{"id":14918,"date":"2020-08-22T17:21:41","date_gmt":"2020-08-22T15:21:41","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=14918"},"modified":"2020-08-24T16:45:43","modified_gmt":"2020-08-24T14:45:43","slug":"mach-dem-speicher-beine","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2020\/08\/22\/mach-dem-speicher-beine\/","title":{"rendered":"Mach dem Speicher Beine"},"content":{"rendered":"

Als Ergänzung zu meiner kleinen Zusammenfassung der Schritte wie man einen Prozessor beschleunigt möchte ich heute ergänzen, wie man den Speicher beschleunigt. Wie bei meinem ersten Aufsatz<\/a> geht es dabei um Computerentwicklung allgemein und nicht nur um Mikroprozessoren, die meisten Technologien wurden sogar entwickelt, bevor es überhaupt Mikroprozessoren gab.<\/p>\n

Das Problem<\/h3>\n

Das grundlegende Problem war schon immer, und daran hat sich bis heute nichts geändert, das Speicher langsamer als die Logik war. Das muss nicht so sein. Jeder Prozessor, selbst der einfachste benötigt etwas lokalen Speicher zumindest für die Arbeitsregister, heute auch Caches (dazu später) auf dem Chip. Man kann also Speicher aus denselben Elementen aufbauen, wie Logik die in Prozessoren vorherrscht. Nur macht man dies aus wirtschaftlichen Gründen nicht. Dazu ein Beispiel. Gerade auf den Markt gekommen ist der Ryzen 4750G Prozessor<\/a>. Er hat 9,8 Milliarden Transistoren und kostet 275 Euro. In etwa genauso viel kosten heute 64 GB DDR4 RAM<\/a> also Speicher.<\/p>\n

Man kann aus vier Transistoren ein Element konstruieren, das ein Bit speichert, ein Flip-Flop. Mit 9,8 Milliarden Transistoren könnte man also rund 2,5 Milliarden Bits speichern oder rund 300 MByte. Das sind aber nur ein Zwanzigstel der Speichermenge, die der Arbeitsspeicher für denselben Preis speichert. Arbeitsspeicher in der Technologie aufzubauen, die man für die Logik verwendet geht, ist also sehr teuer. Die Technologie für RAM ist dagegen billiger, aber sie ist langsamer und dieses Problem muss man lösen.<\/p>\n

Das war übrigens schon immer so, auch wenn die Technologien wechselten. Die ersten Speicher speicherten die Information akustisch, als Wellen in einer Röhre gefüllt mit Quecksilber, dann kamen magnetisch-mechanische Speicher in Mode (Trommelspeicher, die nach dem Prinzip einer Festplatte arbeiteten, nur war es keine Platte, sondern eine Zylinderoberfläche) und dann die rein magnetische Speicherung auf Ringkernspeichern. Nach einer kurzen Episode, in der tatsächlich für den Speicher dieselbe Technologie wie für die Logik eingesetzt wurde, (heute als SRAM bezeichnet) kam dann der bis heute übliche DRAM auf, bei dem die Information in dotiertem Silizium gespeichert wird, das sich wie ein Kondensator verhält.<\/p>\n

Alle Technologien für Speicher haben das Problem, das sie langsamer als die Logik ihrer Zeit waren. Man kann dies an einer Größe festmachen, die früher gängig war, bei aktuellem DDR-RAM aber durch eine Liste von Timings ersetzt wurde, die Zugriffszeit und Zykluszeit.<\/p>\n

Jeder Prozessor arbeitet mit einem Takt und bei jedem Takt macht er nur eine Aufgabe. Spricht er den Speicher an, so legt er bei einem Takt die Informationen auf den Bus und verständigt den Speicher das er Daten holen oder schrieben möchte und beim nächsten Takt will er diese Information holen oder schreiben (es können auch mehrere Takte sein, im Folgenden gehe ich aber mal von einem Takt aus, was bei allen modernen Prozessoren auch so ist). Jeder Speicher hat eine Zugriffszeit, das ist die Zeit, die vergeht, zwischen der Anforderung des Prozessors als Signal auf dem Bus und dem Anliegen der Daten auf dem Bus die vom Speicher kommen. Bei den meisten Speichertypen gibt es noch eine zweite Zeit, die Zykluszeit. Sie entsteht dadurch, dass das Auslesen von Daten meistens den Inhalt zerstört und er neu geschrieben werden muss und auch Schreib-\/Lesepuffer Zeit brauchen bis ihre Ladung abgebaut ist. Das obige Flip Flop ist eine Ausnahme von der Regel es hat keine Zykluszeit, bzw. diese ist genauso lange wie die Zugriffszeit. Die Zykluszeit gibt an, wie lange man nach einer Anforderung warten muss, bis man erneut eine Anfrage an den Speicher stellen muss.<\/p>\n

Wer wie ich seine ersten Versuche Anfang der Achtziger mit einem C64<\/a>, CPC 464<\/a>, Sinclair Spectrum<\/a> oder ähnlichem Computer machte, der hatte in diesem DRAM Bausteine mit einer Zugriffszeit von 150 bis 200 ns und einer Zykluszeit von 260 bis 350 ns. Prozessoren dieser Zeit (in 8 Bit Rechnern) hatten Taktfrequenzen von 1 bis 4 MHz), der Kehrwert davon waren dann 250 bis 1000 ns, das heißt, die Prozessoren konnten verzögerungsfrei lesen. Das galt, aber nur weil es die langsamsten Prozessoren ihrer Zeit war. Großcomputer arbeiteten dagegen damals schon mit bis zu 250 MHz und für diese waren dann diese Zugriffszeiten viel zu langsam.<\/p>\n

Das Dumme nur: Seitdem ist die Taktfrequenz eines PC um etwa das Tausendfache auf 2 bis 5 GHz gestiegen, die Zugriffzeit von DRAM aber nur auf 7 bis 10 ns gesunken, also den Faktor 30. Speicher ist im Vergleich zum Prozessor noch langsamer geworden und unsere Computer wären unerträglich langsam, wenn man diesen Nachteil nicht kaschieren würde. Löst man es nicht, so muss der Prozessor warten, bis der Speicher bereit ist, das kam auch vor, als die Prozessoren nur etwas schnellerals das RAM ihrer Zeit\u00a0 waren. Rechner der AT-Ära gab es mit 0, 1 oder 2 Wartezyklen zu kaufen \u2013 je nach Taktfrequenz und verbautem Speicher.<\/p>\n

Taktiken das Problem zu lösen<\/h3>\n

Es gibt im Prinzip folgende Methoden die Langsamkeit des Speichers zu kaschieren:<\/p>\n