Die Speicherhierarchie: Warum ein PC so viele Speicher braucht

Der ideale Speicher wäre riesig, extrem schnell, billig und würde seinen Inhalt nie vergessen. Einen solchen Speicher gibt es nicht. Jede Technik erfüllt nur einen Teil dieser Wünsche. Deshalb kombinieren Computer mehrere Speicherarten und schieben Daten geschickt zwischen ihnen hin und her.

Die Stufen im Überblick

• Register: winzige Speicherplätze direkt im Rechenwerk der CPU. Hier liegen die Zahlen, mit denen der Prozessor in diesem Moment rechnet.
• Cache: Zwischenspeicher im Prozessor, gestaffelt in L1, L2 und L3 (siehe Cache). Er hält bereit, was gerade und wahrscheinlich gleich wieder gebraucht wird.
• Arbeitsspeicher: der RAM auf dem Mainboard, in dem laufende Programme und ihre Daten liegen.
• SSD: dauerhafter Speicher für Betriebssystem, Programme und Dateien (siehe SSD).
• Festplatte und Archiv: große, günstige Speicher für Daten, die man selten braucht, und für Backups.

Nach oben wird es schneller und teurer pro Gigabyte, nach unten größer und günstiger.

Ein Gedankenexperiment

Die Unterschiede sind so groß, dass man sie sich kaum vorstellen kann. Hilfreich ist ein Vergleich: Angenommen, ein Zugriff auf den L1-Cache dauert nicht eine Nanosekunde, sondern eine Sekunde. Dann dauert ein Zugriff auf den Arbeitsspeicher etwa anderthalb Minuten. Das Lesen von einer schnellen NVMe-SSD dauert grob einen ganzen Tag. Und ein zufälliger Zugriff auf eine Festplatte, bei dem sich erst der Lesekopf bewegen muss, dauert zwei bis vier Monate.

Die Zahlen sind Größenordnungen und schwanken je nach Hardware. Das Verhältnis zeigt aber, warum der Prozessor so viel Aufwand treibt, um Daten möglichst weit oben in der Kette zu halten.

Flüchtig und nicht flüchtig

Register, Cache und Arbeitsspeicher sind flüchtig: Ohne Strom ist ihr Inhalt weg. SSDs und Festplatten sind nicht flüchtig. Deshalb muss man speichern: Erst dann wandert ein Dokument vom Schreibtisch des Arbeitsspeichers in den Aktenschrank der SSD.

Wie die Stufen zusammenarbeiten

Die meisten Programme greifen immer wieder auf dieselben Daten zu oder lesen Daten, die im Speicher nebeneinanderliegen. Fachleute nennen das Lokalität. Genau darauf setzen alle Zwischenspeicher: Wer einmal etwas holt, holt gleich die Umgebung mit, und was oft gebraucht wird, bleibt oben.

Umgekehrt lagert das Betriebssystem bei knappem Arbeitsspeicher selten genutzte Daten nach unten aus, in die Auslagerungsdatei. Das verhindert Abstürze, macht den Rechner aber zäh – weil jeder Zugriff dann den Umweg über die langsamere Stufe nimmt.

Was das für den Alltag bedeutet

• Wer von einer Festplatte auf eine SSD umsteigt, verkürzt den langsamsten Weg in der Kette dramatisch. Deshalb fühlt sich ein alter Rechner danach oft wie neu an.
• Mehr Arbeitsspeicher hilft genau dann, wenn der vorhandene regelmäßig voll ist. Ob das so ist, zeigt der Task-Manager unter „Leistung“.
• Ein großer Cache macht Prozessoren in Spielen oft schneller, weil Spieldaten häufiger dort gefunden werden.