RAM (Random Access Memory)

RAM (Random Access Memory) je hardware v počítačovém zařízení, kde se uchovává operační systém (OS), aplikační programy a aktuálně používaná data, aby je procesor zařízení mohl rychle získat. Paměť RAM je hlavní pamětí počítače. Čtení z ní a zápis do ní je mnohem rychlejší než u jiných typů paměti, jako je pevný disk (HDD), jednotka SSD (solid-state drive) nebo optická jednotka.

Paměť s náhodným přístupem je nestálá. To znamená, že data jsou v paměti RAM uchovávána po celou dobu, kdy je počítač zapnutý, ale po vypnutí počítače se ztratí. Při restartu počítače se operační systém a další soubory znovu načtou do paměti RAM, obvykle z pevného disku HDD nebo SSD.

Funkce paměti RAM

Paměť RAM nemůže kvůli své nestálosti uchovávat trvalá data. Paměť RAM lze přirovnat ke krátkodobé paměti člověka a pevný disk k dlouhodobé paměti člověka. Krátkodobá paměť je zaměřena na okamžitou práci, ale v jednom okamžiku dokáže udržet na očích pouze omezený počet skutečností. Když se krátkodobá paměť člověka zaplní, může být obnovena fakty uloženými v dlouhodobé paměti mozku.

Takto funguje i počítač. Pokud se paměť RAM zaplní, musí procesor počítače opakovaně přejít k pevnému disku, aby překryl stará data v paměti RAM novými. Tento proces zpomaluje chod počítače.

Pevný disk počítače se může zcela zaplnit daty a není schopen pojmout další, ale paměť RAM se nevyčerpá. Kombinace paměti RAM a paměti úložiště však může být zcela vyčerpána.

Jak funguje paměť RAM?

Termín náhodný přístup používaný pro paměť RAM vychází ze skutečnosti, že k libovolnému úložnému místu, známému také jako libovolná adresa paměti, lze přistupovat přímo. Původně se termín paměť s náhodným přístupem používal k odlišení běžné paměti jádra od paměti off-line.

Paměť off-line obvykle označovala magnetickou pásku, ze které bylo možné přistupovat k určitému úseku dat pouze postupným vyhledáváním adresy počínaje začátkem pásky. Paměť RAM je organizována a řízena způsobem, který umožňuje ukládat a načítat data přímo na konkrétní místa a z konkrétních míst.

Další typy paměti – například pevný disk a CD-ROM – jsou také přístupné přímo nebo náhodně, ale termín náhodný přístup se pro tyto další typy paměti nepoužívá.

Paměť RAM je svým pojetím podobná sadě políček, v nichž každé políčko může obsahovat 0 nebo 1. Každé políčko má jedinečnou adresu, která se zjistí počítáním napříč sloupci a po řádcích. Sada políček RAM se nazývá pole a každé políčko se nazývá buňka.

Pro nalezení konkrétní buňky vyšle řadič RAM adresu sloupce a řádku po tenké elektrické lince vyryté do čipu. Každý řádek a sloupec v poli RAM má vlastní adresovou linku. Veškerá přečtená data proudí zpět po samostatné datové lince.

Paměť RAM je fyzicky malá a je uložena v mikročipech. Je malá i z hlediska množství dat, které pojme. Typický přenosný počítač může být vybaven 8 gigabajty paměti RAM, zatímco na pevný disk se vejde 10 terabajtů.

Pevný disk naproti tomu ukládá data na zmagnetizovaný povrch něčeho, co vypadá jako vinylová deska. Alternativně SSD ukládá data do paměťových čipů, které jsou na rozdíl od RAM nevolatilní. Nejsou závislé na tom, zda jsou neustále napájeny, a po vypnutí napájení neztratí data. Mikročipy RAM jsou sdruženy do paměťových modulů. Ty se zapojují do slotů na základní desce počítače. Ke spojení slotů základní desky s procesorem se používá sběrnice neboli soubor elektrických cest.

Většina počítačů umožňuje uživatelům přidávat moduly RAM až do určitého limitu. Větší množství paměti RAM v počítači snižuje počet případů, kdy musí procesor číst data z pevného disku, což je operace, která trvá déle než čtení dat z paměti RAM. Přístupová doba do paměti RAM se udává v nanosekundách, zatímco přístupová doba do paměti úložiště se udává v milisekundách.

Kolik paměti RAM potřebujete?

Potřebné množství paměti RAM závisí na tom, co uživatel dělá. Například při střihu videa se doporučuje, aby systém měl alespoň 16 GB RAM, i když je žádoucí více. Při úpravě fotografií pomocí Photoshopu doporučuje společnost Adobe, aby měl systém pro spuštění aplikace Photoshop CC na počítači Mac alespoň 3 GB paměti RAM. Pokud však uživatel současně pracuje s dalšími aplikacemi, může i 8 GB RAM zpomalit práci.

Typy paměti RAM

Paměť RAM se vyskytuje ve dvou základních formách:

• Dynamická paměť s náhodným přístupem (DRAM) tvoří typickou paměť RAM počítačového zařízení, a jak již bylo uvedeno, k uchování uložených dat potřebuje tento výkon.

Každá buňka DRAM má náboj nebo nedostatek náboje uložený v elektrickém kondenzátoru. Tato data se musí každých několik milisekund neustále obnovovat elektronickým nábojem, aby se vyrovnaly úniky z kondenzátoru. Tranzistor slouží jako hradlo a určuje, zda lze hodnotu kondenzátoru číst nebo zapisovat.

• Statická paměť s náhodným přístupem (SRAM) také potřebuje stálé napájení, aby udržela data, ale nemusí být neustále obnovována tak jako DRAM.

V paměti SRAM funguje tranzistor místo kondenzátoru udržujícího náboj jako přepínač, přičemž jedna poloha slouží jako 1 a druhá jako 0. Statická paměť RAM vyžaduje několik tranzistorů k udržení jednoho bitu dat ve srovnání s dynamickou pamětí RAM, která potřebuje pouze jeden tranzistor na jeden bit. V důsledku toho jsou čipy SRAM mnohem větší a dražší než ekvivalentní množství paměti DRAM.

Paměť SRAM je však výrazně rychlejší a spotřebovává méně energie než paměť DRAM. Rozdíly v ceně a rychlosti znamenají, že statická paměť RAM se používá především v malém množství jako paměť cache uvnitř procesoru počítače.

Historie paměti RAM: Paměť RAM vs. SDRAM

Původně byla paměť RAM asynchronní, protože mikročipy RAM měly jinou taktovací frekvenci než procesor počítače. To byl problém, protože procesory byly stále výkonnější a paměť RAM nestíhala požadavky procesoru na data.

Na počátku 90. let 20. století byly taktovací frekvence synchronizovány zavedením synchronní dynamické paměti RAM neboli SDRAM. Díky synchronizaci paměti počítače se vstupy z procesoru mohly počítače vykonávat úlohy rychleji.

Původní paměť SDRAM s jedinou rychlostí přenosu dat (SDR SDRAM) však rychle dosáhla svého limitu. Kolem roku 2000 byla vyvinuta synchronní paměť s náhodným přístupem s dvojnásobnou rychlostí přenosu dat (DDR SRAM). Ta přenášela data dvakrát v jednom hodinovém cyklu, na začátku a na konci.

DDR SDRAM se vyvinula třikrát, s DDR2, DDR3 a DDR4, a každá iterace přinesla zvýšení rychlosti přenosu dat a snížení spotřeby energie. Každá verze DDR však byla nekompatibilní s předchozími, protože s každou iterací se data zpracovávají ve větších dávkách.

GDDR SDRAM

Grafická paměť SDRAM s dvojnásobnou přenosovou rychlostí (GDDR) se používá v grafických a video kartách. Stejně jako paměť DDR SDRAM umožňuje tato technologie přesouvat data v různých bodech taktu procesoru. Pracuje však při vyšším napětí a má méně přísné časování než paměť DDR SDRAM.

Při paralelních úlohách, jako je vykreslování 2D a 3D videa, není tak nutná krátká přístupová doba a GDDR může umožnit vyšší rychlost a šířku paměťového pásma potřebnou pro výkon GPU.

Podobně jako DDR prošla GDDR několika generacemi vývoje, přičemž každá z nich poskytovala vyšší výkon a nižší spotřebu energie. GDDR6 je nejnovější generací grafické paměti.

RAM vs. virtuální paměť

Počítač může mít nedostatek paměti, zejména pokud běží více programů současně. Operační systémy mohou nedostatek fyzické paměti kompenzovat vytvořením virtuální paměti.

Při použití virtuální paměti se data dočasně přenesou z paměti RAM do diskového úložiště a virtuální adresní prostor se zvětší pomocí aktivní paměti v paměti RAM a neaktivní paměti na pevném disku, čímž se vytvoří souvislé adresy, na kterých je uložena aplikace a její data. Pomocí virtuální paměti může systém načítat větší programy nebo více programů spuštěných současně, přičemž každý z nich může pracovat, jako by měl nekonečnou paměť, aniž by bylo nutné přidávat další paměť RAM.

Virtuální paměť je schopna zpracovat dvakrát více adres než paměť RAM. Instrukce a data programu jsou zpočátku uloženy na virtuálních adresách a po spuštění programu se tyto adresy změní na skutečné adresy paměti.

Jednou z nevýhod virtuální paměti je, že může zpomalit počítač, protože data se musí mapovat mezi virtuální a fyzickou pamětí. Při použití pouze fyzické paměti pracují programy přímo z paměti RAM.

Paměť RAM vs. paměť flash

Paměť flash i paměť RAM se skládají z polovodičových čipů. V počítačových systémech však hrají odlišnou roli kvůli rozdílům ve způsobu jejich výroby, výkonnostních specifikacích a ceně. Paměť flash se používá pro ukládání paměti. Paměť RAM se používá jako aktivní paměť, která provádí výpočty nad daty načtenými z úložiště.

Jeden z podstatných rozdílů mezi pamětí RAM a pamětí flash spočívá v tom, že data se z paměti NAND flash musí mazat po celých blocích. To ji činí pomalejší než paměť RAM, kde lze data mazat po jednotlivých bitech.

Paměť NAND flash je však levnější než paměť RAM a je také nevolatilní. Na rozdíl od paměti RAM dokáže uchovávat data i při vypnutém napájení. Vzhledem k nižší rychlosti, nevolatilitě a nižší ceně se paměť flash často používá pro ukládání dat v discích SSD.

RAM vs. ROM

Paměť pouze pro čtení neboli ROM je počítačová paměť obsahující data, která lze pouze číst, nikoli zapisovat. Paměť ROM obsahuje zaváděcí program, který se používá při každém zapnutí počítače. Obecně ji nelze měnit ani přeprogramovat.

Data v paměti ROM jsou nevolatilní a po vypnutí napájení počítače se neztratí. V důsledku toho se pro trvalé ukládání dat používá paměť pouze pro čtení. Naproti tomu paměť s náhodným přístupem může uchovávat data pouze dočasně. Paměť ROM má obvykle velikost několika megabajtů, zatímco paměť RAM několik gigabajtů.

Trendy a budoucí směry

Resistivní paměť s náhodným přístupem (RRAM nebo ReRAM) je nevolatilní paměť, která může měnit odpor pevného dielektrika, z něhož je složena. Zařízení ReRAM obsahují memristor, v němž se odpor mění při aplikaci různých napětí.

ReRAM vytváří kyslíkové vakance, což jsou fyzikální defekty ve vrstvě oxidového materiálu. Tyto vakance představují dvě hodnoty v binární soustavě, podobně jako elektrony a díry v polovodiči.

ReRAM má vyšší rychlost přepínání ve srovnání s jinými technologiemi nevolatilních pamětí, jako je například NAND flash. Slibuje také vysokou hustotu ukládání a nižší spotřebu energie než NAND flash. Díky tomu je paměť ReRAM vhodnou volbou pro paměť v senzorech používaných v průmyslu, automobilovém průmyslu a v aplikacích internetu věcí.

Vývojáři se již několik let snaží vyvinout technologii ReRAM a dostat čipy do výroby. V současné době je dodává několik dodavatelů.

Technologie 3D XPoint, jako je například Optane společnosti Intel, by nakonec mohla vyplnit mezeru mezi dynamickou pamětí RAM a pamětí NAND flash. 3D XPoint má beztranzistorovou architekturu s křížovými body, v níž se selektory a paměťové buňky nacházejí na průsečíku kolmých vodičů. 3D XPoint není tak rychlá jako DRAM, ale je to nevolatilní paměť.

Z hlediska výkonu a ceny se technologie 3D XPoint nachází mezi rychlou, ale nákladnou pamětí DRAM a pomalejší a levnější pamětí NAND flash. S rozvojem této technologie se může smazat rozdíl mezi operační pamětí a úložištěm.

5G a trh s operačními paměťmi

V únoru 2019 zveřejnila asociace JEDEC Solid State Technology Association normu JESD209-5, Low Power Double Data Rate 5 (LPDDR5). LPDDR5 bude nakonec pracovat s rychlostí vstupu/výstupu 6400 MT/s, což je o 50 % více než u první verze LPDDR4. Tím se výrazně zvýší rychlost a efektivita pamětí pro nejrůznější aplikace. Patří sem mobilní výpočetní zařízení, jako jsou chytré telefony, tablety a ultratenké notebooky.

LPDDR5 byla zveřejněna s rychlostí přenosu dat 6400 MT/s, zatímco u LPDDR4 to bylo při jejím zveřejnění v roce 2014 3200 MT/s.

V červenci 2019 zahájila společnost Samsung Electronics hromadnou výrobu první 12gigabitové mobilní paměti DRAM LPDDR5. Podle společnosti Samsung byla optimalizována pro umožnění funkcí 5G a umělé inteligence v budoucích chytrých telefonech.

Cena operační paměti

V létě 2019 zůstaly ceny pamětí DRAM oproti dřívějším úrovním stlačené – přesto však volatilní. K volatilitě přispěla řada proměnných, mj:

• převis nabídky
• napětí na trhu mezi Jižní Koreou a Japonskem (kde sídlí dva největší světoví výrobci paměťových čipů, Samsung a SK Hynix)
• představení nové generace mobilních čipů, LPDDR5
• větší rozšíření technologie 5G
• očekávaný nárůst poptávky po spotřební elektronice v oblasti internetu věcí (IoT), jako jsou automobily a nositelná zařízení, která tyto čipy využívají