حافظه‌های کامپیوتری را بهتر بشناسیم

حافظه های سریع مانند RAMهای ایستا (SRAM : Static RAM)، هزینه ی بالایی به ازای هر بیت دارند (هم از نظر هزینه و هم از نظر مساحت تراشه) که ساخت کل حافظه یک کامپیوتر با استفاده از این نوع بسیار پربها خواهد شد. فناوری های کندتر همچون RAMهای پویا (DRAM : Dynamic RAM) کم بهاترند که این موضوع ساخت حافظه های بزرگتر با استفاده از این فناوری ها را میسر می سازد.

در هر سلسله مراتب حافظه، سطوح نزدیک تر به پردازنده از قبیل حافظه نهان (cache)، دارای ظرفیت کمتری هستند ولی در عوش با فناوری های سریع تر ساخته می شوند و همین امر سبب می شود سرعت دسترسی به داده ها زیاد شود و زمان دستیابی به حافظه کاهش یابد. با حرکت به پایین سلسله مراتب، هر سطح، حافظه بیشتری دارد ولی در عوض زمان دسترسی طولاتی تر از سطح بالایی خود است. هدف سلسله مراتب حافظه این است که داده هایی که بیشتر توسط یک برنامه مورد رجوع قرار می گیرند در بالاترین سطح سلسله مراتب حافظه نگه داری شوند.

سه فناوری مختلف برای پیاده سازی سیستم های خافظه کامپیوترهای پیشرفته استفاده می شوند که می توان به RAM ایستا (SRAM)، RAM  پویا (DRAM) و دیسک های سخت اشاره کرد. دیسک های سخت تقریبا کندترین فناوری هستند و برای پایین ترین سطح سیستم حافظه، یعنی حافظه مجازی، استفاده می شوند. SRAM و DRAM به میزان 1000000 بار از حافظه مبتنی بر دیسک سریع ترند و فناوری استفاده شده در آنها تقریبا برای پیاده سازی حافظه های نهان و حافظه های اصلی تمامی کامپیوترها به کار می رود.

تراشه های حافظه های SRAM و DRAM ساختار بنیادی یکسانی دارند. داده ها در آرایه مستطیل شکلی از سلول های بیتی (Bit Cell) ذخیره می شوند که هر کدام از یک بیت داده نگه داری می کنند. برای خواندن داده ها از آرایه، نیمی از آدرسی که بناست خوانده شود (عموما بیت های مرتبه بالا) به یک رمز گشا (decoder) ارسال می گردند. رمزگشا، خط کلمه (Word Line) را مطابق با مقدار بیت های ورودی اش ارزیابی می کند (به ولتاژ بالا تحریک می کند) که این امر منجر می شود تمام سلول های بیتی در ردیف متناظر، مقادیر خود را بر روی خطوط بیتی (bit line) متصل به آن ها قرار دهند. سپس، نیمه دیگر آدرس به عنوان ورودی به یک مالتی پلکسر (Multiplexer) استفاده می شود که خط بیتی مناسب را انتخاب کرده و خروجی اش را بر روی پایه های خروجی تراشه تحریک می کند. از فرآیند مشابهی برای ذخیره داده ها در تراشه استفاده می شود. به جز اینکه داده هایی که قرار است نوشته شود بر روی خط بیتی مناسب تحریک شده و در سلول بیتی منتخب نوشته می شوند.

اغلب تراشه های حافظه بیش از یک بیت خروجی تولید می کنند. این کار یا با ایجاد آرایه های چندگانه از سلول های بیتی ( که هر کدام یک بیت از خروجی را تولید می کنند) انجام می شود یا با طراحی مالتی پلکسری صورت می پذیرد که خروجی های چند خط بیتی را انتخاب و آن ها را بر روی خروجی های تراشه تحریک می کند.

سرعت تراشه ی حافظه توسط چندین عامل از جمله طول خط بیتی و خطوط کلمه و چگونگی ساخت سلول های بیتی، تعیین می گردد. خطوط بیتی و کلمه طولانی تر، ظرفیت های خازنی و مقاومتی بالایی دارند؛ بنابراین در صورتی که طول آنها افزایش یابد، تحریک یک سیگنال بر روی این سیم ها زمان طولانی تری مصرف می کند. به این دلیل، بسیاری تراشه های پیشرفته حافظه از تعداد زیادی آرایه های کوچک سلول بیتی ساخته شده اند تا خطوط بیتی و خطوط کلمه را کوتاه نگاه دارند.

تکنیک های مورد استفاده در ساخت سلول های بیتی بر سرعت تراشه ی حافظه اثر می گذارد، زیرا آنها بر میزان جریان موجود برای تحریک خروجی سلول های بیتی در خطوط بیتی، تاثیر گذارند که این امر نیز تعیین کننده مدت زمانی است که طول می کشد تا خروجی سلول بیتی به یک مالتی پلکسر انتشار یابد.

سلول های بیتی SRAM می توانند جریان بیشتری را در قیاس با سلول های بیتی DRAM تحریک کنند که این موضوع یکی از دلایل اصلی برای سرعت فوق العاده ی SRAM ها نسبت به DRAMهاست.