Im Folgenden erläutern wir die von Entwicklern verwendeten allgemeinen Parameter:

• Hardwareschnittstellen bezeichnet die vielen Schnittstellen eines Speicherchips, die einen schnellen Datenzugriff und -abruf ermöglichen, ohne dabei die Speicherkapazitäten zu beeinträchtigen. Ein Speicherchip stellt Verknüpfungen mit Grafiken, Festplattenlaufwerken und universellen seriellen Bussen (USB) her.
• Datenrate bezeichnet die Geschwindigkeit, mit der Befehle vom Programmspeicher abgerufen, in Signale für die CPU umgewandelt und ausgeführt werden.
• Bandbreite, oder Taktrate und Zugriffszeit, bezieht sich auf die Datenmenge, die ein Speicherchip innerhalb eines festgelegten Zeitrahmens übertragen, lesen, speichern oder verarbeiten kann. Die Bandbreite kann in Bits, Bytes oder Hertz pro Sekunde (b/s, B/s oder Zyklen/s) angegeben werden.
• Speicherkapazität bezieht sich auf die Kapazität des Datenspeichers.
• Speicherbandbreite ist die Geschwindigkeit, mit der ein Prozessor Daten aus einem Halbleitergerät lesen oder in ein Halbleitergerät speichern kann. 
• Das Speicher-Timing bestimmt die allgemeine Arbeitsgeschwindigkeit des Prozessorsystems.
• Datenspeicherung gibt an, die lange die Daten im Chip gespeichert werden können.
• Die Leistungseffizienz eines Chips ist geringer, wenn der Chip durchgehend von einer Energiequelle mit Energie versorgt werden muss.
• Schreiben/neu schreiben oder nur lesen gibt an, ob der Speicherchip häufig Schreib-/Neuschreibvorgänge ausführt. Nur-Lese-Speicher speichern in der Regel ausführbare Programme, die schreibgeschützt sind.
• Temperaturtoleranz ist der Temperaturbereich, innerhalb dessen der Speicherchip zuverlässig arbeitet. Ein breiterer Temperaturbereich deutet darauf hin, dass ein Chip auch in rauen Umgebungen eingesetzt werden kann.

Anhand der oben beschriebenen Parameter werden wir die vier häufigsten Kategorien der auf dem Markt verfügbaren Speicherchips vergleichen: Dynamic Random Access Memory (DRAM, dynamisches RAM), statisches RAM (SRAM), elektrisch löschbare programmierbare ROM (Electrically Erasable Programmable ROM, EEPROM) und Flash.

Dynamisches RAM und statisches RAM werden im Primärspeicher (RAM) verwendet, EEPROM und Flash im Sekundärspeicher (ROM). Sowohl der Primär- als auch der Sekundärspeicher sind notwendig, sie unterscheiden sich jedoch in einigen Punkten. Sekundärspeicher bezeichnet normalerweise externen Speicher wie beispielsweise eine Festplatte. Die Speichertechnologie ist mittlerweile so fortgeschritten, dass viele Sekundärspeicher heute Solid-State-Speicher enthalten.

Primärspeicher: Vergleich zwischen DRAM und SRAM

Der Primärspeicher, oder RAM, ist mit der zentralen Verarbeitungseinheit (Central Processing Unit, CPU) verknüpft. Infolgedessen ermöglicht der Primärspeicher einen schnelleren Datenzugriff. Während die Speicherkapazität des Primärspeichers jedoch begrenzt ist, wird der Sekundärspeicher für die langfristige Speicherung größerer Datenmengen verwendet. Der Primärspeicher ist flüchtig, temporär und muss durchgehend mit Strom versorgt werden, damit die gespeicherten Inhalte nicht verloren gehen. Wenn das System heruntergefahren wird, werden die Inhalte des Speichers gelöscht. Der Primärspeicher kann außerdem mehrere Male beschrieben und neu beschrieben werden.

DRAM und SRAM werden beide im Primärspeicher verwendet. Die Zellstruktur ist beim DRAM einfacher als beim SRAM. Das DRAM benötigt nur eine Speicherzelle, das SRAM hingegen mehrere. Folglich ist das DRAM deutlich günstiger, es bietet jedoch die gleiche Speicherdichte. Darüber hinaus kann das DRAM eine hohe Speicherdichte innerhalb kleiner Formfaktoren erzielen, was die Verbreitung in PCs und Workstations ermöglicht.

Das DRAM bringt jedoch auch erhebliche Nachteile mit sich. Da die für die Datenspeicherung in DRAM-Zellen benötigte elektrische Ladung langsam abnimmt, müssen DRAM-Zellen regelmäßig wieder aufgefrischt oder neu beschrieben werden. Die Wiederauffrischung ist ein dynamischer Prozess – daher die Bezeichnung „DRAM“. Aufgrund der notwendigen Wiederauffrischung und der dauerhaft erforderlichen Energieversorgung bietet das DRAM eine nur geringe Leistungsfähigkeit bei hohem Energieverbrauch. Darüber hinaus beeinträchtigt die Wiederauffrischung auch die Betriebsgeschwindigkeit.

Das SRAM hingegen erfordert keine Wiederauffrischung und kann daher schnellere, zuverlässigere Lese- und Schreibzykluszeiten unterstützen als das DRAM. Darüber hinaus sind die SRAM-Zykluszeiten deutlich kürzer, da zwischen den Datenzugriffen keine Unterbrechungen notwendig sind. SRAM-Chips verfügen über mehr Speicherzellen pro Chip. Daher sind sie teurer und benötigen mehr Strom als DRAM-Chips. Infolgedessen wird das SRAM in der Regel für Cache- und Videospeicher verwendet, während das DRAM die bevorzugte Technologie für Halbleiterspeicher ist.

Neben einer höheren Betriebsgeschwindigkeit bietet das SRAM eine höhere Betriebseffizienz als das DRAM. Das DRAM arbeitet asynchron und verarbeitet Anfragen einzeln nacheinander. Das SRAM dagegen ist mit der Prozessoruhr synchronisiert und kann komplexere Vorgänge schneller verarbeiten.

Außerdem gibt es sowohl DRAM- als auch SRAM-Chips, die auf höhere Belastung ausgelegt sind und den erforderlichen Temperaturbereich für industrielle und militärische Anwendungen bieten.

Sekundärspeicher: Vergleich zwischen EEPROM und Flash

Im Gegensatz zum Primärspeicher ist der Sekundärspeicher, oder ROM, nicht mit der CPU verknüpft. Infolgedessen erfolgt der Datenzugriff beim Sekundärspeicher langsamer. Da der Sekundärspeicher dauerhaft und nicht flüchtig ist, gehen die Daten bei einem Stromausfall, bei Stößen oder Vibrationen nicht verloren. Darüber hinaus bietet der Sekundärspeicher einen deutlich größeren Datenspeicher. Im Gegensatz zum Primärspeicher, der mehrmals beschrieben und neu beschrieben werden kann, ist der Sekundärspeicher hauptsächlich ein Nur-Lese-Speicher, an dem nur selten Änderungen vorgenommen werden.

Ein EEPROM ist ein ROM-Typ, der durch elektrische Pulse mit einer bestimmten Spannung mehrmals gelöscht und neu programmiert werden kann. Das Löschen und Neuprogrammieren eines EEPROM-Chips erfolgt byteweise. Daher lässt sich ein EEPROM möglicherweise nur langsam neu programmieren. Darüber hinaus weist ein EEPROM nur eine begrenzte Programmierbarkeit auf, wodurch sich die Lebensdauer verkürzt.

Aufgrund der geringen Datenspeicherkapazität und der unzuverlässigen Datenbeständigkeit werden EEPROMs nicht häufig verwendet. Der Datenspeicherungszeitraum bei EEPROMs ist begrenzt, da die in das Floating Gate eingebrachten Elektronen entweichen und infolgedessen Daten verloren gehen können. Nach einer bestimmten Anzahl an Zyklen sind keine Neuschreibvorgänge bei EEPROMs mehr möglich, was die Datenbeständigkeit beeinträchtigt.

Daher werden EEPROMs hauptsächlich in der schnellen Geräteprototypen-Entwicklung eingesetzt, in der einfache Neuprogrammierungen und eine geringe Volatilität erforderlich sind. PC-Hersteller nutzen EEPROM in der Regel, um den Nur-Lese-Speicher neu zu programmieren. Da EEPROM-Chips darüber hinaus zum Speichern der Daten keine Stromversorgung benötigen, werden sie häufig zum Speichern von BIOS-Informationen und Basissoftware für Modems, Grafikkarten und andere Peripheriegeräte verwendet.

Im Laufe der Jahre hat der Flash-Speicher, eine effizientere Version von EEPROM, diesen in vielen Bereichen ersetzt. Im Gegensatz zum EEPROM, der Lese- und Schreibvorgänge byteweise ausführt, löscht und schreibt der Flash-Speicher Daten blockweise. Dadurch weist der Flash-Speicher eine höhere Leistungsfähigkeit auf als der EEPROM. Während einige Flash-Chips langsamer sind, da sie erst nach dem Löschen beschrieben werden können, verfügen einige neuere Flash-Chips über eine Read-while-Write-Funktion (RWW), die gleichzeitig Lese- und Schreibvorgänge ermöglicht.

Die zwei Grundtypen von Flash-Speichern sind „not AND“ (NAND, „nicht UND“) und „not OR“ (NOR, „nicht ODER“). Der Zugriff auf NAND-Flash-Speicher erfolgt wie bei Blockgeräten wie beispielsweise Festplatten. Der NAND-Flash-Speicher ist in ein Dateisystem unterteilt und wird als Speicher mit wahlfreiem Zugriff verwendet. Daher erfordert er eine Speichermanagementeinheit. Der NOR-Flash-Speicher kann hingegen wie ein herkömmlicher ROM von einzelnen Speicherzellen gelesen werden. Um die begrenzte Anzahl an Schreibzyklen (Lebensdauer) eines Flash-Laufwerks zu erhöhen, wurde das Wear-Leveling entwickelt, mit dem sich die Auswirkungen auf intensiv genutzte Zellen oder Bereiche verringern lassen.

Im Allgemeinen sind Flash-Chips besser tragbar als EEPROM-Chips. Auf Bytebasis sind Flash-Chips jedoch zu teuer, um sie als Massenspeichergeräte verwenden zu können. Derzeit wird Flash-Speicher im tragbaren Speicher für digitale Bilder eingesetzt – wie beispielsweise in SD-Karten für Digitalkameras, USB-Sticks, Mobiltelefonen, Pagern und Scannern. Flash-Speicherchips werden außerdem als Solid-State-Festplatten in Laptops und Speicherkarten für Videospielekonsolen verwendet. 

Fazit

Ein Computer benötigt sowohl Primär- als auch Sekundärspeicher. Die beiden Speicherarten weisen verschiedene Merkmale hinsichtlich Hardwareschnittstelle, Datenrate, Speicherkapazität, Datenspeicherung, Leistungseffizienz und Lese-/Schreibvorgängen auf. Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines Speicherchips die für Ihr Design geeigneten Parameter. Die meisten Händler stellen Speicher-Suchkriterien für Entwickler bereit.

Der Primärspeicher nutzt sowohl DRAM- als auch SRAM-Chips. Die größten Unterschiede bestehen hierbei in der regelmäßigen Wiederauffrischung und den geringeren Kosten des DRAM sowie der höheren Geschwindigkeit des SRAM. EEPROM- und Flash-Chips werden im Sekundärspeicher verwendet. Sie unterscheiden sich hinsichtlich der Lösch- und Schreibvorgänge und hinsichtlich der Kosten, die bei den Flash-Chips höher liegen.

Es sind viele weitere Spezialspeicher verfügbar. DRAM, SRAM, Flash und EEPROM sind jedoch mit Abstand die beliebtesten Speicherchips für Designs.