RAM (Random Access Memory)

RAM (Random Access Memory) is de hardware in een computer waar het besturingssysteem (OS), toepassingsprogramma’s en gegevens die op dat moment worden gebruikt, worden bewaard zodat de processor van het apparaat er snel bij kan. RAM is het hoofdgeheugen in een computer. Het is veel sneller om van te lezen en naar te schrijven dan andere soorten opslag, zoals een harde schijf (HDD), een solid-state drive (SSD) of een optische drive.

Random Access Memory is vluchtig. Dat betekent dat gegevens in het RAM-geheugen worden bewaard zolang de computer aan staat, maar dat ze verloren gaan als de computer wordt uitgezet. Als de computer opnieuw wordt opgestart, worden het besturingssysteem en andere bestanden opnieuw in het RAM geladen, meestal vanaf een HDD of SSD.

Functie van RAM

Omdat RAM vluchtig is, kunnen er geen permanente gegevens in worden opgeslagen. RAM kan worden vergeleken met het kortetermijngeheugen van een persoon, en een harde schijf met het langetermijngeheugen van een persoon. Het kortetermijngeheugen is gericht op onmiddellijk werk, maar het kan slechts een beperkt aantal feiten tegelijk in beeld houden. Als iemands kortetermijngeheugen vol is, kan het worden ververst met feiten die zijn opgeslagen in het langetermijngeheugen van de hersenen.

Een computer werkt ook op deze manier. Als het RAM-geheugen vol is, moet de processor van de computer herhaaldelijk naar de harde schijf gaan om de oude gegevens in het RAM te vervangen door nieuwe gegevens. Dit proces vertraagt de werking van de computer.

De harde schijf van een computer kan helemaal vol raken met gegevens en er niet meer bij kunnen, maar RAM zal niet zonder geheugen komen te zitten. De combinatie van RAM en opslaggeheugen kan echter wel volledig worden opgebruikt.

Hoe werkt RAM?

De term random access zoals toegepast op RAM komt van het feit dat elke opslaglocatie, ook bekend als elk geheugenadres, direct kan worden benaderd. Oorspronkelijk werd de term Random Access Memory gebruikt om onderscheid te maken tussen het gewone kerngeheugen en het offline-geheugen

Offline-geheugen verwees gewoonlijk naar magnetische band waarvan een specifiek stuk gegevens alleen kon worden benaderd door het adres opeenvolgend te lokaliseren, te beginnen bij het begin van de band. RAM wordt zo georganiseerd en beheerd dat gegevens direct kunnen worden opgeslagen op en opgehaald van specifieke locaties.

Andere typen opslag, zoals de harde schijf en CD-ROM, worden ook direct of willekeurig benaderd, maar de term willekeurige toegang wordt niet gebruikt om deze andere typen opslag te beschrijven.

RAM is qua concept vergelijkbaar met een set dozen waarin elke doos een 0 of een 1 kan bevatten. Elke doos heeft een uniek adres dat wordt gevonden door over de kolommen en over de rijen naar beneden te tellen. Een set RAM-boxen wordt een array genoemd, en elke box staat bekend als een cel.

Om een specifieke cel te vinden, stuurt de RAM-controller het kolom- en rijadres naar beneden langs een dunne elektrische lijn die in de chip is geëtst. Elke rij en kolom in een RAM-array heeft zijn eigen adreslijn. Gelezen gegevens worden via een aparte datalijn teruggestuurd.

RAM is fysiek klein en wordt in microchips opgeslagen. Het is ook klein in termen van de hoeveelheid gegevens die het kan bevatten. Een laptop heeft meestal 8 gigabyte RAM, terwijl een harde schijf 10 terabyte kan bevatten.

Een harde schijf daarentegen slaat gegevens op het gemagnetiseerde oppervlak op van wat lijkt op een vinylplaat. Een SSD daarentegen slaat gegevens op in geheugenchips die, in tegenstelling tot RAM, niet vluchtig zijn. Ze zijn niet afhankelijk van een constante stroomvoorziening en zullen geen gegevens verliezen als de stroom wordt uitgeschakeld. RAM-microchips worden samengevoegd tot geheugenmodules. Deze worden in slots op het moederbord van een computer gestoken. Een bus, of een reeks elektrische paden, wordt gebruikt om de moederbordsleuven met de processor te verbinden.

De meeste pc’s stellen gebruikers in staat RAM-modules toe te voegen tot een bepaalde limiet. Meer RAM in een computer vermindert het aantal keren dat de processor gegevens van de harde schijf moet lezen, een bewerking die langer duurt dan het lezen van gegevens uit RAM. De RAM-toegangstijd wordt uitgedrukt in nanoseconden, terwijl de toegangstijd tot het opslaggeheugen in milliseconden wordt uitgedrukt.

Hoeveel RAM heb je nodig?

De hoeveelheid RAM die nodig is, hangt af van wat de gebruiker aan het doen is. Voor videobewerking wordt bijvoorbeeld een systeem met minimaal 16 GB RAM aanbevolen, maar meer is wenselijk. Voor fotobewerking met Photoshop raadt Adobe aan dat een systeem ten minste 3 GB RAM heeft om Photoshop CC op een Mac te draaien. Als de gebruiker echter tegelijkertijd met andere programma’s werkt, kan zelfs 8 GB RAM de boel vertragen.

Soorten RAM

RAM is er in twee hoofdvormen:

• Dynamic Random Access Memory (DRAM) vormt het RAM-geheugen van een computer, en zoals eerder is opgemerkt, heeft het die stroom nodig om opgeslagen gegevens vast te kunnen houden.

Elke DRAM-cel heeft een lading of een gebrek aan lading die wordt vastgehouden in een elektrische condensator. Deze gegevens moeten voortdurend worden ververst met een elektronische lading om de paar milliseconden om lekken van de condensator te compenseren. Een transistor fungeert als gate, en bepaalt of de waarde van een condensator kan worden gelezen of geschreven.

• Static Random Access Memory (SRAM) heeft ook constante stroom nodig om gegevens vast te houden, maar hoeft niet voortdurend te worden ververst zoals DRAM dat doet.

In SRAM, in plaats van een condensator die de lading vasthoudt, fungeert de transistor als een schakelaar, waarbij de ene positie als 1 dient en de andere positie als 0. Statische RAM vereist meerdere transistors om één bit met gegevens vast te houden, vergeleken met dynamische RAM die slechts één transistor per bit nodig heeft. Als gevolg daarvan zijn SRAM-chips veel groter en duurder dan een gelijkwaardige hoeveelheid DRAM.

SRAM is echter aanzienlijk sneller en verbruikt minder stroom dan DRAM. Door het prijs- en snelheidsverschil wordt statisch RAM voornamelijk in kleine hoeveelheden gebruikt als cache-geheugen in de processor van een computer.

Geschiedenis van RAM: RAM vs. SDRAM

RAM was oorspronkelijk asynchroon omdat de RAM-microchips een andere kloksnelheid hadden dan de processor van de computer. Dit was een probleem toen processoren krachtiger werden en het RAM-geheugen de vraag van de processor om gegevens niet kon bijhouden.

In het begin van de jaren negentig werden de kloksnelheden gesynchroniseerd met de introductie van synchroon dynamisch RAM, oftewel SDRAM. Door het geheugen van een computer te synchroniseren met de input van de processor, konden computers taken sneller uitvoeren.

De oorspronkelijke single data rate SDRAM (SDR SDRAM) bereikte echter snel zijn limiet. Rond het jaar 2000 werd het double data rate synchrone Random Access Memory (DDR SRAM) ontwikkeld.

DDR SDRAM is drie keer geëvolueerd, met DDR2, DDR3 en DDR4, en elke iteratie heeft geleid tot verbeterde datadoorvoersnelheden en een lager stroomverbruik. Elke DDR-versie was echter incompatibel met eerdere versies, omdat bij elke iteratie de gegevens in grotere batches worden verwerkt.

GDDR SDRAM

Graphics double data rate (GDDR) SDRAM wordt gebruikt in grafische kaarten en videokaarten. Net als DDR SDRAM maakt deze technologie het mogelijk gegevens te verplaatsen op verschillende punten in een CPU-klokcyclus. Het werkt echter bij hogere voltages en heeft een minder strikte timing dan DDR SDRAM.

Bij parallelle taken, zoals 2D- en 3D-video-rendering, zijn strakke toegangstijden niet zo noodzakelijk en kan GDDR de hogere snelheden en geheugenbandbreedte mogelijk maken die nodig is voor GPU-prestaties.

GDDR heeft, net als DDR, verschillende ontwikkelingsgeneraties doorgemaakt, waarbij elke generatie meer prestaties en een lager stroomverbruik heeft opgeleverd. GDDR6 is de nieuwste generatie grafisch geheugen.

RAM vs. virtueel geheugen

Een computer kan een tekort aan geheugen krijgen, vooral wanneer meerdere programma’s tegelijk worden uitgevoerd. Besturingssystemen kunnen een tekort aan fysiek geheugen compenseren door virtueel geheugen te maken.

Met virtueel geheugen worden gegevens tijdelijk van RAM naar schijfopslag overgebracht, en wordt de virtuele adresruimte vergroot door gebruik te maken van actief geheugen in RAM en inactief geheugen in een HDD om aaneengesloten adressen te vormen waarop een toepassing en de bijbehorende gegevens kunnen worden opgeslagen. Met behulp van virtueel geheugen kan een systeem grotere programma’s of meerdere programma’s tegelijk laden, zodat elk programma kan werken alsof het oneindig geheugen heeft zonder dat er meer RAM hoeft te worden toegevoegd.

Virtueel geheugen kan twee keer zoveel adressen verwerken als RAM. De instructies en gegevens van een programma worden in eerste instantie opgeslagen op virtuele adressen, en zodra het programma wordt uitgevoerd, worden deze adressen omgezet in werkelijke geheugenadressen.

Een nadeel van virtueel geheugen is dat het een computer kan vertragen omdat gegevens moeten worden gemapt tussen het virtuele en fysieke geheugen. Met alleen fysiek geheugen werken programma’s direct vanuit het RAM.

RAM vs. flashgeheugen

Flashgeheugen en RAM bestaan beide uit solid-state chips. Ze spelen echter een verschillende rol in computersystemen vanwege verschillen in de manier waarop ze worden gemaakt, hun prestatiespecificaties en de kosten. Flashgeheugen wordt gebruikt als opslaggeheugen. RAM wordt gebruikt als actief geheugen dat berekeningen uitvoert op de gegevens die uit de opslag worden opgehaald.

Een belangrijk verschil tussen RAM en flashgeheugen is dat gegevens in hele blokken uit het NAND-flashgeheugen moeten worden gewist. Dit maakt het langzamer dan RAM, waar gegevens in afzonderlijke bits kunnen worden gewist.

NAND-flashgeheugen is echter minder duur dan RAM, en het is ook niet-vluchtig. In tegenstelling tot RAM, kan het gegevens vasthouden, zelfs als de stroom is uitgeschakeld. Vanwege de lagere snelheid, de niet-vluchtigheid en de lagere kosten wordt flashgeheugen vaak gebruikt als opslaggeheugen in SSD’s.

RAM vs. ROM

Read-only geheugen, of ROM, is computergeheugen dat gegevens bevat die alleen kunnen worden gelezen, niet beschreven. ROM bevat opstartprogramma’s die telkens worden gebruikt wanneer een computer wordt aangezet. Het kan in het algemeen niet worden gewijzigd of geherprogrammeerd.

De gegevens in ROM zijn niet-vluchtig en gaan niet verloren wanneer de computer wordt uitgeschakeld. Als gevolg hiervan wordt read-only geheugen gebruikt voor permanente gegevensopslag. Random Access Memory daarentegen kan slechts tijdelijk gegevens bevatten. ROM heeft doorgaans een geheugencapaciteit van enkele megabytes, terwijl RAM een geheugencapaciteit van enkele gigabytes heeft.

Trends en toekomstige richtingen

Resistief Random Access Memory (RRAM of ReRAM) is niet-vluchtig geheugen dat de weerstand kan veranderen van het vaste diëlektrische materiaal waaruit het is opgebouwd. ReRAM-apparaten bevatten een memristor waarin de weerstand varieert wanneer verschillende spanningen worden toegepast.

ReRAM creëert zuurstofvacatures, die fysieke defecten zijn in een laag oxidemateriaal. Deze vacatures vertegenwoordigen twee waarden in een binair systeem, vergelijkbaar met de elektronen en gaten van een halfgeleider.

ReRAM heeft een hogere schakelsnelheid vergeleken met andere niet-vluchtige opslagtechnologieën, zoals NAND-flash. Het belooft ook een hoge opslagdichtheid en een lager stroomverbruik dan NAND flash. Dit maakt ReRAM een goede optie voor geheugen in sensoren die worden gebruikt voor industriële, automobiel- en internet of things-toepassingen.

Verkopers hebben jarenlang geworsteld om ReRAM-technologie te ontwikkelen en chips in productie te nemen.

3D XPoint-technologie, zoals Intels Optane, zou uiteindelijk het gat tussen dynamisch RAM-geheugen en NAND-flashgeheugen kunnen opvullen. 3D XPoint heeft een transistorloze, kruispuntarchitectuur waarbij selectoren en geheugencellen zich op het snijpunt van loodrechte draden bevinden. 3D XPoint is niet zo snel als DRAM, maar het is wel niet-vluchtig geheugen.

In termen van prestaties en prijs bevindt 3D XPoint-technologie zich tussen snelle, maar dure DRAM en langzamere, minder dure NAND-flash. Naarmate de technologie zich verder ontwikkelt, kan het onderscheid tussen RAM en opslag vervagen.

5G en de RAM-markt

In februari 2019 publiceerde de JEDEC Solid State Technology Association de JESD209-5, Low Power Double Data Rate 5 (LPDDR5). LPDDR5 zal uiteindelijk werken met een I/O-snelheid van 6400 MT/s, 50 procent hoger dan die van de eerste versie van LPDDR4. Dit zal de geheugensnelheid en -efficiëntie voor een groot aantal toepassingen aanzienlijk verhogen. Dit omvat mobiele computerapparaten zoals smartphones, tablets en ultradunne notebooks.

LPDDR5 werd gepubliceerd met een datasnelheid van 6400 MT/s, vergeleken met 3200 MT/s voor LPDDR4 bij de publicatie in 2014.

In juli 2019 is Samsung Electronics begonnen met de massaproductie van het eerste 12-gigabit LPDDR5 mobiele DRAM van de industrie. Volgens Samsung is het geoptimaliseerd voor het mogelijk maken van 5G- en AI-functies in toekomstige smartphones.

Kosten van RAM

Tegen de zomer van 2019 bleven de DRAM-prijzen gedeprimeerd ten opzichte van eerdere niveaus — maar volatiel, niettemin. Een aantal variabelen droeg bij aan de volatiliteit, waaronder:

• een leveringsoverschot
• marktspanningen tussen Zuid-Korea en Japan (de thuisbasis van ’s werelds twee grootste geheugenchipmakers, Samsung en SK Hynix)
• de introductie van de volgende generatie mobiele chip, de LPDDR5
• de toegenomen adoptie van 5G-technologie
• een verwachte toename van de vraag naar consumentenelektronica in het Internet of Things (IoT), zoals auto’s en draagbare apparaten, die de chips gebruiken