dem Lesen direkt ausgeführt

„In Rechenanlagen der 2. Generation dienten Trommelspeicher als Hauptspeicher“ (Dworatschek)

• Zusätzlich wurde in der Anfangszeit auch mit eher exotischen Ansätzen experimentiert, beispielsweise mit Laufzeitspeichern in Quecksilberbädern oder in Glasstabspiralen (mit Ultraschallwellen beschickt)
• Später wurden Magnetkernspeicher eingeführt, die die Information in kleinen Ferritkernen speicherten
• Diese waren in einer kreuzförmigen Matrix aufgefädelt, wobei sich je eine Adressleitung und eine Wortleitung in der Mitte eines Ferritkerns kreuzten
• Der Speicher war nicht flüchtig, die Information ging jedoch beim Lesen verloren und wurde anschließend von der Ansteuerungslogik sofort wieder zurückgeschrieben
• Solange der Speicher nicht beschrieben oder gelesen wurden, floss kein Strom
• Er ist um einige Größenordnungen voluminöser und teurer herzustellen als moderne Halbleiterspeicher

Typische Großrechner waren Mitte der 1960er Jahre mit 32 bis 64 Kibibyte großen Hauptspeichern ausgestattet (zum Beispiel IBM 360-20 oder 360-30), Ende der 1970er Jahre (zum Beispiel die Telefunken TR 440) mit 192.000 Worten à 52 Bit (netto 48 Bit), also mit über 1 Megabyte

Der Kernspeicher als Ganzes bot ausreichend Platz, neben dem Betriebssystem, das aktuell auszuführende Programm zunächst von einem externen Medium in den Arbeitsspeicher zu laden und alle Daten zu halten

• Programme und Daten liegen in diesem Modell aus Sicht des Prozessors im gleichen Speicher, die heute am weitesten verbreitete Von-Neumann-Architektur wurde eingeführt

Arbeitsspeicher in Form eines ICs auf einem SDRAM-Modul

Mit Einführung der Mikroelektronik wurde der Arbeitsspeicher zunehmend durch integrierte Schaltungen (Chips) ersetzt

• Jedes Bit wurde in einem bistabilen Schalter (Flipflop) gespeichert, das mindestens zwei, mit Ansteuerlogik aber bis zu sechs Transistoren benötigt und relativ viel Chipfläche verbraucht
• Solche Speicher verbrauchen immer Strom
• Typische Größen waren integrierte Schaltungen (ICs) mit 1 KiBit, wobei jeweils acht ICs gemeinsam adressiert wurden
• Die Zugriffszeiten lagen bei einigen 100 Nanosekunden und waren schneller als die Prozessoren, die um ein Megahertz getaktet waren
• Das ermöglichte zum einen die Einführung von Prozessoren mit sehr wenigen Registern wie dem MOS Technology 6502 oder dem TMS9900 von Texas Instruments, die ihre Berechnungen größtenteils im Arbeitsspeicher durchführten
• Zum anderen ermöglichte es den Bau von Heimcomputern, deren Videologik einen Teil des Arbeitsspeichers als Bildschirmspeicher verwendete und parallel zum Prozessor darauf zugreifen konnte

Ende der 1970er Jahre wurden dynamische Arbeitsspeicher entwickelt, die die Information in einem Kondensator speichern und nur noch einen zusätzlichen Feldeffekttransistor pro Speicherbit benötigen

• Sie können sehr klein aufgebaut werden und benötigen sehr wenig Leistung
• Der Kondensator verliert die Information allerdings langsam, die Information muss daher in Abständen von einigen Millisekunden immer wieder neu geschrieben werden
• Das geschieht durch eine externe Logik, die den Speicher periodisch ausliest und neu zurückschreibt (Refresh)
• Durch die höhere Integration in den 1980er Jahren konnte diese Refreshlogik preiswert aufgebaut und in den Prozessor integriert werden
• Typische Größen Mitte der 1980er waren 64 KBit pro IC, wobei jeweils acht Chips gemeinsam adressiert wurden

Die Zugriffszeiten der dynamischen RAMs lagen bei preiswertem Aufbau ebenfalls bei einigen 100 Nanosekunden und haben sich seitdem nur wenig verändert, die Größen sind jedoch auf einige GBit pro Chip gewachsen

• Die Prozessoren werden heute nicht mehr im Megahertz-, sondern im Gigahertz-Bereich getaktet
• Daher werden, um die durchschnittliche Zugriffszeit zu reduzieren, Caches verwendet und sowohl die Taktrate als auch die Breite der Anbindung des Arbeitsspeichers an den Prozessor erhöht (siehe Front Side Bus)

Im Juni 2012 wurde bekannt gegeben, dass mit dem sogenannten Speicherwürfel (englisch Hybrid Memory Cube und kurz HMC genannt) eine neue kleinere und leistungsstärkere Bauform für Arbeitsspeicher entwickelt werden soll, bei der ein Stapel aus mehreren Dies genutzt werden soll

• Eigens dafür wurde das Hybrid Memory Cube Konsortium gegründet, dem unter anderem ARM, Hewlett-Packard und Hynix beigetreten sind