【Lynn写点科普】你知道记忆体跟硬碟有什幺不同吗?又有哪些

作者: 分类: J惠生活 发布于:2020-06-12 111次浏览 42条评论

【Lynn写点科普】你知道记忆体跟硬碟有什幺不同吗?又有哪些

本集是《一看就懂的 IC》系列第二集。

第一集: 你知道你正在用的电脑是 70 年前发明的冯纽曼架构吗?

常常听说台湾有两兆双星的「惨业」,一个 DRAM、一个面板。等等!DRAM 到底是什幺意思?DRAM 其实指的就是我们一般在用的记忆体。

记忆体还有 SRAM、SDRAM、DDR 3、DDR 4、NOR Flash… 眼花撩乱。想知道现在 DRAM 、NAND Flash 价格在贵什幺的话,至少连「什幺是记忆体」都要搞懂。

例如,最近价格贵到飞天的 NAND Flash 快闪记忆体到底是什幺意思?它也是记忆体吗?虽然名称中有「记忆体」,但它的角色其实是硬碟喔!

广义上来说,有记忆功能的硬体都可以叫记忆体。那硬碟和记忆体到底有什幺差别?在看完 冯纽曼架构 ,了解 CPU 和记忆体的简单运作原理后,相信大家都对硬体元件有一些基本概念了,今天就来和大家介绍一下:什幺是记忆体?什幺是硬碟?两者差异在哪?

记忆体和硬碟差在哪?

我们在讲的,记忆体有很多个位址,还有 CPU 会读取、写入记忆体,其实都是「主记忆体」的部分。

就算关掉电源,硬碟的资料也不会消失!想想看你关机后,若再开机、档案会通通不见吗?

你可能会疑惑:但根据冯纽曼架构,「要被执行的程式和资料」不是要保存在记忆体中吗?没错,不过这是指电脑开启后,才从硬碟「複製一部份的资料」到记忆体里面。

还记得我们说过为什幺要在 CPU 里面设暂存器的原因吗?因为 CPU 要运算时,从暂存器中抓资料、会比跑到记忆体抓资料更快。

所以记忆体是为了跑「正在执行中的程式和资料」,先跑到硬碟中複製过来。CPU 从记忆体中抓资料,和 CPU 不透过记忆体、自己去硬碟抓资料,前者的速度比后者快约数百万倍。

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所以简单来说,电脑在运作就像是办公一样,喝饮料、看书本、听音响… 想一次使用越多东西、桌面就要越大。但其他一时间没有要用到的东西,都会放在抽屉里面。

【Lynn写点科普】你知道记忆体跟硬碟有什幺不同吗?又有哪些
记忆体的处理速度比硬碟更快,但断电之后资料会消失,且价格也比硬碟贵。
储存单元从快到慢:暂存器> 快取> 主记忆体> 硬碟

重新整理一下——我们要运算资料时,如果 CPU 要直接从硬碟里面抓资料,时间会太久。所以「记忆体」会作为中间桥梁,先到硬碟里面複製一份进来,再让 CPU 到记忆体中拿资料做运算。但只有记忆体就够了吗?当然不。

快,还要更快!

还记得我们在 冯纽曼架构 一文中提到的小当家故事中,为大家解释过 CPU 里面也有一个储存空间,叫做暂存器。要运算时、CPU 会从记忆体中把资料载入暂存器、再让暂存器中存的数字做运算,运算完再将结果存回记忆体中。

毕竟 CPU 和记忆体终究还是两片不同的晶片,没有在同一片晶片里直接抓资料快。

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但只要有 CPU 暂存器、记忆体、硬碟,这三层这样就够了吗?

快,还要更快!

所以我们又把 CPU 和记忆体之间,再放一个「快取」当作 CPU 和记忆体的中间桥梁。简单来讲,速度就是:CPU 里面的暂存器 > 快取 > 记忆体 > 硬碟。

越上层,速度就越快、价格越高、容量越低;像是现在花 3000 元就可以买到 1 TB 的硬碟,而 16 GB 的记忆体却高达 5000 元。

那一天到晚听到的 DRAM、SRAM、Flash 等记忆体又分别代表哪层呢?

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记忆体分成挥发性和非挥发性

依据储存资料后是否需要不断供电,可分为挥发性和非挥发性:

挥发性:停止供应电源,记忆资料便会消失。

动态随机记忆体

静态随机记忆体

非挥发性:即使没有供应电源,也能保存已经写入的资料。

唯读记忆体

快闪记忆体

RAM 是 Random Access Memory 的缩写,意思是 CPU 能够不用按照位址的顺序,而随机指定记忆体位址来读取或写入资料。

像人脑就不是冯纽曼架构噢!因为人脑并不存在到所有神经元距离皆相等的 CPU,会因为神经元的分布距离、而有传输速度上的差异。但 CPU 到 RAM 的所有记忆体位址距离都是相等的,读取或写入时、也能不按照地址的顺序,可以随机跳。

事实上,我们上面讲的小当家炒菜和桌面所讲到的记忆体,都是用 RAM。所以 Lynn 的电脑硬碟是 128 GB、RAM 只有 4 GB。

RAM 又分成了 DRAM 和 SRAM。它们都是做记忆体的技术。常常听人讲什幺 DRAM 是曾经的两兆双星产业、三星是市佔 50% 的 DRAM 大厂等等… 不要怀疑,他们讲的就是「记忆体」啦!

记住这个结论很简单,然而更重要的是要知道为什幺。

挥发性记忆体构造剖析

这是我们平常在电脑中使用的记忆体,更精确的说法应该叫「记忆体模组」。一个记忆体模组实际上就是由一块小电路板、再加上几块的 DRAM 晶片构成。

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图示中的记忆体模组上一共有 8 个 DRAM 晶片。让我们把一个 DRAM 晶片的内部结构剖开看看,会看到一个储存阵列。CPU 会给这个储存阵列「行地址」和「列地址」,就可以选出一个「储存单元」。

常见的储存单元包含了 4 bit 或 8 bit,每一个 bit 都会採用一个电路结构,我们称为 DRAM 的一个「基本储存单元」。这个基本储存单元中包含了一个电晶体匹配一个电容。然后就可以视电容器是否有充电电荷存在、来判别目前的记忆状态。

备注:

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「写入记忆体」的动作,就是由外部的资料线、对电容进行充电或放电,从而完成写入 1 或 0 的数位资料。

由于电容会有漏电的现象,导致电位差不足而使记忆消失,因此除非电容经常周期性地充电,否则无法确保资料能长久保存起来。

每个 DRAM 基本储存单元的电路结构非常的简单,所以功耗低、价格也较低。这样一来用低成本就能製造出大储存容量的 DRAM 晶片。缺点就是读写的速度慢,影响了 DRAM 的性能。

SRAM 的结构则较为複杂,一共有六个电晶体构成。我们能分别用 M1、M2、M3 到 M6 进行标记。这六个电晶体合起来才能保存一个 bit。

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SRAM 晶片和 DRAM 晶片不太一样,不需要分成行地址和列地址分别选择,而且 SRAM 的设计相对来说又更加灵活,一个地址对应的储存单元数量可以是 8 bit、10 bit,或 32 bit、40 bit、64 bit 都行。

另外,电晶体的开关速度远比电容充电放电的速度还快,所以相对于 DRAM、SRAM 的读写速度比 DRAM 快很多。

然而 SRAM 中要储存一个 bit 就得用到六个电晶体。电晶体的数量一多、就会造成晶片的面积变大,从而带来积体电路难以变得更小、还有价格更贵的问题。

每个电晶体都要耗电,电晶体越多、功耗就越高。考量到价格高和功耗大,目前只能在一些很严苛的地方来使用 SRAM,比如上面提到的快取。

然而无论是 DRAM 还是 SRAM,一不供应电源就会丧失储存的资料,所以都叫做挥发性记忆体。

非挥发性记忆体构造剖析

ROM 是 Read Only Memory 的缩写。 虽然 ROM 在不供应电源下、资料也不会消失,但上面的电路都是一开始就已经设计规划好,资料都是固定的、不能做任何的更改。因此 ROM 上的资料只能被读取,而不能做任何写入的动作。

Flash 称为快闪记忆体。 由于具备了重量轻、体积小、功率低等优点,被应用在各类电子产品的硬碟上。Flash 又可以分成 NOR 型 Flash 和 NAND 型 Flash。

NOR Flash 比 NAND Flash 更早导入市场。读取的速度较快,但写入的速度慢、价格也比 NAND Flash 贵。目前用来储存作业系统的程式码或重要资料,比如拿来做 ROM。像是生产 NOR Flash 的台厂旺宏就是因为打入任天堂 Switch 主机的 ROM 供应链,今年营收攀升。

NAND Flash 写入的速度快、价格较低,故目前以 NAND Flash 最为普遍。现在的 USB 硬碟和手机储存空间,就是用 NAND Flash 为主流技术。另外,固态硬碟也是以 NAND Flash 为基础所建构的储存装置。

SSD 不像传统硬碟中有马达、读写臂等零件,速度慢、功耗高,对震动又相当敏感,很难用在小型行动装置中,SSD 在读写资料时不会有噪音,耐震、传输速度快、重量又能缩减到 HDD 十分之一以上,现在已经成为个人电脑和笔记型电脑的主流储存设备。

由于 SSD 的价格比 HDD 贵、寿命也比较短,所以对企业级伺服器来说——不会有什幺震动、大规模储存成本低、资料储存时间长,还是以 HDD 为主要应用。不过未来也将慢慢以 SSD 硬碟为主,原因不外乎速度快、成本越来越低,最重要还是耗能比传统硬碟低,在这个越来越讲求环保的时代着实是个优势。

想想从 1980 年代开始至今,三十多年来 CPU 的效能增长超过 10,000 倍,DRAM 的效能成长却不到 10 倍。硬碟呢?比起记忆体,更是慢的跟巨型乌龟一样,十多年才好不容易从 5200 转爬到 7200 转。可知个人电脑对于能取代 HDD 的 SSD 需求是多急迫。

好啦,希望你已经对于记忆体的基本知识有些概念了:

依照停止供应电源的话、是否还能保留资料,分成「挥发性记忆体」与「非挥发性」记忆体。

SRAM 更快但价格更贵,所以主记忆体多用 DRAM、快取多用 SRAM。

Flash 又分成 NOR Flash 与 NAND Flash,现在硬碟多以 NAND Flash 构成的 SSD 为主。

下一篇 ,就让我们来介绍各大记忆体厂商之间的关係与竞合策略吧。

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