حافظه تصادفی

تصویری از دو حافظه RAM
حافظه تصادفی یا حافظه خواندن/نوشتن یا رم نوعی حافظه برای ذخیره‌سازی موقت اطلاعات رایانه‌ای است. یک رم به داده‌های ذخیره شده اجازه می‌دهد تا مستقیما در هر مرحله تصادفی در دسترس باشند در مقابل دیگر رسانه‌های ذخیره داده مثل هارد دیسک‌ها، سی دی‌ها، دی وی دی‌ها و نوارهای مغناطیسی و نیز انواع حافظه‌های ابتدایی مثل حافظه درام اطلاعات را به خاطر محدودیت طراحی مکانیکی به‌طور متوالی در مراحل ازپیش تعیین شده می‌خواند و ثبت می‌کند بنابراین زمان دسترسی به داده‌ها به مکان ان بستگی دارد.
امروزه رم شکل کامل مدار گرفته‌است انواع جدید DRAMها حافظه دسترسی تصادفی نیستند به‌طوری‌که داده‌ها پشت سر هم خوانده می‌شوند هر چند اسم شبیه هم دارند.
اگرچه خیلی از انواع SRAM,ROM,OTP,NOR FLASHحتی در دریافت‌های سخت هنوز حافظه دسترسی تصادفی هستند.
رم به‌طور معمول به انواع حافظه‌های فرار مثل DRAMها وابسته است که در این حافظه‌ها اطلاعات ذخیره می‌شود و با خاموش شدن، اطلاعات از بین می‌رود.
انواع دیگر حافظه‌های غیر فرار مثل اکثر رام‌ها(ROM) ویک نوع فلش مموری به نام NOR FLASH به خوبی رم هستند.
تاریخچه
کامپیوترهای اولیه از دستگاه تقویت نیروی برق یا خطوط تاخیری برای عملکرد اصلی حافظه استفاده می‌کردند. در سیستم‌های هانی ول .
حافظه درام می‌تواند به کم هزینه بسط داده شود ولی بازیابی از آیتم‌های مورد نیاز غیر متوالی از درام به منظور بهینه‌سازی سرعت است.
چفت لوله لامپ سه قطبی از خلا ساخته شده‌است و بعد از ان از ترانزیستورهای گسسته برای حافظه‌های کوچکتر و سریعتر مثل دسترسی تصادفی ثبت نام بانک‌ها و ثبت امارها مورد استفاده قرار گرفت چنین ثبت امار نسبتا بزرگی برای تعداد زیادی داده بسیار پرهزینه است در کل فقط چند صد یا چند هزار بیت چنین حافظه‌هایی ارائه شده‌است.
اولین رم که به‌طور عملی مورد استفاده قرار گرفت Williams tubeبود که در سال ۱۹۴۷ساخته و بهره‌برداری شد. داده‌ها را به عنوان نقاط شارژ الکتریکی بر روی لوله پرتو کاتدی ذخیره می‌کرد از انجا که پرتو الکترونی لوله پرتو کاتدی می‌توانند در هر مرحله نقاط شارژ الکترونی را بخوانند و ثبت کنند حافظه دسترسی تصادفی است.
ظرفیت Williams tube چند صد تا حدود چند هزار بیت بود ولی بسیار کوچکتر سریعتر و کارامد‌تر از لامپ سه قطبی بود.
حافظه هسته مغناطیسی در سال۱۹۴۷ اختراع شد و تا دهه ۱۹۷۰توسعه یافت و نمونه گسترده حافظه دسترسی تصادفی شد وابسته به مجموعه حلقه‌های مغناطیسی است با تغییر نیروی مغناطیسی هر حلقه می‌توانند در هر حلقه یک بیت داده ذخیره شود
هر حلقه مجموعه‌ای از سیم آدرس‌ها را دارد که می‌توان ان‌ها را انتخاب کرد خواند یا ثبت کرد و دسترسی به هر قسمت حافظه امکان‌پذیر است.
حافظه هسته مغناطیسی تا زمانی که با حافظه حالت جامد در مدارات مجتمع (در اوایل دهه ۱۹۷۰)جایگزین شد استاندارد بود. Robert H.Dennardحافظه دسترسی تصادفی پویا(DRAM)را در سال ۱۹۶۸ اختراع کرد که یک ترانزیستور را جایگزین مجموعه ۴یا۶ ترانزیستوری برای هر بیت کرد و تا حد زیادی باعث افزایش چگالی حافظه در ازای نوسانات شد اطلاعات در خازن کوچک هر ترانزیستور ذخیره می‌شدند و باید هر چند میلی ثانیه قبل از اینکه شارژ خالی کنند به روز می‌شدند.
انواع رم
۳نوع اصلی رم
RAM پویا (DRAM)
RAM ایستا (SRAM)
حافظه دسترسی تصادفی موازی (PRAM)
در رم‌های ایستا یک بیت داده با استفاده از حالت الاکلنگ ذخیره می‌شوند این گونه رم‌ها برای تولید گرانتر هستند ولی سریعتر هستند و نسبت به رم‌های پویا نیاز به قدرت کمتری دارند و در کامپیوترهای جدید معمولا به عنوان حافظه Cache برای CPU استفاده می‌شود.
رم‌های پویا برای ذخیره یک بیت داده از یک جفت ترانزیستور و خازن که با هم تشکیل یک سلول حافظه می‌دهند استفاده می‌شود. خازن شارژ بالا یا پایین را نگه می‌دارد و و ترانزیستور به عنوان یک سوییچ است که اجازه می‌دهد تا مدار کنترل بر روی تراشه موقعیت شارژ خازن را تشخیص دهد ان را تغییر دهد این نوع حافظه از رم‌های ایستا ارزانتر است اغلب از این نوع در کامپیوترهای مدرن استفاده می‌شود.
رم‌های پویا و ایستا هردو حافظه فرار هستند به‌طوری‌که با خاموش شدن سیستم حافظه پاک می‌شود.
نوع قابل درج رام‌ها مثل فلش مموری خواص رم و رام را دارند اطلاعات را در حالت متصل نبودن نگه می‌دارد و بدون نیاز به تجهیزات خاص به روز می‌شود.
انواع رام‌های پایدار نیمه هادی عبارتند از درایو یو اس بی‌فلش، کارت حافظه، حافظه ECC برای دوربین‌ها و دستگاه‌های قابل حمل که می‌تواند پویا یا ایستا باشد شامل مدارهای خاصی برای تشخیص یا درست کردن اشتباهات تصادفی در داده‌های ذخیره شده با استفاده از بیت توازن یا کد تصحیح خطا است.
در کل اصطلاح رم اشاره دارد به دستگاه‌های حافظه حالت جامد (چه DRAM یا SRAM) وبه‌طور خاص به حافظه اصلی بیشتر کامپیوترها گویند.
در ذخیره‌سازی نوری اصطلاح DVD-RAMاز اسم بی‌مسمی برخوردار است برخلاف CD-RW یا DVD-RW نیاز ندارد قبل استفاده پاک شود با این وجود یک DVD-RAM رفتاری مشابه هارددیسک دارد.
سلسله مراتب حافظه
در رم می‌توان داده‌ها را خواند و بازنویسی کرد بسیاری از سیستم‌های کامپیوتری یک سلسله مراتب حافظه متشکل از ثبت پردازنده)CPU registers) , on-die SRAM caches, حافظه خارجی،حافظه رم پویا، سیستم صفحه بندی (paging systems), حافظه مجازی، فضای مبادله(swap space) در هارد درایو است.
کل این حافظه‌ها را می‌توان به عنوان رم توسط بسیاری از توسعه دهندگان در نظر گرفت هرچند که سیستم‌های مختلف می‌توانند در زمان دسترسی بسیار متفاوت باشند نقض مفهوم اصلی در پشت این واژه با دسترسی تصادفی در رم حتی در یک سلسله مراتب مثل DRAM در یک ردیف خاص ستون بانک رتبه بندی کانال یا سازمان ترکیب‌کننده زمان دسترسی را متغیر می‌سازد البته نه به حدی که چرخش رسانه‌های ذخیره‌سازی ویا یک نوار متغیر است. به‌طور کلی هدف از استفاده از سلسله مراتب حافظه برای به دست اوردن بالاترین عملکرد قابل دسترس و به حداقل رساندن هزینه کل سیستم حافظه است.
کاربردهای دیگر رم
رم علاوه بر ذخیره‌سازی اطلاعات و محیط کار برای سیستم عامل کاربردهای مختلفی دارد.
حافظه مجازی
بیشتر سیستم عامل‌های مدرن روش گسترش ظرفیت حافظه را به کار می‌گیرند که به نام حافظه مجازی شناخته می‌شود بخشی از هارد دیسک کامپیوتر در کنار تنظیم برای صفحه بندی فایل یا یک پارتیشن ابتدایی ترکیبی از حافظه سیستم و فایل صفحه بندی کل حافظه سیستم را تشکیل می‌دهند (برای مثال اگر کامپیوتر ۲ گیگ حافظه رم و ۱ گیگ حافظه فایل صفحه بندی داشته باشد کل حافظه در دسترس سیستم عامل ۳گیگ است).
وقتی حافظه سیستم کم می‌شود بخشی از رم به فایل صفحه بندی برای ایجاد فضایی برای داده‌های جدید منتقل می‌شود و همچنین برای بازگردانی اطلاعات قبلی استفاده می‌شود استفاده بیش از حد از این مکانیزم مانع عملکرد کلی سیستم می‌شود چون هارددیسک به مراتب از رم کندتر است.
نرم‌افزاری که قسمتی از یک RAM کامپیوتر را بخش‌بندی کرده وامکان عملکردان به صورت درایو سریع‌تر را فراهم میاورد RAM DISK نامیده می‌شود یک RAM DISK اطلاعات ذخیره شده را هنگام خاموش شدن کامپیوتر از دست می‌دهد، مگر اینکه حافظه دارای یک منبع باتری اماده به‌کار باشد.
SHADOW RAM
گاهی اوقات، محتویات تراشه ROM کم سرعت به منظور کوتاه‌تر کردن زمان دستیابی، برای حافظه READ/WRITE کپی می‌شود. تراشه ROM هنگام تغییرمکان اولیه حافظه بر روی بلوک مشابه به آدرس‌ها (اغلب غیرقابل رایت)، غیرفعال می‌شود. این فرایند، که به ان SHADOWING گفته می‌شود، در هردوی کامپیوترها و سیستم‌های جاسازی شده بسیار متداول است.
بعنوان یک نمونه رایج ،BIDS در کامپیوترهای معمولی اغلب دارای یک گزینه به نام "استفاده “SHADOW BIOS یا مشابه ان است. بافعال‌سازی ان، توابع و کاربردهای متکی به داده‌های مربوط به BIOS ROM به جای ان از موقعیت‌های DRAM استفاده می‌کنند. این امر بسته به نوع سیستم ممکن است منجربه افزایش کارکرد نشده یا باعث ناسازگاری گردد به‌عنوان مثال، ممکن است برخی از سخت افزارها هنگام استفاده از SHADOW RAM، به سیستم عملگر دسترسی نداشته باشد. این مزیت می‌تواند در برخی از سیستم‌ها فرضی باشد، زیراBIOS پس از راه‌اندازی به وسیله دست یابی مستقیم سخت‌افزار، مورد استفاده قرار نمی‌گیرد. حافظه خالی نیز با توجه به اندازه SHADOW RAMها کوچک می‌شود.
پیشرفت‌های اخیر
چندین نوع جدید از RAM غیرفرار با قابلیت حفظ اطلاعات هنگام خاموش شدن درحال توسعه می‌باشد. تکنولوژیهای به‌کاررفته شامل نانوتیوب‌های کربنی و روش‌های بااستفاده از اثر تومل مغناطیسی می‌باشد. درمیان نسل اول MRAMها، یک تراشه RAM مغناطیسی در تابستان ۲۰۰۳بااستفاده از تکنولوژی ۰٫۱۸میکرومتری ساخته شد.
دیوارهای حافظه
دیوارهای حافظه، اختلافات وعدم توازن، پهنای باند ارتباطی محدود در حاشیه تراشه است. از سال ۱۹۸۶ تا ۲۰۰۰، سرعت cpu به میزان سالانه ۵۵٪ و سرعت حافظه تنها به میزان ۱۰٪ بهبود یافت. باوجوداین گرایش‌ها،انتظار می‌رفت که رکورد حافظه به یک تنگنای سراسری در عملکرد کامپیوتر تبدیل شود.
پیشرفت‌های سرعت cpuبه‌طور قابل توجهی کند شود، بخشی به سبب موانع اصل فیزیکی موجود و بخشی به دلیل وجود مشکل دیواره حافظه در طراحی‌های اخیر cpu از برخی جهات می‌باشد. این دلایل به صورت اسنادی درسال ۲۰۰۵ توسط INTEL تشریح شد.
ابتدا، باکوچک شدن هندسی تراشه و بالارفتن فرکانس‌های کلاک، جریان نشست ترانزیستور افزایش یافته و موجب مصرف توان و گرمای بیشتر می‌شود. ثانیا میکرومتری پیدایش یافت. دو تکنیک درحال توسعه تکنولوژی"کروکس"ارائه شده وانتقال گشتاور اپسین (STT) که باهمکاری کروکس، هاینیکس ،IBM و چندین کارخانه دیگر توسعه یافته‌است. درسال ۲۰۰۴، "نانترو" ارایه GiB10 از پیش نمونه حافظه نانوتیوب کربنی را تولید کرد با این وجود، توانایی این تکنولوژی‌ها در به‌کارگیری احتمال اشتراک فروش تجاری از DRAMتاSRAM یا تکنولوژی فلش مموری همچنان نامشخص مانده‌است .
ازسال ۲۰۰۶،"درایوهای حالت جامد"(مبتنی بر فلش مموری) با ظرفیت‌های بالغ بر۲۵۶گیگابایت و کارکردهای خیلی بیشتر از دیسک‌های قدیمی، دردسترس قرارگرفت. این توسعه، شروع به محوکردن تعریف بین"دیسک "و مموری بادست یابی تصادفی سنتی، با کاهش تفاوت‌های کارکرد کرد.
برخی از انواع مموری بادست یابی تصادفی نظیر"”ECORAM، به‌طور خاص برای مزارع، که درانها مصرف کم توان از اهمیت بیشتری نسبت به سرعت برخورداراست، مزایای سرعت بالای کلاک به وسیله رکورد حافظه خنثی شده است، چون زمان‌های دست یابی حافظه قادر به حفظ سرعت با افزایش فرکانس‌های کلاک نمی‌باشد. ثالثا، طرح‌های ترتیبی قدیمی در کاربردهای مشخص، باسریع‌تر شدن پروسسورها غیرکارآمدتر می‌شوند (به دلیل پدیده‌ای به نام "تنگنای وان نیومن")و در نتیجه موجب پایین‌تر آمدن ارزش بهره ناشی از افزایش فرکانس می‌گردد به‌علاوه، بخشی به سبب محدودیت‌های وسایل تولید اندوکتانس در دستگاه‌های حالت جامد، تاخیرات RC(مقاومت –خازن) درارسال سیگنال باکوچک شدن اندازه مشخصه‌ها، درحال رشد بوده که یک تنگنای اضافی را به ان تحمیل می‌کند.
تاخیرات RC در ارسال سیگنال دربرخی کلاک در مقابل IPC نیز ذکر شده‌بود ک"”THE END OF THE ROAD برای طرح ریز قراردادی که پروژه‌ای با ماکسیمم بهبود عملکرد CPU سالانه میانگین ۱۲٫۵٪ بین سالهای ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۴ بوده‌است. داده‌های پروسسورهای INTEI به وضوح کاهش تدریجی در بهبود کارکرد پروسسورهای اخیر را نشان می‌دهند. بلاین حال، پروسسورهای TNTEL CORE 2 DUO ((CONROE نشان دهنده پیشرفت قابل توجهی در پروسسورهای پنتیوم ۴قبلی بود و این موضوع به سبب طرحی کارآمدتر و افزایش کارکرد ضمن کاهش واقعی نرخ کلاک است.
پردازنده
دیسک سخت
DDR SDRAM