ما هي ذاكرة الوصول العشوائي (ذاكرة الوصول العشوائي)؟
ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) هي الأجهزة الموجودة في جهاز الحوسبة التي توفر تخزينا مؤقتا لنظام التشغيل (OS) والبرامج وأي بيانات أخرى قيد الاستخدام حاليا بحيث تكون متاحة بسرعة لمعالج الجهاز. غالبا ما يشار إلى ذاكرة الوصول العشوائي على أنها الذاكرة الرئيسية للكمبيوتر ، على عكس ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج أو أنواع الذاكرة الأخرى.
تعتبر ذاكرة الوصول العشوائي جزءا من الذاكرة الأساسية للكمبيوتر. يعد القراءة والكتابة إليه أسرع بكثير من التخزين الثانوي ، مثل محركات الأقراص الثابتة (HDD) أو محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة (SSD) أو محركات الأقراص الضوئية. ومع ذلك ، فإن ذاكرة الوصول العشوائي متقلبة. يحتفظ بالبيانات فقط طالما أن الكمبيوتر قيد التشغيل. إذا فقدت الطاقة ، فكذلك البيانات. عند إعادة تشغيل الكمبيوتر ، يجب إعادة تحميل نظام التشغيل والملفات الأخرى إلى ذاكرة الوصول العشوائي ، عادة من محرك أقراص ثابتة أو SSD.
كيف تعمل ذاكرة الوصول العشوائي؟
يعتمد مصطلح الوصول العشوائي ، أو الوصول المباشر ، كما ينطبق على ذاكرة الوصول العشوائي على الحقائق التي يمكن الوصول إليها مباشرة عبر عنوان الذاكرة الخاص به وأن الوصول يمكن أن يكون عشوائيا. يتم تنظيم ذاكرة الوصول العشوائي والتحكم فيها بطريقة تمكن من تخزين البيانات واسترجاعها مباشرة من وإلى مواقع محددة. يمكن أيضا الوصول إلى أنواع التخزين الأخرى - مثل محرك الأقراص الثابتة أو القرص المضغوط - بشكل مباشر وعشوائي ، ولكن لا يتم استخدام مصطلح الوصول العشوائي لوصفها.
في الأصل ، تم استخدام مصطلح ذاكرة الوصول العشوائي لتمييز الذاكرة الأساسية العادية عن الذاكرة غير المتصلة بالإنترنت. تشير الذاكرة غير المتصلة عادة إلى الشريط المغناطيسي الذي لا يمكن الوصول منه إلى جزء معين من البيانات إلا عن طريق تحديد موقع العنوان بالتتابع ، بدءا من بداية الشريط.
تتشابه ذاكرة الوصول العشوائي في المفهوم مع مجموعة من المربعات المنظمة في أعمدة وصفوف ، حيث يحتوي كل مربع إما على 0 أو 1 (ثنائي). يحتوي كل مربع على عنوان فريد يتم تحديده عن طريق العد عبر الأعمدة وأسفل الصفوف. تسمى مجموعة مربعات ذاكرة الوصول العشوائي صفيف ، ويعرف كل مربع باسم خلية.
للعثور على خلية معينة ، ترسل وحدة التحكم في ذاكرة الوصول العشوائي عنوان العمود والصف أسفل خط كهربائي رفيع محفور في الشريحة. يحتوي كل صف وعمود في صفيف ذاكرة الوصول العشوائي على سطر عنوان خاص به. يتم إرجاع أي بيانات تتم قراءتها من الصفيف على سطر بيانات منفصل.
ذاكرة الوصول العشوائي صغيرة ماديا ومخزنة في رقائق. يتم تجميع الرقائق الدقيقة في وحدات الذاكرة ، والتي يتم توصيلها بفتحات في اللوحة الأم للكمبيوتر. يتم استخدام ناقل أو مجموعة من المسارات الكهربائية لتوصيل فتحات اللوحة الأم بالمعالج.
ذاكرة الوصول العشوائي صغيرة أيضا من حيث كمية البيانات التي يمكنها الاحتفاظ بها. قد يأتي الكمبيوتر المحمول النموذجي بسعة 8 غيغابايت أو 16 غيغابايت من ذاكرة الوصول العشوائي ، بينما قد يحتوي القرص الثابت على 10 تيرابايت من البيانات. يخزن القرص الصلب البيانات على سطح ممغنط يشبه سجل الفينيل. بدلا من ذلك ، يقوم SSD بتخزين البيانات في رقائق الذاكرة التي ، على عكس ذاكرة الوصول العشوائي ، غير متطايرة. لا تتطلب طاقة ثابتة ولن تفقد البيانات إذا تم إيقاف تشغيل الطاقة.
ما مقدار ذاكرة الوصول العشوائي التي تحتاجها؟
تمكن معظم أجهزة الكمبيوتر المستخدمين من إضافة وحدات ذاكرة الوصول العشوائي حتى حد معين. يؤدي وجود المزيد من ذاكرة الوصول العشوائي في جهاز الكمبيوتر إلى تقليل عدد المرات التي يجب على المعالج فيها قراءة البيانات من القرص الصلب أو محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة ، وهي عملية تستغرق وقتا أطول من قراءة البيانات من ذاكرة الوصول العشوائي. أوقات الوصول إلى ذاكرة الوصول العشوائي بالنانوثانية ، بينما أوقات الوصول إلى التخزين بالمللي ثانية.
يمكن لذاكرة الوصول العشوائي الاحتفاظ بكمية محدودة فقط من البيانات ، أقل بكثير من التخزين الثانوي مثل SSD أو HDD. إذا امتلأت ذاكرة الوصول العشوائي وكانت هناك حاجة إلى بيانات إضافية ، فيجب على النظام تحرير مساحة في ذاكرة الوصول العشوائي للبيانات الجديدة. قد تتضمن هذه العملية نقل البيانات مؤقتا إلى وحدة التخزين الثانوية، غالبا عن طريق تبديل الملفات أو ترحيل الصفحات. يمكن أن تؤثر هذه العمليات بشكل كبير على الأداء ، ولهذا السبب من المهم أن يكون لدى النظام ذاكرة وصول عشوائي كافية لدعم أعباء العمل الخاصة به.
يعتمد مقدار ذاكرة الوصول العشوائي المطلوبة على كيفية استخدام النظام. عند تحرير الفيديو ، على سبيل المثال ، يوصى بأن يحتوي النظام على ذاكرة وصول عشوائي (RAM) بسعة 16 جيجابايت على الأقل ، على الرغم من أن المزيد أمر مرغوب فيه. لتحرير الصور في Photoshop، توصي Adobe بأن يحتوي النظام على 8 غيغابايت على الأقل من ذاكرة الوصول العشوائي لتشغيل Photoshop Creative Cloud على جهاز Mac. ومع ذلك ، إذا كان المستخدم يعمل مع تطبيقات متعددة في نفس الوقت ، فقد لا تكون ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) بسعة 8 جيجابايت كافية وسيعاني الأداء.
أنواع ذاكرة الوصول العشوائي
تأتي ذاكرة الوصول العشوائي في شكلين أساسيين:
- ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM). يستخدم DRAM عادة للذاكرة الرئيسية للكمبيوتر. كما لوحظ سابقا ، فإنه يحتاج إلى طاقة مستمرة للاحتفاظ بالبيانات المخزنة. DRAM أرخص من SRAM ويوفر كثافة أعلى ، لكنه ينتج المزيد من الحرارة ويستهلك المزيد من الطاقة وليس بنفس سرعة SRAM.
تخزن كل خلية DRAM شحنة موجبة أو سالبة محفوظة في مكثف كهربي. يجب تحديث هذه البيانات باستمرار بشحنة إلكترونية كل بضعة أجزاء من الثانية لتعويض التسريبات من المكثف. يعمل الترانزستور كبوابة ، يحدد ما إذا كان يمكن قراءة قيمة المكثف أو كتابتها.
- ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM). يستخدم هذا النوع من ذاكرة الوصول العشوائي عادة لذاكرة التخزين المؤقت عالية السرعة للنظام ، مثل L1 أو L2. مثل DRAM ، يحتاج SRAM أيضا إلى طاقة ثابتة للاحتفاظ بالبيانات ، ولكنه لا يحتاج إلى تحديث مستمر بالطريقة التي تعمل بها DRAM. SRAM أغلى من DRAM وله كثافة أقل ، لكنه ينتج حرارة أقل ويستهلك طاقة أقل ويوفر أداء أفضل.
في SRAM ، بدلا من مكثف يحمل الشحنة ، يعمل الترانزستور كمفتاح ، حيث يعمل موضع واحد ك 1 والموضع الآخر 0. تتطلب ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة عدة ترانزستورات للاحتفاظ ببت واحد من البيانات مقارنة بذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية ، والتي تحتاج إلى ترانزستور واحد فقط لكل بت. هذا هو السبب في أن رقائق SRAM أكبر بكثير وأكثر تكلفة من كمية مكافئة من DRAM.
بسبب الاختلافات بين SRAM و DRAM ، يتم استخدام SRAM بشكل أساسي بكميات صغيرة ، وعلى الأخص كذاكرة تخزين مؤقت داخل معالج الكمبيوتر.
تاريخ ذاكرة الوصول العشوائي: ذاكرة الوصول العشوائي مقابل SDRAM
كانت ذاكرة الوصول العشوائي في الأصل غير متزامنة لأن رقائق ذاكرة الوصول العشوائي الدقيقة لها سرعة ساعة مختلفة عن معالج الكمبيوتر. كانت هذه مشكلة حيث أصبحت المعالجات أكثر قوة ولم تستطع ذاكرة الوصول العشوائي مواكبة طلبات المعالج للبيانات.
في أوائل تسعينيات القرن العشرين ، تمت مزامنة سرعات الساعة مع إدخال ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية المتزامنة ، أو SDRAM. من خلال مزامنة ذاكرة الكمبيوتر مع المدخلات من المعالج ، تمكنت أجهزة الكمبيوتر من تنفيذ المهام بشكل أسرع.
ومع ذلك ، فإن معدل البيانات الفردي الأصلي SDRAM (SDR SDRAM) وصل إلى الحد الأقصى بسرعة. حوالي عام 2000 ، تم إدخال معدل بيانات مزدوج SDRAM (DDR SRAM). نقل DDR SRAM البيانات مرتين في دورة ساعة واحدة ، في البداية والنهاية.
منذ تقديمه ، استمر DDR SDRAM في التطور. الجيل الثاني كان يسمى DDR2 ، يليه DDR3 و DDR4 ، وأخيرا DDR5 ، أحدث جيل. جلب كل جيل سرعات إنتاجية محسنة للبيانات وتقليل استخدام الطاقة. ومع ذلك ، كانت الأجيال غير متوافقة مع الإصدارات السابقة لأن البيانات كانت تتم معالجتها على دفعات أكبر.
ما هو GDDR SDRAM
الرسومات DDR (GDDR) هي نوع آخر من SDRAM يستخدم في بطاقات الرسومات والفيديو. مثل DDR SDRAM ، تتيح التقنية نقل البيانات في نقاط مختلفة في دورة ساعة وحدة المعالجة المركزية. ومع ذلك ، يعمل GDDR بجهد أعلى وله توقيت أقل صرامة من DDR SDRAM.
مع المهام المتوازية ، مثل عرض الفيديو 2D و 3D ، لا تكون أوقات الوصول الضيقة ضرورية ، ويمكن ل GDDR تمكين السرعات العالية وعرض النطاق الترددي للذاكرة اللازمة لأداء وحدة معالجة الرسومات (GPU).
على غرار DDR ، مرت GDDR بعدة أجيال من التطوير ، حيث يوفر كل إصدار أداء أفضل واستهلاكا أقل للطاقة. GDDR7 هو أحدث جيل من ذاكرة الرسومات.
ذاكرة الوصول العشوائي مقابل الذاكرة الظاهرية
يمكن أن يعمل الكمبيوتر على الذاكرة الرئيسية ، خاصة عند تشغيل برامج متعددة في وقت واحد. يمكن لأنظمة التشغيل تعويض نقص الذاكرة الفعلية عن طريق إنشاء ذاكرة افتراضية.
باستخدام الذاكرة الظاهرية ، يقوم النظام بنقل البيانات مؤقتا من ذاكرة الوصول العشوائي إلى التخزين الثانوي ويزيد من مساحة العنوان الظاهرية. يتم تحقيق ذلك باستخدام الذاكرة النشطة في ذاكرة الوصول العشوائي والذاكرة غير النشطة في التخزين الثانوي لتشكيل مساحة عنوان متجاورة يمكنها الاحتفاظ بتطبيق وبياناته.
باستخدام الذاكرة الظاهرية ، يمكن للنظام تحميل برامج أكبر أو برامج متعددة تعمل في نفس الوقت ، مما يسمح لكل منها بالعمل كما لو كان لديه ذاكرة لا نهائية دون الحاجة إلى إضافة المزيد من ذاكرة الوصول العشوائي. يمكن للذاكرة الظاهرية التعامل مع ضعف عدد العناوين مثل ذاكرة الوصول العشوائي. يتم تخزين تعليمات وبيانات البرنامج في البداية في عناوين افتراضية. عند تنفيذ البرنامج ، تتم ترجمة هذه العناوين إلى عناوين الذاكرة الفعلية.
أحد الجوانب السلبية للذاكرة الظاهرية هو أنها يمكن أن تتسبب في تشغيل الكمبيوتر ببطء لأنه يجب تعيين البيانات بين الذاكرة الظاهرية والفعلية. مع الذاكرة الفعلية وحدها ، تعمل البرامج مباشرة من ذاكرة الوصول العشوائي.
ذاكرة الوصول العشوائي مقابل ذاكرة فلاش
تتكون كل من ذاكرة الفلاش وذاكرة الوصول العشوائي من رقائق الحالة الصلبة. ومع ذلك ، يلعب نوعان من الذاكرة أدوارا مختلفة في أنظمة الكمبيوتر بسبب الاختلافات في كيفية صنعها وأدائها ، فضلا عن تكلفتها.
تستخدم ذاكرة الفلاش لتخزين البيانات. تستقبل ذاكرة الوصول العشوائي البيانات من فلاش SSD وتوفرها للمعالج (عبر ذاكرة التخزين المؤقت). بهذه الطريقة ، يمتلك المعالج البيانات التي يحتاجها بسرعة أكبر بكثير مما لو كان يسترد البيانات مباشرة من محركات أقراص الحالة الصلبة.
أحد الاختلافات المهمة بين ذاكرة الوصول العشوائي وذاكرة الفلاش هو أنه يجب مسح البيانات من ذاكرة فلاش NAND في كتل كاملة. هذا يجعلها أبطأ من ذاكرة الوصول العشوائي ، حيث يمكن مسح البيانات في بتات فردية. ومع ذلك ، فإن ذاكرة فلاش NAND أقل تكلفة من ذاكرة الوصول العشوائي وغير متطايرة ، مما يعني أنه يمكنها الاحتفاظ بالبيانات حتى عند انقطاع التيار الكهربائي ، على عكس ذاكرة الوصول العشوائي.
رام RAM مقابل ROM
ذاكرة القراءة فقط ، أو ROM ، هي ذاكرة كمبيوتر تحتوي على بيانات يمكن قراءتها فقط ، وليس كتابتها (باستثناء الكتابة الأولية). غالبا ما تستخدم شرائح ROM لتخزين تعليمات بدء التشغيل التي يتم تشغيلها في كل مرة يتم فيها تشغيل الكمبيوتر. لا يمكن تغيير البيانات أو إعادة برمجتها بشكل عام.
البيانات الموجودة في ROM غير متطايرة ، لذلك لا يتم فقدها عند إيقاف تشغيل طاقة الكمبيوتر. نتيجة لذلك ، يمكن استخدام ROM لتخزين البيانات بشكل دائم. من ناحية أخرى ، يمكن لذاكرة الوصول العشوائي الاحتفاظ بالبيانات مؤقتا فقط. تحتوي شريحة ROM الخاصة بالكمبيوتر بشكل عام على عدة ميغابايت فقط من التخزين ، بينما تستوعب ذاكرة الوصول العشوائي عادة عدة غيغابايت.
ثانيا - الاتجاهات والتوجهات المستقبلية
ذاكرة الوصول العشوائي المقاومة (RRAM أو ReRAM) هي تخزين غير متطاير يمكنه تغيير مقاومة المادة العازلة الصلبة التي تتكون منها. تحتوي أجهزة ReRAM على memristor تختلف فيه المقاومة عند تطبيق الفولتية المختلفة.
يخلق ReRAM شواغر الأكسجين ، وهي عيوب فيزيائية في طبقة من مادة الأكسيد. تمثل هذه الشواغر قيمتين في نظام ثنائي ، على غرار إلكترونات وثقوب أشباه الموصلات.
تتمتع ReRAM بسرعة تحويل أعلى مقارنة بتقنيات التخزين الأخرى غير المتطايرة ، مثل فلاش NAND. كما أنه يبشر بكثافة تخزين أعلى واستهلاك أقل للطاقة مقارنة بفلاش NAND. هذا يجعل ReRAM خيارا جيدا للذاكرة في أجهزة الاستشعار المستخدمة في التطبيقات الصناعية والسيارات وإنترنت الأشياء (IoT).
كافح البائعون لسنوات لتطوير تقنية ReRAM وإدخال الرقائق في الإنتاج. ومع ذلك ، فقد أحرزوا تقدما بطيئا ولكن ثابتا ، ويقوم العديد من البائعين الآن بشحن أجهزة ReRAM.
في مرحلة ما ، وضعت صناعة الذاكرة قدرا كبيرا من الأمل في تقنيات ذاكرة فئة التخزين (SCM) مثل 3D XPoint. يحتوي 3D XPoint على بنية متقاطعة بدون ترانزستور حيث تكون المحددات وخلايا الذاكرة عند تقاطع الأسلاك العمودية. 3D XPoint ليس بنفس سرعة DRAM ، لكنه أسرع من NAND ويوفر ذاكرة غير متطايرة.
ومع ذلك ، كانت النتيجة المهمة الوحيدة لهذا الجهد هي خط إنتاج Optane من Intel ، والذي تضمن كلا من محركات أقراص الحالة الصلبة ووحدات الذاكرة. كان الأمل هو أن يتمكن Optane في النهاية من سد الفجوة بين ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية وذاكرة فلاش NAND ، حيث يعمل كجسر بينهما.
من حيث الأداء والسعر ، وضعت Optane نفسها في مكان ما بين ذاكرة DRAM السريعة والمكلفة وفلاش NAND الأبطأ والأقل تكلفة. لسوء الحظ ، لم تنطلق التكنولوجيا أبدا وأوقفت الشركة جهود تطوير Optane. لا يزال مستقبل Optane وتقنيات SCM المماثلة غير مؤكد.
تعزيز الأداء مع LPDDR5
في فبراير 2019 ، نشرت جمعية تكنولوجيا الحالة الصلبة JEDEC معيار JESD209-5 ، معدل البيانات المزدوجة منخفض الطاقة 5 (LPDDR5). وعدت ذاكرة LPDDR5 بمعدلات بيانات تصل إلى 6400 عملية نقل ضخمة في الثانية (MT / s) ، وهي أعلى بنسبة 50٪ من الإصدار الأول من LPDDR4 ، والذي سجل 3200 مليون عملية نقل / ثانية.
في يوليو 2019، بدأت شركة Samsung Electronics في إنتاج أول ذاكرة DRAM متنقلة LPDDR5 سعة 12 جيجابايت في الصناعة. وفقا لشركة Samsung ، تم تحسين DRAM لتمكين ميزات 5G و الذكاء الاصطناعي في الهواتف الذكية المستقبلية. منذ ذلك الحين ، خرج عدد من البائعين الآخرين بذاكرة LPDDR5 ، بسعات تصل الآن إلى 64 جيجابايت.
يعد LPDDR5 بتعزيز سرعة الذاكرة وكفاءتها بشكل كبير لمجموعة متنوعة من التطبيقات ، بما في ذلك أجهزة الحوسبة المحمولة مثل الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة فائقة النحافة ، بالإضافة إلى أجهزة الكمبيوتر المحمولة المتطورة مثل MacBook Pro.
تكلفة ذاكرة الوصول العشوائي
انخفضت أسعار DRAM بشكل كبير في أوائل عام 2023 ، لكن هذا الاتجاه تحول بحلول نهاية العام ، مع استمرار الأسعار في الارتفاع. في وقت سابق من العام ، كان هناك فائض في المعروض من DRAM ، ويرجع ذلك جزئيا إلى انخفاض الطلب. ردا على ذلك ، بدأ المصنعون في خفض الإنتاج الذي بدأ في دفع الأسعار مرة أخرى.
في الواقع ، يمكن أن يشهد السوق زيادة كبيرة في الأسعار في عام 2024 ، اعتمادا على مستويات الإنتاج والمخزون ، فضلا عن الطلب على المنتج. وفقا لشركة المحلل TrendForce ، بلغ متوسط سعر العقد لوحدة ذاكرة DDR5 بسعة 8 جيجابايت حوالي 17.50 دولارا في نهاية نوفمبر 2023 ، بزيادة 2.94٪ عن الشهر السابق. سواء استمرت الأسعار في الارتفاع أو الانخفاض مرة أخرى ، يظل سوق DRAM متقلبا كما كان دائما.