Speicherhierarchie: Endlich verstehen, warum viel Arbeitsspeicher / RAM im Computer so wichtig ist!

Lesezeit ca. 8 Minuten

Lernen Sie, kurz und buendig, was RAM und die Speicherhierachie ihres Computers zusammenspielen

RAM & Co: Einführung in die Speicherhierachie / Speicherverwaltung eines Computers / PCs

Um zu verstehen, warum viel Arbeitsspeicher / RAM im Computer (insbesondere PCs & Notebooks)  zu haben so wichtig ist, kommt man um ein Grundverständnis der sogenannten Speicherhierarchie und der daraus resultierenden Speicherverwaltung nicht herum. Denn es gibt mehrere Speicherarten in Ihrem Computer, die alle ganz unterschiedlich schnell sind. Man unterscheidet zwischen dem Cache, dem Hauptspeicher und dem sogenannten Sekundärspeicher. Diese Speicher sind hierarchisch angelegt und werden dementsprechend von der Speicherverwaltung Ihres Betriebssystems, zum Beispiel Windows 10, organisiert.

Im Unterschied zum Sekundärspeicher, zu dem insbesondere die Festplatte oder SSD eines Computers zählen, kann ein Prozessor auf den sogenannten Hauptspeicher direkt zugreifen. Dieser Speicher wird Arbeitsspeicher oder eben auch RAM (Random Access Memory) genannt. Es handelt sich dabei um einen „flüchtigen“ Speichertyp. Das bedeutet, dass Informationen nur solange gespeichert werden können, solange Strom anliegt. Schalten Sie also Ihren Computer aus, so gehen alle Daten, die im Arbeitsspeicher liegen schlagartig verloren.

Zwischen dem eigentlichen Prozessor und dem Hauptspeicher kommt aber noch ein Pufferspeicher (Cache) und die CPU Register zum Einsatz. Diese beiden Speicher sind nochmals ganz erheblich schneller als der RAM Ihres Computers. Der Arbeitsspeicher hingegen ist wiederum um ein Vielfaches schneller als der sekundäre Speicher . Damit ist der verbaute Massenspeicher in Ihrem PC oder Notebook gemeint. Also die klassische Festplatte (HDD),  ein SSD  oder eine die Hybrid-Lösung ) SSHD.

Wenn Sie mehr über Massenspeicher erfahren wollen, lesen Sie gerne auch unseren Beitrag: SSD, HDD oder SSHD: Moderne Massenspeicher im Vergleich.

Zwischen diesen Speichern herrscht also eine sogenannte Speicherhierarchie, die sich über die Geschwindigkeit, aber auch über die Größe / die Kapazität des Speichers definiert. Sehen wir uns diese Speichertypen doch noch einmal näher an:

Speichertypen (PC, Notebook) im Überblick - RAM ist wesentlich schneller als eine SSD

SpeichertypGeschwindigkeitKapazität
CPU Registerextrem schnellextrem gering
CPU Cache (L1, L2, L3)sehr schnellsehr gering
Arbeitsspeicher /RAMmoderatetwas größer
Sekundärspeicher (SSD, HDD) langsam (SSD) bis ausgesprochen langsam (HDD)groß bis sehr groß
Wechseldatenträger (CD, DVD, Band etc..) / auch tertiärer Speicher genannt langsam bis ausgesprochen langsamvariiert nach Medium stark

Wie arbeiten RAM, Cache und Massenspeicher im Computer nun zusammen?

Sehen wir uns die Sache doch noch etwas genauer an. Wenn Sie ein Programm ausführen, kümmert sich der Prozessor/die CPU um die Berechnung aller nötigen Schritte. Die Menge an Anweisungen und Daten die dabei anfallen, arbeitet der Hauptprozessor nun hintereinander ab.

CPU Register und Cache ist sehr schnell aber kleinUnd diese Anweisungen und Daten bezieht er aus dem Speicher des Computersystems. Der ideale Zustand wäre dabei ein richtig großer Speicher, der genauso schnell ist wie der schnellste Speicher der CPU selbst (der wie erwähnt rasend schnell ist).

Nur leider gibt es da ein Problem. Das wäre unbezahlbar. Daher sind die Speicher des Prozessors selbst (CPU Register und nachfolgend die Prozessor-Caches L1 & L2 und L3) auch ziemlich klein dimensioniert.  Wir reden hier von wenigen Kilobyte (L1 Cache)  bis hin zu ein paar Megabyte (L2 / und L3 Cache). Alle wichtigen Daten und Anweisungen in diesen schnellen Speichern für den Prozessor vorzuhalten ist aber wegen der sehr geringen Kapazität schlichtweg unmöglich.

Die Geschwindigkeiten innerhalb der Speicherhierarchie - Die Zugriffszeiten von Arbeitsspeicher / RAM deklassieren auch die schnellste SSD

SpeichertypGeschwindigkeit
CPU Registerextrem schnell: Zugriffszeiten liegen unter einer Nanosekunde*
CPU Cacheenorm schnell: Zugriffszeiten von im Mittel nur wenigen Nanosekunden*
Arbeitsspeichermoderate Zugriffszeiten von etwa 60-70 Nanosekunden*
Sekundärspeicher (SSD)langsame Zugriffszeiten von etwa 0,4 Millisekunden*
Sekundärspeicher (HDD)sehr langsame Zugriffszeiten von etwa 8-10 Millisekunden*

*Zeitangaben sind Richtwerte – geben aber die Unterschiede in der Geschwindigkeit der Speichertypen im Verhältnis korrekt wieder. Auch wenn etwa zwei verschiedene SSDs im Vergleich unterschiedlich schnell sind – an die Zugriffszeiten des Arbeitsspeichers kommt auch die schnellste SSD nicht im Entferntesten heran!

Der Arbeitsspeicher – RAM ist das Arbeitstier Ihres Computers

Der wichtigste Speicher innerhalb der Speicherhierarchie eines Computers ist der Arbeitsspeicher
Für die Speicherverwaltung nicht der schnellste, aber der wichtigste Speichertyp in Ihrem Computer: Der Arbeitsspeicher / RAM.

Aus diesem Grund gibt es den Arbeitsspeicher, den man auch RAM nennt. In der Speicherhierachie liegt er direkt unter den Caches des Prozessors. Er ist im Vergleich zwar sehr viel langsamer, dafür verfügt er aber über eine viel höhere Kapazität. Daher hält Ihr Computer den Großteil aller Daten, die Ihr Prozessor zu verarbeiten hat, und die den Pufferspeicher sofort überlasten würden, hier vor. Ihr Prozessor kann direkt auf den Arbeitsspeicher zugreifen, was einen wesentlichen Performance-Vorteil bringt. Wenn nun aber der Arbeitsspeicher im Betrieb zur Neige geht, also zu knapp bemessen ist, werden auch sehr wichtige benötigte Daten auf der nächst niedrigeren Stufe in der Speicherhierachie abgelegt.

Das ist dann in der Regel der verbaute Massenspeicher, also die Festplatte/ SSD (auch sekundärer Speicher genannt) Ihres Computers. Tja,  und hier muss man ganz deutlich sagen: die Geschwindigkeit auf dieser Ebene ist nochmal DRASTISCH langsamer, als wenn Daten aus dem RAM / Arbeitsspeicher ausgelesen werden.

Arbeitsspeicher/RAM vs SSD/HDD – die Geschwindigkeitsunterschiede

Die Festplatte / SSD bremst die Performance

Um es anhand der Zugriffszeiten der verschiedenen Speichertypen einmal deutlich zu machen:

Die Zugriffszeit auf den Arbeitsspeicher beträgt etwa 70 Nanosekunden. Bei einer wirklich schnellen M.2 SSD auf dem Markt, der Samsung 970 EVO (PCIe), sind es ungefähr 0,02 Millisekunden. Für einen Massenspeicher ist das ein aberwitzig guter Wert. Aber das sind immer noch 20.000 (!) Nanosekunden. Der Zugriff auf den Arbeitsspeicher erfolgt also trotzdem noch um den Faktor 285 schneller! 

Beeindruckt? Dann haben wir noch eine schöne Zahl für Sie. Denn richtig dunkel wird es bei der guten alten Festplatte (HDD). Hier beträgt die durchschnittliche Zugriffszeit um die 8 Millisekunden, was 8.000.000 Nanosekunden entspricht. RAM ist hier also um den Faktor 114.285 schneller!

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Wenn sich also Ihr Prozessor für seine dringendsten nächsten Berechnungen erst einmal von dort aus „bedienen“ muss, dann wird Ihr Computer plötzlich quälend langsam agieren. Denn selbst eine SSD  ist aus der Sicht eines Prozessors ein sehr langsamer Speicher. Und noch schlimmer: die CPU kann auch nicht direkt auf den sekundären Speicher zugreifen. Er muss indirekt über die Ein-/Ausgabe Kanäle des Computers angesprochen werden. Das führt zu einem weiteren Flaschenhals und damit zu einer Verzögerung der Berechnungen.

Wenn also die Größe des Arbeitsspeichers / RAMs zu klein bemessen ist, dann ist eine drastische Verlangsamung Ihres Computers die logische Folge und macht sich auch in der Praxis spürbar negativ bemerkbar.

Lassen Sie uns also festhalten: es gibt eine Speicherhierarchie. Idealerweise würden alle wichtigen Vorgänge im schnellsten Speicher für die Berechnung vorgehalten. Aber das geht nicht. Daher ist ein weiterer, möglichst schneller Speicher notwendig, der aber wirtschaftlich, also bezahlbar, bleiben muss. Und dieser Speicher ist der Arbeitsspeicher (RAM) Ihres Computers / Notebooks.  Dieser sollte im Idealfall so groß sein, dass möglichst wenige Daten der zu verarbeitenden Prozesse, insbesondere Daten mit hoher Priorität, auf der Festplatte / SSD ausgelagert werden müssen.

Speicherhierarchie eines Notebooks / PCs

Was die Speicherverwaltung zunächst einmal vorfindet: Die Speicherhierarchie eines Computers.
Zum Vergrößern klicken.
Das Bild zeigt die klassische Speicherhierarchie in einem Computer (PC / Notebook). Als klare Grundregel sollten Sie sich merken: Je schneller eine Speicherart ist, desto weniger Kapazität besitzt diese auch. An der Spitze der Hierarchie steht also der schnellste Speichertyp – der zugleich aber am wenigsten Kapazität besitzt.
Zum Download des Diagramms

Der Zusammenhang von Speicherverwaltung und Speicherhierarchie

Oder: Der Grund warum man nie genug Arbeitsspeicher / RAM haben kann

Je höher in der Speicherhierarchie abgelegt umso schneller gelangen Daten zum ProzessorSie haben erfahren, dass während der Arbeitsprozesse des Computers Daten an den verschiedensten Stufen der Speicherhierarchie abgelegt werden. Auf diese greift dann der Prozessor bei Bedarf direkt (Hauptspeicher, Cache oder CPU Register) oder indirekt (Massenspeicher: SSD, Festplatte/HDD, SSHD) zu. Wie schnell diese Daten nun zum Prozessor gelangen, ist entscheidend für die Performance des Gesamtsystems. Haben Sie zu wenig Arbeitsspeicher, entsteht ein unnötiger Flaschenhals! Das bedeutet konkret, dass der Prozessor erst einmal auf die Daten warten muss. Das gesamte System gerät daher ins Stocken, der Computer wird gefühlt, wie auch konkret messbar, langsamer.

Die Organisation dieser Daten übernimmt die sogenannte Speicherverwaltung. Diese ist ein Teil Ihres Betriebssystems (zum Beispiel Windows 10). Sie entscheidet darüber wie, wann, wo, in welcher Reihenfolge und in welchem Umfang Daten innerhalb der Speicherhierarchie abgelegt werden.

Das Ziel einer intelligenten und effektiven Speicherverwaltung ist es dabei , möglichst alle Daten möglichst klug und weit oben in der Speicherhierarchie zu platzieren. Und natürlich auch, wieder Platz zu schaffen. Wenn Sie zum Beispiel ein Programm schließen, gibt die Speicherverwaltung Teile des vorher belegten Speicherplatzes wieder frei.

Der Irrtum der statischen Speicherverwaltung / RAM-Organisation

Je mehr RAM Sie im Computer haben, desto mehr gewährt die Speicherverwaltung auch den Programmen

Diese Vorgänge sind höchst dynamisch. Ein großer, vorherrschender Irrtum ist es anzunehmen, dass ein Programm X eben immer eine bestimmte Menge Arbeitsspeicher zugeteilt bekommt. Und das unabhängig von der Speichermenge, welche die Speicherverwaltung auf Ihrem PC vorfindet.

Ein Beispiel:
Nehmen wir einmal an, Sie haben 8 Gigabyte Arbeitsspeicher und sehen, dass ein Programm, zum Beispiel Photoshop, davon 1 Gigabyte an Arbeitsspeicher belegt. Dann wäre es ein Fehlschluss zu glauben, dass sich das bei 16 Gigabyte genauso verhält.

Je nachdem, wie viel Arbeitsspeicher vorhanden ist, agiert die Speicherverwaltung ganz anders. Sie reagiert dynamisch. Wenn die Speicherverwaltung bemerkt, dass viel  RAM vorhanden ist, verhält sie sich dementsprechend und ist wesentlich „großzügiger“ als wenn wenig Arbeitsspeicher installiert ist. Prozesse, die bei 8 Gigabyte auf eine niedrigere Stufe der Speicherhierarchie geschrieben worden wären, hält die Speicherverwaltung zum Beispiel nun auch weiterhin im Arbeitsspeicher vor.

Programmen wird auch wesentlich mehr Speicher im RAM gewährt. Wesentlich größere, inaktive Teile des Betriebssystems werden in den Arbeitsspeicher geladen. Das alles führt in der Summe zu einer immer höheren Performanz Ihres Computers.  Der Zeitpunkt, an dem Sie ein geöffnetes, aber gerade nicht benutztes Programm schließen müssen, weil der Computer langsam wird, rückt immer weiter in die Ferne.

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Speicherbedarf Ihres Computers, zum Beispiel unter Windows 10, richtig deuten

Und so kommt es, dass ein System, das zum Beispiel von 8 Gigabyte auf 32 Gigabyte  aufgerüstet wird, eventuell schon nach dem ersten Start, quasi im Leerlauf, bereits 6 Gigabyte RAM belegen kann. Nach dem ersten Start eines anspruchsvollen Programmes,  zum Beispiel Photoshop, kann der der Taskmanager Ihres Computers sogar schon 10 Gigabyte als benutzt angeben. Das bedeutet nicht etwa, dass das Programm oder Windows 10 so anspruchsvoll wären und einfach viel Arbeitsspeicher benötigen. Es bedeutet vielmehr, dass nun die CPU auf wesentlich mehr Daten direkt aus dem schnellen RAM zugreifen kann, als dies mit halb so viel Arbeitsspeicher der Fall gewesen wäre. Und zwar deshalb, weil die Speicherverwaltung das angesichts der Größe des vorhandenen Arbeitsspeichers so entschieden hat.

Das Ergebnis: Ihr Computer wird schneller und verliert immer seltener an Leistung, auch wenn viele anspruchsvolle Programme gleichzeitig geöffnet sind.

In der Theorie ist es daher so, dass es ein „zu viel“ an Arbeitsspeicher eigentlich nicht gibt. Das gilt gerade dann, wenn Sie einen PC für Bildbearbeitung, Videobearbeitung oder CAD-Anwendungen nutzen wollen. Mehr RAM bedeutet immer auch höhere Performanz Ihres Computers. In der Praxis hingegen müssen Sie aber natürlich Nutzen und Kosten gegeneinander abwägen. Je nach Anwendungsgebiet Ihres PCs macht eine bestimmte Menge an RAM wirtschaftlich dann einfach keinen Sinn mehr.

Je mehr Arbeitsspeicher Sie haben, desto seltener- eventuell auch nie – wird es vorkommen, dass Ihr PC langsamer wird, nur weil Sie viele Anwendungen gleichzeitig geöffnet haben.

Wann ist ein Aufrüsten des Arbeitsspeichers im Computer sinnvoll?

Salopp gesagt: sobald Sie einen Leidensdruck verspüren. Typische Anzeichen für einen Engpass des Arbeitsspeichers sind folgende:

  • Nach dem Start laufen Ihre Programme schnell, später immer träger
  • Sofern Sie noch eine HDD verbaut haben, hören Sie diese permanent arbeiten
  • Sobald Sie eine bestimmte Anzahl an Anwendungen offen haben, wird Ihr Computer langsam. Schließen Sie einige Programm, reagiert der Computer wieder flüssiger
  • Sie erhalten von Ihrem Computer bei einer Aktion die Rückmeldung; „Nicht genug Speicher“
  • Sie sehen im Verlauf des Taskmanagers von Windows 10, dass Ihr Arbeitsspeicher sehr oft mit über 70-80% ausgelastet ist
  • Ihr Computer verhält sich manchmal so träge, dass nur noch ein Neustart hilft

Wie viel Arbeitsspeicher / RAM ist genug?

Das hängt tatsächlich stark davon ab, für was Sie Ihren Computer letztlich verwenden wollen. So reichen 8 Gigabyte RAM für den Einsatz von Office-Anwendungen, auch in einer professionellen Büroumgebung, absolut aus. Wenn Sie aber etwa einen PC für Bildbearbeitung, Videobearbeitung oder gar für CAD-Anwendungen benutzen wollen, werden Sie eventuell erst mit 16, 32 oder sogar noch mehr Arbeitsspeicher glücklich.

Mit der Frage, wie viel Arbeitsspeicher in der Praxis sinnvoll ist, beschäftigen wir uns konkret in folgendem Artikel:

Arbeitsspeicher: wie viel RAM brauchen Sie wirklich im Jahr 2020?

Fazit – Lieber zuviel Arbeitsspeicher in Ihrem Computer (PC / Notebook), als zu wenig!

Innerhalb der Speicherhierarchie nimmt der Arbeitsspeicher die wichtigste Rolle innerhalb eines Computersystems ein. In ihm findet die Speicherverwaltung ihres Computers einen Speicher-Typ vor, der ausreichend schnell ist und dabei über eine vergleichsweise hohe Speicher-Kapazität verfügt. Die Puffer-Speicher der CPU und die CPU Register sind zwar sehr viel schneller, besitzen aber eben nur eine minimale Speicherkapazität.

Der sekundäre Speicher (SSD /HHD) ist hingegen viel langsamer als der Arbeitsspeicher / RAM. Einen Engpass an Arbeitsspeicher sollten Sie daher unbedingt vermeiden. Der schnellste Prozessor nützt Ihnen wenig, wenn er ständig zulange auf Daten warten muss. Zu viel Arbeitsspeicher können Sie eigentlich gar nicht haben. Der Vorteil von viel RAM wird allerdings immer weniger spürbar, je anspruchsloser Ihre Anwendungen am Computer sind.  Ob Sie einen PC mit 4 Gigabyte RAM  oder mit 32 Gigabyte RAM besitzen, macht zum Beispiel für Textverarbeitung im Grunde keinen Unterschied.

Fragen und Tipps zum Thema Arbeitsspeicher

Kurze Antwort: 16 Gigabyte RAM / Arbeitsspeicher bilden die optimale Basis für ein zeitgemäßes Computersystem, auf dem aktuelle Software laufen soll. Dabei ist es völlig egal, ob Sie sich einen neuen Computer kaufen oder ein älteres Gerät nutzen.
Ja, das können Sie schon. Sie können auch verschiedene RAM-Riegel mit verschiedenen Größen mischen- mit einer Ausnahme: ECC Speicher können Sie nicht mit normalen RAM-Riegeln kombinieren. Sinnvoll ist Mischen verschiedener Arbeitsspeicher aber eher nicht. Der gesamte RAM läuft dann immer nur so schnell wie der langsamste Riegel, außerdem führt eine solche Konfiguration sehr oft zu Stabilitätsproblemen.

Die ideale Konfiguration besteht daher immer aus zwei baugleichen RAM-Riegeln.
Seine Größe. Je mehr Arbeitsspeicher Sie haben, desto flüssiger wird Ihr System arbeiten können, auch wenn Sie viele Programme gleichzeitig verwenden.
Die Größe und auch die Geschwindigkeit des Arbeitsspeichers hat wirklich einen maßgeblichen Einfluss auf die Gesamtleistung Ihres PCs / Notebooks. RAM gehört neben dem Prozessor und dem verwendeten Massenspeicher (HDD oder SSD) daher auch zu den drei wichtigsten Bausteinen eines leistungsfähigen Computers.

Weiterführende Links zu den Themen RAM, Speicherverwaltung und Speicherhierarchie

Gebrauchte PCs & Workstations mit viel Arbeitsspeicher
Gebrauchte Notebooks mit viel Arbeitsspeicher

Wikipedia Eintrag Zugriffszeit von Speichertypen
Wikipedia Eintrag Speicherverwaltung
So rufen Sie den Windows 10 Taskmanager auf (chip.de)
Wikipedia Eintrag zu DDR-SDRAM
Wikipedia Eintrag RAM

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5 Kommentare bei „Speicherhierarchie: Endlich verstehen, warum viel Arbeitsspeicher / RAM im Computer so wichtig ist!

  1. Habe ich das richtig verstanden? Die Quintessenz lautet also: Da das Betriebssystem umso mehr RAM verwendet, je mehr es vorfindet, desto besser wird die Performance in der Theorie?

    Und in der Praxis gibt kann es eben doch ein zuviel an Arbeitsspeicher geben, sobald das System eigentlich keine gerade notwendigen Daten mehr auf die Festplatten auslagern muss (weil genug RAM vorhanden ist) ?

    Wann ist denn das dann der Fall? Bei 32 GB oder 64 GB RAM? Oder sogar erst bei 128 GB?

    1. Ja, im Kern haben Sie das richtig verstanden. Was Ihre Frage betrifft – das kommt auf die Anwendungen und den Verwendungszweck Ihres PCs an. Ein Computer, der nur für Textverarbeitung genutzt wird, profitiert schon sehr früh nicht mehr wirklich von einem hohen RAM-Ausbau. Ein PC, der hingegen im den Bereichen Materialsimulation, Molekulardynamik-Simulation oder CAD eingesetzt wird, profitiert auch noch deutlich von einem Speicherausbau über 64 GB.

      Konkrete Empfehlungen für die sinnvolle Größe des Arbeitsspeichers finden Sie übrigens in diesem Beitrag:

      http://press.harlander.com/ratgeber-und-tipps/arbeitsspeicher-wie-viel-ram-brauchen-sie-wirklich-im-jahr-2020-ein-ratgeber/

  2. Sehr guter und hilfreicher Artikel! Hier kann man auch schnell etwas über die komplizierteren Zusammenhänge lernen. Kam über einen anderen Artikel hier her. Frage: Die Speicherverwaltung von Linux ist effektiver als von Windows richtig? Ist das der Grund warum Linux mit geringeren Möglichkeiten schneller ist als Windows 10?

    1. Hallo Herr Koch, vielen Dank für Ihr Lob. Es freut uns, wenn der Beitrag Ihnen helfen konnte.
      Zu Ihrer Frage was Linux betrifft: So pauschal lässt sich das nicht sagen. Zwar ist es richtig, dass Linux ganz grundsätzlich mit den Hardware-Ressourcen eines Computers effektiver umgeht – aber zum einen gibt es nicht DAS Linux, sondern etliche Distributionen. Und zum Anderen ist spielt es natürlich auch eine maßgebliche Rolle, wie effektiv eine Software / Applikation hinsichtlich Ihrer Frage entwickelt und programmiert wurde. Damit hat dann weder Linux noch Windows direkt etwas zu tun.

      Eine allgemeingültige Aussage lässt sich daher hier nicht guten Gewissens treffen. Linux und Windows sind grundverschieden. Eine effektivere Speicherverwaltung von Linux (sofern sie überhaupt effektiver ist) muss nicht der alleinige Grund sein, warum Linux in Sachen Geschwindigkeit bei älterer oder schwächerer Hardware oft die Nase vorn hat.

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