RAM (Random Access Memory)

RAM (Random Access Memory) è l’hardware di un dispositivo informatico dove il sistema operativo (OS), i programmi applicativi e i dati in uso sono conservati in modo che possano essere raggiunti rapidamente dal processore del dispositivo. La RAM è la memoria principale di un computer. È molto più veloce da leggere e scrivere rispetto ad altri tipi di memoria, come un hard disk (HDD), un’unità a stato solido (SSD) o un’unità ottica.

La memoria ad accesso casuale è volatile. Questo significa che i dati vengono conservati nella RAM finché il computer è acceso, ma vengono persi quando il computer viene spento. Quando il computer viene riavviato, il sistema operativo e altri file vengono ricaricati nella RAM, di solito da un HDD o SSD.

Funzione della RAM

A causa della sua volatilità, la RAM non può conservare dati permanenti. La RAM può essere paragonata alla memoria a breve termine di una persona, e un hard disk alla memoria a lungo termine di una persona. La memoria a breve termine è focalizzata sul lavoro immediato, ma può tenere solo un numero limitato di fatti in vista in qualsiasi momento. Quando la memoria a breve termine di una persona si riempie, può essere rinfrescata con fatti memorizzati nella memoria a lungo termine del cervello.

Anche un computer funziona in questo modo. Se la RAM si riempie, il processore del computer deve andare ripetutamente al disco rigido per sovrapporre i vecchi dati nella RAM con quelli nuovi. Questo processo rallenta il funzionamento del computer.

Il disco rigido di un computer può riempirsi completamente di dati e non riuscire a prenderne altri, ma la RAM non si esaurisce. Tuttavia, la combinazione di RAM e memoria di archiviazione può essere completamente esaurita.

Come funziona la RAM?

Il termine accesso casuale applicato alla RAM deriva dal fatto che qualsiasi posizione di archiviazione, nota anche come qualsiasi indirizzo di memoria, può essere accessibile direttamente. Originariamente, il termine Random Access Memory veniva usato per distinguere la memoria centrale regolare dalla memoria offline.

La memoria offline si riferiva tipicamente al nastro magnetico da cui si poteva accedere a un pezzo specifico di dati solo individuando l’indirizzo in modo sequenziale, partendo dall’inizio del nastro. La RAM è organizzata e controllata in modo da permettere l’immagazzinamento e il recupero dei dati direttamente in e da posizioni specifiche.

Anche altri tipi di memoria – come l’hard disk e il CD-ROM – sono accessibili direttamente o in modo casuale, ma il termine accesso casuale non è usato per descrivere questi altri tipi di memoria.

La RAM è simile nel concetto a un insieme di scatole in cui ogni scatola può contenere uno 0 o un 1. Ogni scatola ha un indirizzo unico che si trova contando attraverso le colonne e lungo le righe. Un insieme di caselle RAM è chiamato un array, e ogni casella è conosciuta come una cella.

Per trovare una cella specifica, il controller RAM invia l’indirizzo della colonna e della riga lungo una sottile linea elettrica incisa nel chip. Ogni riga e colonna in un array RAM ha la sua linea di indirizzo. Ogni dato che viene letto rifluisce su una linea dati separata.

La RAM è fisicamente piccola e memorizzata in microchip. È anche piccola in termini di quantità di dati che può contenere. Un tipico computer portatile può avere 8 gigabyte di RAM, mentre un disco rigido può contenere 10 terabyte.

Un disco rigido, d’altra parte, memorizza i dati sulla superficie magnetizzata di quello che sembra un disco in vinile. In alternativa, un SSD memorizza i dati in chip di memoria che, a differenza della RAM, non sono volatili. Non dipendono dall’avere un’alimentazione costante e non perdono i dati una volta che l’alimentazione viene spenta. I microchip della RAM sono riuniti in moduli di memoria. Questi si inseriscono negli slot della scheda madre di un computer. Un bus, o un insieme di percorsi elettrici, è usato per collegare gli slot della scheda madre al processore.

La maggior parte dei PC permette agli utenti di aggiungere moduli RAM fino a un certo limite. Avere più RAM in un computer riduce il numero di volte che il processore deve leggere i dati dal disco rigido, un’operazione che richiede più tempo della lettura dei dati dalla RAM. Il tempo di accesso alla RAM è in nanosecondi, mentre il tempo di accesso alla memoria di archiviazione è in millisecondi.

Quanta RAM ti serve?

La quantità di RAM necessaria dipende da ciò che l’utente sta facendo. Per l’editing video, per esempio, è raccomandato che un sistema abbia almeno 16 GB di RAM, anche se di più è auspicabile. Per il fotoritocco con Photoshop, Adobe raccomanda che un sistema abbia almeno 3 GB di RAM per eseguire Photoshop CC su un Mac. Tuttavia, se l’utente sta lavorando con altre applicazioni allo stesso tempo, anche 8 GB di RAM possono rallentare le cose.

Tipi di RAM

La RAM è disponibile in due forme principali:

• La Dynamic Random Access Memory (DRAM) costituisce la tipica RAM di un dispositivo informatico, e come è stato precedentemente notato, ha bisogno che l’alimentazione sia attiva per conservare i dati memorizzati.

Ogni cella DRAM ha una carica o una mancanza di carica tenuta in un condensatore elettrico. Questi dati devono essere costantemente rinfrescati con una carica elettronica ogni pochi millisecondi per compensare le perdite del condensatore. Un transistor funge da gate, determinando se il valore di un condensatore può essere letto o scritto.

• Anche la memoria statica ad accesso casuale (SRAM) ha bisogno di energia costante per conservare i dati, ma non ha bisogno di essere continuamente aggiornata come la DRAM.

Nella SRAM, invece di un condensatore che mantiene la carica, il transistor agisce come un interruttore, con una posizione che serve come 1 e l’altra come 0. La RAM statica richiede diversi transistor per mantenere un bit di dati rispetto alla RAM dinamica che ha bisogno di un solo transistor per bit. Di conseguenza, i chip SRAM sono molto più grandi e più costosi di una quantità equivalente di DRAM.

Tuttavia, la SRAM è significativamente più veloce e usa meno energia della DRAM. Le differenze di prezzo e velocità fanno sì che la RAM statica sia usata principalmente in piccole quantità come memoria cache all’interno del processore di un computer.

Storia della RAM: RAM vs. SDRAM

La RAM era originariamente asincrona perché i microchip della RAM avevano una velocità di clock diversa dal processore del computer. Questo era un problema quando i processori diventavano più potenti e la RAM non riusciva a stare al passo con le richieste di dati del processore.

Nei primi anni ’90, le velocità di clock furono sincronizzate con l’introduzione della RAM dinamica sincrona, o SDRAM. Sincronizzando la memoria di un computer con gli input del processore, i computer erano in grado di eseguire i compiti più velocemente.

Tuttavia, l’originale SDRAM a singolo data rate (SDR SDRAM) raggiunse rapidamente il suo limite. Intorno all’anno 2000, è stata sviluppata la memoria sincrona ad accesso casuale a doppia velocità di dati (DDR SRAM). Questa spostava i dati due volte in un singolo ciclo di clock, all’inizio e alla fine.

DDR SDRAM si è evoluta tre volte, con DDR2, DDR3 e DDR4, e ogni iterazione ha portato un miglioramento della velocità di trasmissione dei dati e una riduzione del consumo energetico. Tuttavia, ogni versione di DDR è stata incompatibile con quelle precedenti perché, con ogni iterazione, i dati sono gestiti in lotti più grandi.

GDDR SDRAM

Graphics double data rate (GDDR) SDRAM è usata nelle schede grafiche e video. Come la DDR SDRAM, questa tecnologia permette di spostare i dati in vari punti del ciclo di clock della CPU. Tuttavia, funziona a tensioni più alte e ha una tempistica meno rigorosa della DDR SDRAM.

Con compiti paralleli, come il rendering video 2D e 3D, i tempi di accesso stretti non sono così necessari, e la GDDR può consentire le velocità più elevate e la larghezza di banda della memoria necessaria per le prestazioni della GPU.

Similmente alla DDR, la GDDR è passata attraverso diverse generazioni di sviluppo, con ciascuna che fornisce più prestazioni e un consumo energetico inferiore. GDDR6 è l’ultima generazione di memoria grafica.

RAM vs. memoria virtuale

Un computer può trovarsi a corto di memoria, specialmente quando si eseguono più programmi contemporaneamente. I sistemi operativi possono compensare le carenze di memoria fisica creando memoria virtuale.

Con la memoria virtuale, i dati vengono temporaneamente trasferiti dalla RAM alla memoria su disco, e lo spazio virtuale degli indirizzi viene aumentato utilizzando la memoria attiva nella RAM e la memoria inattiva in un HDD per formare indirizzi contigui che contengono un’applicazione e i suoi dati. Usando la memoria virtuale, un sistema può caricare programmi più grandi o più programmi in esecuzione allo stesso tempo, permettendo a ciascuno di operare come se avesse memoria infinita senza dover aggiungere altra RAM.

La memoria virtuale è in grado di gestire il doppio degli indirizzi della RAM. Le istruzioni e i dati di un programma sono inizialmente memorizzati in indirizzi virtuali, e una volta che il programma viene eseguito, quegli indirizzi vengono trasformati in indirizzi di memoria reali.

Un aspetto negativo della memoria virtuale è che può rallentare un computer perché i dati devono essere mappati tra la memoria virtuale e quella fisica. Con la sola memoria fisica, i programmi lavorano direttamente dalla RAM.

RAM vs. memoria flash

La memoria flash e la RAM sono entrambe composte da chip a stato solido. Tuttavia, giocano ruoli diversi nei sistemi informatici a causa delle differenze nel modo in cui sono fatti, le loro specifiche di prestazione e il costo. La memoria flash è utilizzata per la memoria di archiviazione. La RAM è usata come memoria attiva che esegue i calcoli sui dati recuperati dalla memoria.

Una differenza significativa tra RAM e memoria flash è che i dati devono essere cancellati dalla memoria NAND flash in interi blocchi. Questo la rende più lenta della RAM, dove i dati possono essere cancellati in singoli bit.

Tuttavia, la memoria NAND flash è meno costosa della RAM ed è anche non volatile. A differenza della RAM, può mantenere i dati anche quando la corrente è spenta. A causa della sua velocità più lenta, della non volatilità e del costo inferiore, la memoria flash è spesso usata come memoria di archiviazione negli SSD.

RAM vs. ROM

La memoria a sola lettura, o ROM, è la memoria del computer contenente dati che possono essere solo letti, non scritti. La ROM contiene la programmazione di avvio che viene utilizzata ogni volta che un computer viene acceso. Generalmente non può essere alterata o riprogrammata.

I dati nella ROM non sono volatili e non vengono persi quando il computer viene spento. Di conseguenza, la memoria a sola lettura è usata per l’archiviazione permanente dei dati. La memoria ad accesso casuale, invece, può contenere dati solo temporaneamente. La ROM ha generalmente diversi megabyte di memoria, mentre la RAM ha diversi gigabyte.

Tendenze e direzioni future

Resistive Random Access Memory (RRAM o ReRAM) è una memoria non volatile che può modificare la resistenza del materiale dielettrico solido di cui è composta. I dispositivi ReRAM contengono un memristor in cui la resistenza varia quando vengono applicate tensioni diverse.

ReRAM crea dei vuoti di ossigeno, che sono difetti fisici in uno strato di materiale ossido. Questi vuoti rappresentano due valori in un sistema binario, simile agli elettroni e ai buchi di un semiconduttore.

ReRAM ha una maggiore velocità di commutazione rispetto ad altre tecnologie di stoccaggio non volatile, come NAND flash. Ha anche la promessa di un’alta densità di memorizzazione e di un minor consumo di energia rispetto alla NAND flash. Questo rende la ReRAM una buona opzione per la memoria nei sensori usati per applicazioni industriali, automobilistiche e dell’internet delle cose.

I venditori hanno lottato per anni per sviluppare la tecnologia ReRAM e mettere i chip in produzione. Alcuni venditori li stanno attualmente spedendo.

La tecnologia 3D XPoint, come Optane di Intel, potrebbe alla fine colmare il divario tra la RAM dinamica e la memoria flash NAND. 3D XPoint ha un’architettura a punti incrociati senza transistor, in cui i selettori e le celle di memoria sono all’intersezione di fili perpendicolari. 3D XPoint non è veloce come la DRAM, ma è una memoria non volatile.

In termini di prestazioni e prezzo, la tecnologia 3D XPoint è tra la veloce, ma costosa DRAM e la più lenta e meno costosa NAND flash. Con lo sviluppo della tecnologia, potrebbe offuscare la distinzione tra RAM e storage.

5G e il mercato della RAM

Nel febbraio 2019, la JEDEC Solid State Technology Association ha pubblicato la JESD209-5, Low Power Double Data Rate 5 (LPDDR5). LPDDR5 alla fine opererà a un tasso di I/O di 6400 MT/s, il 50% in più rispetto a quello della prima versione di LPDDR4. Questo aumenterà significativamente la velocità e l’efficienza della memoria per una varietà di applicazioni. Ciò include i dispositivi informatici mobili come smartphone, tablet e notebook ultrasottili.

LPDDR5 è stato pubblicato con una velocità di dati di 6400 MT/s, rispetto a 3200 MT/s per LPDDR4 alla sua pubblicazione nel 2014.

Nel luglio 2019, Samsung Electronics ha iniziato la produzione di massa della prima DRAM mobile LPDDR5 da 12 gigabit del settore. Secondo Samsung, è stata ottimizzata per abilitare le funzionalità 5G e AI nei futuri smartphone.

Costo della RAM

Nell’estate del 2019, i prezzi della DRAM sono rimasti depressi rispetto ai livelli precedenti — ma comunque volatili. Una serie di variabili ha contribuito alla volatilità, tra cui:

• un eccesso di offerta
• tensioni di mercato tra Corea del Sud e Giappone (sede dei due maggiori produttori di chip di memoria al mondo, Samsung e SK Hynix)
• l’introduzione della prossima generazione di chip mobili, la LPDDR5
• l’aumento dell’adozione della tecnologia 5G
• un previsto aumento della domanda di elettronica di consumo nell’Internet of Things (IoT), come automobili e dispositivi indossabili, che utilizzano i chip