RAM (Random Access Memory)

Pamięć RAM (Random Access Memory) to sprzęt w urządzeniu komputerowym, gdzie system operacyjny (OS), programy użytkowe i dane w bieżącym użyciu są przechowywane tak, by mogły być szybko dostępne dla procesora urządzenia. Pamięć RAM jest główną pamięcią w komputerze. Odczyt z niej i zapis do niej jest znacznie szybszy niż w przypadku innych rodzajów pamięci masowej, takich jak dysk twardy (HDD), dysk półprzewodnikowy (SSD) lub napęd optyczny.

Pamięć losowa jest niestabilna. Oznacza to, że dane są zachowywane w pamięci RAM tak długo, jak komputer jest włączony, ale są tracone po wyłączeniu komputera. Kiedy komputer jest ponownie uruchamiany, system operacyjny i inne pliki są ładowane do pamięci RAM, zazwyczaj z dysku HDD lub SSD.

Funkcja pamięci RAM

Z powodu swojej niestabilności, pamięć RAM nie może przechowywać stałych danych. Pamięć RAM można porównać do pamięci krótkotrwałej osoby, a dysk twardy do pamięci długotrwałej osoby. Pamięć krótkotrwała koncentruje się na natychmiastowej pracy, ale może utrzymać w polu widzenia tylko ograniczoną liczbę faktów w tym samym czasie. Kiedy pamięć krótkotrwała osoby wypełnia się, może być odświeżona faktami przechowywanymi w pamięci długotrwałej mózgu.

Komputer również działa w ten sposób. Jeśli pamięć RAM się zapełni, procesor komputera musi wielokrotnie przechodzić na dysk twardy, aby nałożyć na stare dane w pamięci RAM nowe dane. Proces ten spowalnia działanie komputera.

Dysk twardy komputera może stać się całkowicie zapełniony danymi i nie być w stanie przyjąć więcej, ale pamięć RAM nie wyczerpie się. Jednak kombinacja pamięci RAM i pamięci masowej może zostać całkowicie zużyta.

Jak działa pamięć RAM?

Termin Random Access stosowany w odniesieniu do pamięci RAM pochodzi od faktu, że każde miejsce w pamięci, znane również jako dowolny adres pamięci, może być dostępne bezpośrednio. Pierwotnie termin Random Access Memory był używany do odróżnienia zwykłej pamięci rdzeniowej od pamięci offline.

Pamięć offline zazwyczaj odnosiła się do taśmy magnetycznej, z której określony fragment danych mógł być dostępny tylko poprzez sekwencyjne lokalizowanie adresu, zaczynając od początku taśmy. Pamięć RAM jest zorganizowana i kontrolowana w sposób, który umożliwia przechowywanie i pobieranie danych bezpośrednio do i z określonych lokalizacji.

Inne rodzaje pamięci masowej — takie jak dysk twardy i CD-ROM — są również dostępne bezpośrednio lub losowo, ale termin dostęp losowy nie jest używany do opisania tych innych rodzajów pamięci.

Pamięć RAM jest podobna w koncepcji do zestawu pudełek, w których każde pudełko może pomieścić 0 lub 1. Każde pudełko ma unikalny adres, który można znaleźć, licząc w poprzek kolumn i w dół wierszy. Zestaw pudełek RAM nazywany jest tablicą, a każde pudełko znane jest jako komórka.

Aby znaleźć konkretną komórkę, kontroler RAM wysyła adres kolumny i wiersza w dół cienkiej linii elektrycznej wyrytej w chipie. Każdy wiersz i kolumna w tablicy RAM ma swoją własną linię adresową. Wszelkie dane, które są odczytywane, przepływają z powrotem przez oddzielną linię danych.

Pamięć RAM jest fizycznie mała i przechowywana w mikroprocesorach. Jest również niewielka pod względem ilości danych, jakie może pomieścić. Typowy laptop może być wyposażony w 8 gigabajtów pamięci RAM, natomiast dysk twardy może pomieścić 10 terabajtów.

Dysk twardy natomiast przechowuje dane na namagnesowanej powierzchni czegoś, co wygląda jak płyta winylowa. Alternatywnie, dysk SSD przechowuje dane w chipach pamięci, które w przeciwieństwie do pamięci RAM są nieulotne. Nie są one uzależnione od stałego zasilania i nie tracą danych po wyłączeniu zasilania. Mikroprocesory RAM są łączone w moduły pamięci. Moduły te podłącza się do gniazd na płycie głównej komputera. Magistrala, czyli zestaw ścieżek elektrycznych, służy do łączenia gniazd na płycie głównej z procesorem.

Większość komputerów umożliwia użytkownikom dodawanie modułów pamięci RAM do pewnego limitu. Posiadanie większej ilości pamięci RAM w komputerze zmniejsza liczbę operacji, podczas których procesor musi odczytać dane z dysku twardego, co trwa dłużej niż odczyt danych z pamięci RAM. Czas dostępu do pamięci RAM jest podawany w nanosekundach, natomiast czas dostępu do pamięci masowej w milisekundach.

Ile pamięci RAM potrzebujesz?

Ilość potrzebnej pamięci RAM zależy od tego, co robi użytkownik. Na przykład podczas edycji wideo zaleca się, aby system posiadał co najmniej 16 GB pamięci RAM, choć pożądane jest więcej. W przypadku edycji zdjęć za pomocą programu Photoshop firma Adobe zaleca, aby system miał co najmniej 3 GB pamięci RAM do uruchomienia programu Photoshop CC na komputerze Mac. Jednakże, jeśli użytkownik pracuje z innymi aplikacjami w tym samym czasie, nawet 8 GB pamięci RAM może spowolnić działanie systemu.

Typy pamięci RAM

Pamięć RAM występuje w dwóch podstawowych formach:

• Dynamiczna pamięć o dostępie swobodnym (DRAM) stanowi typową pamięć RAM urządzenia komputerowego i, jak już wcześniej zauważono, wymaga zasilania, aby zachować przechowywane dane.

Każda komórka pamięci DRAM ma ładunek lub jego brak przechowywany w kondensatorze elektrycznym. Dane te muszą być stale odświeżane ładunkiem elektronicznym co kilka milisekund, aby skompensować wycieki z kondensatora. Tranzystor służy jako bramka, określając, czy wartość kondensatora może być odczytana lub zapisana.

• Statyczna pamięć o dostępie swobodnym (SRAM) również potrzebuje stałego zasilania, aby utrzymać dane, ale nie musi być stale odświeżana w sposób, w jaki robi to DRAM.

W SRAM, zamiast kondensatora utrzymującego ładunek, tranzystor działa jak przełącznik, z jedną pozycją służącą jako 1, a drugą jako 0. Statyczna pamięć RAM wymaga kilku tranzystorów do utrzymania jednego bitu danych w porównaniu do dynamicznej pamięci RAM, która potrzebuje tylko jednego tranzystora na bit. W rezultacie, chipy SRAM są znacznie większe i droższe niż równoważna ilość pamięci DRAM.

Jednakże SRAM jest znacznie szybsza i zużywa mniej energii niż DRAM. Różnice w cenie i prędkości oznaczają, że statyczna pamięć RAM jest używana głównie w niewielkich ilościach jako pamięć cache wewnątrz procesora komputera.

Historia pamięci RAM: RAM vs. SDRAM

Pierwotnie pamięć RAM była asynchroniczna, ponieważ mikroprocesory RAM miały inną prędkość zegara niż procesor komputera. Stanowiło to problem, gdy procesory stawały się coraz potężniejsze, a pamięć RAM nie nadążała za żądaniami procesora dotyczącymi danych.

W początkach lat 90. prędkości zegara zostały zsynchronizowane dzięki wprowadzeniu synchronicznej dynamicznej pamięci RAM, czyli SDRAM. Dzięki synchronizacji pamięci komputera z danymi wejściowymi z procesora, komputery mogły szybciej wykonywać zadania.

Jednakże oryginalna pamięć SDRAM o pojedynczej szybkości transmisji danych (SDR SDRAM) szybko osiągnęła swój limit. Około roku 2000 opracowano pamięć synchroniczną o podwójnej szybkości przesyłania danych (DDR SRAM). Dzięki temu dane były przesyłane dwukrotnie w pojedynczym cyklu zegara, na początku i na końcu.

DDR SDRAM ewoluowała trzykrotnie, z DDR2, DDR3 i DDR4, a każda iteracja przyniosła poprawę przepustowości danych i zmniejszenie zużycia energii. Jednakże, każda wersja DDR była niekompatybilna z wcześniejszymi, ponieważ z każdą iteracją, dane są przetwarzane w większych partiach.

GDDR SDRAM

Graphics double data rate (GDDR) SDRAM jest używana w kartach graficznych i wideo. Podobnie jak DDR SDRAM, technologia ta umożliwia przenoszenie danych w różnych punktach cyklu zegara procesora. Jednakże, działa ona przy wyższym napięciu i ma mniej ścisłe taktowanie niż DDR SDRAM.

W przypadku zadań równoległych, takich jak renderowanie wideo 2D i 3D, ścisłe czasy dostępu nie są tak konieczne, a GDDR może zapewnić wyższe prędkości i przepustowość pamięci, niezbędne dla wydajności GPU.

Podobnie jak DDR, GDDR przeszła przez kilka generacji rozwoju, z których każda zapewniała większą wydajność i niższe zużycie energii. GDDR6 to najnowsza generacja pamięci graficznej.

Pamięć RAM a pamięć wirtualna

Komputer może być pozbawiony pamięci, zwłaszcza gdy uruchamiamy wiele programów jednocześnie. Systemy operacyjne mogą kompensować braki pamięci fizycznej, tworząc pamięć wirtualną.

W przypadku pamięci wirtualnej dane są tymczasowo przenoszone z pamięci RAM do pamięci dyskowej, a wirtualna przestrzeń adresowa jest zwiększana przy użyciu aktywnej pamięci w pamięci RAM i nieaktywnej pamięci w dysku twardym w celu utworzenia sąsiadujących adresów, które przechowują aplikację i jej dane. Używając pamięci wirtualnej, system może ładować większe programy lub wiele programów działających w tym samym czasie, pozwalając każdemu z nich działać tak, jakby miał nieskończoną pamięć, bez konieczności dodawania więcej pamięci RAM.

Pamięć wirtualna jest w stanie obsłużyć dwa razy więcej adresów niż pamięć RAM. Instrukcje i dane programu są początkowo przechowywane pod adresami wirtualnymi, a po wykonaniu programu adresy te są zamieniane na rzeczywiste adresy pamięci.

Jednym minusem pamięci wirtualnej jest to, że może ona spowolnić pracę komputera, ponieważ dane muszą być mapowane między pamięcią wirtualną a fizyczną. Z samą pamięcią fizyczną, programy działają bezpośrednio z pamięci RAM.

RAM vs. pamięć flash

Pamięć flash i RAM składają się z półprzewodnikowych chipów. Jednak odgrywają one różne role w systemach komputerowych z powodu różnic w sposobie ich wykonania, specyfikacji wydajności i kosztów. Pamięć flash jest używana do przechowywania danych. Pamięć RAM jest używana jako pamięć aktywna, która wykonuje obliczenia na danych pobranych z pamięci.

Jedną znaczącą różnicą między pamięcią RAM a pamięcią flash jest to, że dane muszą być wymazywane z pamięci flash NAND w całych blokach. To czyni ją wolniejszą od pamięci RAM, gdzie dane mogą być kasowane w pojedynczych bitach.

Jednakże pamięć flash NAND jest tańsza od pamięci RAM, a także nieulotna. W przeciwieństwie do pamięci RAM, może ona przechowywać dane nawet wtedy, gdy zasilanie jest wyłączone. Ze względu na mniejszą szybkość, nieulotność i niższy koszt, pamięć flash jest często używana jako pamięć masowa w dyskach SSD.

RAM vs ROM

Pamięć tylko do odczytu (ROM) to pamięć komputerowa zawierająca dane, które można tylko odczytywać, a nie zapisywać. Pamięć ROM zawiera program rozruchowy, który jest używany przy każdym włączeniu komputera. Na ogół nie można jej zmienić ani przeprogramować.

Dane w pamięci ROM są nieulotne i nie są tracone po wyłączeniu zasilania komputera. W rezultacie, pamięć tylko do odczytu jest używany do trwałego przechowywania danych. Random Access Memory, z drugiej strony, może przechowywać dane tylko tymczasowo. ROM to zazwyczaj kilka megabajtów pamięci, podczas gdy RAM to kilka gigabajtów.

Trendy i przyszłe kierunki

Resistive Random Access Memory (RRAM lub ReRAM) to nieulotna pamięć, która może zmieniać opór stałego materiału dielektrycznego, z którego się składa. Urządzenia ReRAM zawierają memrystor, w którym opór zmienia się pod wpływem różnych napięć.

ReRAM tworzy wakanse tlenowe, które są fizycznymi defektami w warstwie materiału tlenkowego. Te wakanse reprezentują dwie wartości w systemie binarnym, podobnie jak elektrony i dziury w półprzewodnikach.

ReRAM ma większą szybkość przełączania w porównaniu do innych technologii pamięci nieulotnych, takich jak NAND flash. Daje również obietnicę wysokiej gęstości zapisu i mniejszego zużycia energii niż NAND flash. To sprawia, że ReRAM jest dobrą opcją dla pamięci w czujnikach stosowanych w przemyśle, motoryzacji i internecie rzeczy.

Wydawcy od lat walczą o rozwój technologii ReRAM i wprowadzenie chipów do produkcji. Obecnie kilka firm dostarcza je na rynek.

Technologia 3D XPoint, taka jak Optane firmy Intel, może ostatecznie wypełnić lukę pomiędzy dynamiczną pamięcią RAM a pamięcią NAND flash. 3D XPoint ma beztranzystorową, krzyżową architekturę, w której selektory i komórki pamięci znajdują się na przecięciu prostopadłych przewodów. 3D XPoint nie jest tak szybki jak DRAM, ale jest pamięcią nieulotną.

Pod względem wydajności i ceny, technologia 3D XPoint plasuje się pomiędzy szybką, ale kosztowną pamięcią DRAM a wolniejszą, tańszą NAND flash. W miarę rozwoju technologii może ona zatrzeć różnicę między pamięcią RAM a pamięcią masową.

5G a rynek pamięci RAM

W lutym 2019 roku stowarzyszenie JEDEC Solid State Technology Association opublikowało dokument JESD209-5, Low Power Double Data Rate 5 (LPDDR5). LPDDR5 będzie docelowo pracować z szybkością I/O na poziomie 6400 MT/s, czyli o 50 procent wyższą niż w pierwszej wersji LPDDR4. Pozwoli to na znaczne zwiększenie szybkości i wydajności pamięci w różnych zastosowaniach. Obejmuje to mobilne urządzenia obliczeniowe, takie jak smartfony, tablety i ultracienkie notebooki.

LPDDR5 został opublikowany z szybkością danych 6400 MT/s, w porównaniu do 3200 MT/s dla LPDDR4 podczas jego publikacji w 2014 r.

W lipcu 2019 r. firma Samsung Electronics rozpoczęła masową produkcję pierwszej w branży 12-gigabitowej mobilnej pamięci DRAM LPDDR5. Według Samsunga, została ona zoptymalizowana pod kątem umożliwienia funkcji 5G i AI w przyszłych smartfonach.

Koszt pamięci RAM

Do lata 2019 roku ceny DRAM pozostały obniżone w stosunku do wcześniejszych poziomów — ale mimo to zmienne. Do zmienności przyczyniło się wiele zmiennych, w tym:

• glut podaży
• napięcia rynkowe między Koreą Południową a Japonią (domem dla dwóch największych na świecie producentów układów pamięci, Samsunga i SK Hynix)
• wprowadzenie mobilnego chipa następnej generacji, LPDDR5
• wzmożone przyjęcie technologii 5G
• przewidywany wzrost popytu na elektronikę użytkową w Internecie Rzeczy (IoT), taką jak samochody i urządzenia do noszenia, które wykorzystują chipy

.