به طور کلی حافظه‌های کامپیوتری به دو دسته تقسیم می‌شوند:

1.     داخلی:  که حافظه اصلی یا اولیه هم نامیده می‌شود و میزان دیتای کوچکی که به سرعت قابل دسترسی است تا کامپیوتر کار کند را ذخیره می‌کند.

2.     خارجی:  که حافظه ثانویه هم نامیده می‌شود و به دستگاه‌های ذخیره سازی که دیتا را به صورت دائم ذخیره می‌کنند گقته می‌شود. این حافظه‌ها به صورت تعبیه شده و یا قابل تعویض هستند مثل هارد دیسک‌ها، SSD ها، USB و DVD و …

حافظه داخلی به دو نوع RAM و ROM تقسیم می‌شوند که در ادامه آنها را بررسی می‌کنیم.

حافظه Ram چیست؟

Ram  مخفف چیست؟ RAM مخفف Random-access memory است و یکی از اجزای مهم در تمام دستگاه‌ها محسوب می‌شود مثل پی سی، اسمارت فون، کنسول بازی، سرور و غیره. آیا کامپیوتر بدون رم کار می کند؟ کاربرد رم در کامپیوتر چیست؟ بدون وجود رم‍ ها کاری انجام نمی‌شود و نبود میزان کافی از آن، باعث کندی شدید در کارها می‌شود.

حالا ببینیم کار رم در کامپیوتر چیست؟ رم مولفه پرسرعتی است که اطلاعات مورد نیاز دستگاه را به صورت موقت ذخیره می‌کند. دسترسی به دیتای ذخیره شده روی رم بسیار سریع است برخلاف هاردها که دسترسی به اطلاعاتشان کندتر است اما به مدت طولانی دیتا را ذخیره می‌کنند. حالا می‌توانید به سوال حافظه ram  پایدار است یا ناپایدار پاسخ دهید. بله ناپایدار است از این جهت که به صورت موقت دیتا را ذخیره می‌کند و اطلاعات حافظه ram با خاموش شدن کامپیوتر یا قطع برق آن پاک می‌شود. در واقع رم‌ها حافظه‌های کوتاه مدت هستند. اینجاست که لزوم وجود هارد درایوها مشخص می‌شود: اطلاعات حتی وقتی برق قطع شود و دستگاه خاموش گردد، پاک نمی‌شوند و محفوظ هستند. اما قبل از خاموش کردن کامپیوتر باید دیتای موجود روی رم را روی رسانه‌های ذخیره سازی ذخیره کرد.

ویژگی ram باعث می‌شود CPU مجبور نباشد ذخیره سازهای کندتر مثل هارد درایوها و SSD ها را بررسی کند. اطلاعات روی رم برای هر مولفه‌ای که تقریبا با سرعت یکسان با رم کار می‌کند قابل خواندن هستند و تقریبا زمان تاخیری ندارد.

کاربرد رم این است که بین CPU که با سرعت بالا کار می‌کند و هارد درایوها که با سرعت پایین کار می‌کنند قرار می‌گیرد تا تعادلی بین سرعتها به وجود آید به عبارتی رم اطلاعات را برای CPU نگهداری می‌کند. هر چه رم بیشتر باشد، CPU کمتر لازم دارد از حافظه خارجی و ثانویه (دستگاه‌های ذخیره سازی) دیتا بخواند در نتیجه سرعت کامپیوتر بیشتر می‌شود. از طرفی داخل خود CPU  هم حافظه نهان کش CPU Cache وجود دارد که کاربرد خاص خودش را دارد. پردازنده اطلاعات را به وسیله کش به رم دریافت و ارسال می‌کند.

در معماری کامپیوتر سعی می‌شود رم در نزدیک ترین جای ممکن به CPU قرار گیرد تا توان حرارتی کاهش یابد.

Rom  چیست؟

 ROM مخفف Read-Only Memory است.حافظه rom پایدار است یا ناپایدار؟ ROM برخلاف RAM پایدار است و حتی وقتی کامپیوتر خاموش شود، محتوای رام باقی می‌ماند. رام، چیپ کامپیوتری است که تقریبا همه کامپیوترها مقدار کمی از آن را برای Boot Firmware دارند. فریمور بوت حاوی چند کیلوبایت کد است که به کامپیوتر می‌گوید هنگام روشن شدن چه کار باید انجام دهد مثلا شناسایی سخت افزار و لود کردن سیستم عامل روی رم. در PC، به فریور بوت، بایوس می‌گویند.

از آنجایی که رام فقط خواندنی است برای آپدیت برنامه‌های روی رام باید به صورت فیزیکی چیپ رام را دربیاورید و عوض کنید. نسخه‌های امروزی رام امکان نوشتن محدود را دارند و می‌توانید فریمور (مثل بایوس) را با استفاده از نرم افزار نصب، آپدیت می‌کند. چیپ‌های قابل نوشتن و Rewritable در سه مدل زیر هستند:

1.     PROM – programmable read-only memory

2.     EPROM – erasable read-only memory

3.     EEPROM – electrically erasable programmable read-only memory

نوع رایج EEPROM را فلش مموری می‌نامند.

تاریخچه رم کامپیوتر

اولین رم در سال ۱۹۴۷ توسط فِرِدی ویلینز و تام کیلبورن احتراع و در  Williams tubeاستفاده شد. در واقع اولین شکل رم کامپیوتری و اولین دستگاه ذخیره سازی دیجیتالی رندوم اکسس بود.

دومین استفاده از رم، حافظه magnetic-core بود که توسط فردریک ویه در سال ۱۹۴۷ اختراع شد. این حافظه متشکل از حلقه‌های فلزی باریکی بود که سیم‌ها به هر حلقه متصل بودند. هر بیت دیتا روی یک حلقه ذخیره می‌شد.

رم‌هایی که امروزه می‌شناسیم Solid State Memory هستند و اولین بار در سال ۱۹۶۸ توسط رابرت دنارد اختراع شد. این رم به صورت DRAM یا dynamic random-access بود و برای ذخیره بیت‌های دیتا از ترانزیستور استفاده می‌کرد.

انواع حافظه Ram

دو نوع اصلی رم‌ها عبارتند از:

 DRAM یا Dynamic ram پراستفاده‌ترین نوع رم اصلی در کامپیوتر است. هر سلول حافظه DRAM از یک تراتزیستور و یک خازن روی مارد مجتمع ساخته شده و هر بیت دیتا (صفر یا یک) در خازن ذخیره می‌شود. تراتزیستور واسطه‌ای است بین مدار کنترل تراشه حافظه و خازن که اجازه خواندن و نوشتن روی خازن را می‌دهد.  DRAM مجموعه‌ای از میلیون‌ها خازن و تراتزیستور است. چون تراتزیستورها مقدار کمی برق تامین می‌کنند باعث می‌شود خازن ها به آرامی دشارژ شوند و دیتای ذخیره شده روی آنها تخلیه شود. در نتیجه DRAM هر چند میلی ثانیه یکبار باید رفرش شود (شارژ الکترونیکی جدید) تا بتواند دیتا را نگه دارد. در رفرش و تازه سازی DRAM مقدار هر سلول قبل از خالی شدن خوانده می‌شود و دوباره در سلول نوشته می‌شود.

۲- SRAM یا Static ram: از ۴ یا ۶ تراتزیستور ساخته شده (شارژ و دشارژ شدن خازن مطرح نیست) و برخلاف DRAM تا وقتی برق وصل است دیتا را نگه می‌دارد اما باید به صورت دوره‌ای رفرش  Periodically Refreshed شود. SRAM سریعتر اما گرانتر است و برای Cache استفاده می‌شود. چگالی سلول حافظه (میزان سلول حافظه در ابعاد یکسان) در DRAM بیشتر از SRAM است در نتیجه DRAM در سیستم‌های کامپیوتری که ظرفیت بالا و قیمت کمتر مطرح است کاربرد بیشتری دارند.

 Memory Refresh فرایند دوره‌ایِ خواندنِ اطلاعاتِ یک ناحیه از حافظه کامپیوتر و بازنویسی آنی همان اطلاعات در همان ناحیه از حافظه است که این بازنویسی بدون هیچ‌گونه تغییری انجام می‌شود.

هدف ازPeriodically Refreshed، حفاظت از اطلاعات است.

مقایسه SRAM و DRAM

تفاوت SRAM و DRAM عبارت است از:

1.     SRAM دارای زمان دسترسی کمتری است.

2.     SRAM سرعت بیشتری دارد.

3.     SRAM گرانتر است.

4.     SRAM برق بیشتری مصرف می‌کند. SRAM نیاز به برق ثابت دارد ولی DRAM چون از خازن استفاده می‌کند برق کمتری مصرف می‌کند.

5.     SRAM دارای پیچیدگی در مدار داخلی است و چگالی ذخیره سازی کمتری دارد.

انواع حافظه  DRAM

1-     ADRAM یا Asynchronous DRAM حافظه به صورت غیرهمزمان کنترل می‌شود و برای این کار، مدار کنترلر حافظه، سیگنال‌های کنترلی تولید می‌کند. CPU در این حالات، زمان تاخیر بیشتری دارد.

2-    SDRAM  یا Synchronous DRAM نوعی حافظه DRAM است که سرعت حافظه را با سرعت کلاک CPU همزمان می‌کند پس کنترلر حافظه از کلاک سیستم باخبر است. بدین ترتیب کار تبادل دیتا با CPU به طور هم‌زمان با استفاده از ساعت سیستم انجام می‌شود. SDRAM در سال ۱۹۹۶ اختراع شد.

3-    RDRAM  یا Rambus DRAM در سال ۱۹۹۸ اختراع شد و نام شرکت سازنده خود را یدک می‌کشد و در حدود سال ۲۰۰۰ رایج بود و بیشتر در کارت گرافیک و دستگاه‌های ویدئو گیم کاربرد داشت. سرعت انتقال آن 1 GHz بود. نرخ انتقال دیتا در این نوع رم بسیار بالاست و روی باس CPU-memory انجام می‌شود. این سرعت بالا به دلیل استفاده از مکانیزم‌هایی چون synchronous memory interface و کش در داخل DRAM و signal timing بسیار سریع است. پهنای باند دیتا در RDRAM برابر با ۸ یا ۹ بیت است.

4-     DDR SDRAM یا Double Data Rate SDRAM نوعی حافظه همزمان است که با استفاده از روش double pumping و با همان فرکانس کلاک، پهنای باند دوبرابری نسبت به SDR SDRAM فراهم می‌کند. بدون افزایش در فرکانس کلاک، هم در لبه بالارونده و هم در لبه پایین رونده‌ی سیگنال کلاک، اجازه انتقال دیتا را می‌دهد. سرعت SDR SDRAM یا single data rate SDRAM نصف DDR SDRAM است چون فقط در لبه بالارونده سیگنال کلاک کار می‌کند و تفاوت خاصی از نظر ساختاری ندارند.

5-     CDRAM یا Cache DRAM نوع خاصی حافظه DRAM است که SRAM دارد. SRAM به عنوان بافر پرسرعت برای DRAM اصلی عمل می‌کند.

رم DDR4

رایج‌ترین نوع رم که امروزه در بازار به فروش می‌رسد DDR4 است. پس از اختراع DDR1 SDRAM در سال ۲۰۰۲، مدل‌های DDR2 در سال ۲۰۰۴ و DDR3 در سال ۲۰۰۷ و DDR4 در سال ۲۰۱۴ اختراع شدند.

مقایسه انواع رم های DDR

اعداد نشانگر نسل رم هستند و اساس کار آنها یکی است اما رم های هر نسل نسبت به نسل قبل، سرعت و پهنای باند بیشتری دارند. نسل‌های DDR از نظر فیزیکی تغییراتی دارند که باعث می‌شود نتوان آنها را به جای هم استفاده کرد. حافظه ها از لحاظ سرعت به ترتیب کدامند؟ به ترتیب نسل‌هایشان. سرعت در ddr4 به صورت ۲۱۳۳/۲۴۰۰/۲۶۶۶/۳۲۰۰ MT/s است.

رم VRAM

رم‌هایی که در فضاهای ویدئو گیم استفاده می‌شوند و برای این منظور بهینه شده‌اند را VRAM یا video RAM می‌نامند. این چیپ‌ها دو قسمت دارند تا دیتای ویدئویی روی چیپ نوشته شود و در همین زمان، کارت گرافیک از حافظه می‌خواند بدین ترتیب صفحه نمایش رفرش می‌شود.

از اصطلاح VRAM استفاده می‌شود تا نشان دهیم حافظه مخصوص کارت گرافیک است.VRAM ها انواع مختلفی دارند:

1.     GDDR که جدیدترین آن GDDR6 است.

2.     رم های High Bandwigth Memory شامل HBM, HBM2, and HBM2e. این رمها بسیار گران هستند و کارایی بسیار بالایی دارند.

انواع حافظه  DIMM

از نقطه نظر دیگر ماژول‌های حافظه به دو دسته زیر تقسیم می‌شوند:

1.     ماژول‌های SIMM – Single In-Line Memory Module: در دهه ۸۰ و ۹۰ میلادی استفاده وسیعی از آنها می‌شد اما اکنون از رده خارج شده‌اند. دیتاباس در آنها ۳۲ بیتی بود و در دو شکل ۳۰ و ۷۲ پین وجود داشتند.

2.     ماژول‌های DIMM – Dual In-Line Memory Module: ماژول‌های کنونی حافظه در قالب DIMM هستند. DIMM یعنی هر دو طرف ماژول پین داریم پس کلا ۱۶۸ پین داریم که از دیتا باس ۶۴ بیتی پشتیبانی می‌کند. دیتای بیشتری از DIMM عبور می‌کند در نتیجه کارایی بیشتری داریم. جدیدترین DIMM ها نسل چهارم DDR یعنی DDR4 SDRAM هستند که کانکنور ۲۸۸ پینی دارد و توان عملیاتی دیتا را افزایش می‌دهد.

انواع DIMM به شکل زیر دسته‌بندی می‌شوند:

1-     UDIMM – Unbuffered DIMM حافظه‌های UDIMM اصولا در کامپیوترهای دسکتاپی و لپ تاپ استفاده می‌شوند البته در سرورهای رده پایین هم کاربرد دارند. قیمت کم و سرعت مناسبی دارند اما نسبت به rdimm پایداری کمتری دارند. در udimm دستورات مستقیم از کنترلر حافظه که در CPU قرار دارد به ماژول رم می‌روند. رم های UNBuffered، مصرف برق کمی دارند و روی سیستم‌هایی که دارای DIMM کمی هستند و پاور ضعیف دارند مناسب است البته ظرفیت این نوع رم ها کم است.

2-     FBDIMM – Fully Buffered DIMM در سیستم‌هایی که ظرفیت بالای رم لازم دارند مانند سرور و ورک استیشن کاربرد دارد. از چیپ AMD – advanced memory buffer استفاده می‌کنند تا قابلیت اطمینان و روش‌های تشخیص خطا و یکپارچگی سیگنال را فراهم کنند. باس AMD به دو قسمت تقسیم می‌شود: باس نوشتنی ۱۰ بیتی و باس خواندنی ۱۴ بیتی. بدین ترتیب خواندن و نوشتن همزمان فراهم می‌شود و کارایی کلی سیستم افزایش می‌یابد. علاوه بر این با داشتن تعداد پین‌های کمتر (در هر کانال سریال ۶۹ پین و در هر کانال موازی ۲۴۰ پین) پیچیدگی مسیریابی را کم می‌کند.

جدول مقایسه رم های UDIMM و RDIMM

3-     RDIMM – Registered DIMM نام دیگر آن Buffered است. کاربرد آن در سرورها و برنامه‌هایی است که به سرعت و ثبات نیاز دارند. در rdimm رجیسترهای آنبورد بین حافظه و کنترلر حافظه قرار دارند و کنترلر حافظه، دستورات و آدرس‌دهی و Clock Cycling را بافر می‌کند.

4-     LRDIMM – Load-Reduced DIMM از تکنولوژی Isolation Memory Buffer – iMB استفاده می‌کند. چیپ iMB علاوه بر اینکه دستورات و آدرس‌دهی و Clock Cycling را بافر می‌کند، سیگنال‌های دیتا را هم بافر می‌کند. کنترلر حافظه فقط محتوای چیپ iMB را می‌بیند و محتوای چیپ dram را نمی‌بیند. در نهایت بافر حافظه تمام خواندن‌ها  و نوشتن‌ها را مدیریت می‌کند و نتیجه آن سرعت و ظرفیت بسیار بالا است.

5-    - NVDIMM – Non-Volatile DIMM در این نوع حافظه هم ناپایداری و موقتی بودن رم ها را داریم و هم پایداری و دایمی بودن هارد ها. یعنی با قطع برق محتوای رم از بین نمی‌رود و داخل فلش ذخیره می‌شود. این نوع رم‌ها در پرولیانت سرورهای نسل ۹ و ۱۰ اچ پی وجود دارند. ماژول‌های nvdimm  برای سرعت مناسب نیستند بلکه برای مواقعی که قطع جریان برق باعث از رفتن اطلاعات از مموری می‌شود کاربرد دارد. ماژول‌های  NVDIMM برای سرعت مناسب نیستند بلکه برای مواقعی که قطع جریان برق باعث از رفتن اطلاعات از مموری می‌شود کاربرد دارد.

رم دسکتاپ چیست؟

رم‌هایی که در کامپیوتر و لپ تاپ استفاده می‌شوند اساسا دارای تکنولوژی یکسانی هستند اما از آنجایی که لپ تاپ ها سایز کوچکتری دارند پس باید قطعات آنها هم کوچکتر باشند. فرق مهم بین رم لپ تاپ و رم دسکتاپ در اندازه و توان مصرفی آنهاست. رم لپ تاپ طول کمتر و تعداد پین کمتری دارد همچنین برق کمتری مصرف می‌کند. به همین دلیل در نام رم های لپ تاپ LP – Low Power دیده می‌شود. LPDDR ولی در رم دسکتاپ فقط DDR داریم.

رم SODIMM چیست؟

در رم دسکتاپ DIMM داریم و در رم های لپ تاپ SODIMM؛ یعنی همان DIMM ولی با سایز کوچکتر. SODIMM مخفف Small Outline است. DDR4 DIMM استاندارد طولی در حدود ۱۳۳.۳۵ میلی متر دارد در حالیکه طول SODIMM ها نصف آن و حدود ۶۹.۹ میلیمتر است. در نتیجه برای دستگاه‌های پورتابل مانند لپ تاپ مناسبند. ارتفاع هر دوی آنها یکی و ۳۰ میلیمتر است اما با ارتفاع کمتر هم آنها را می‌بینید:

1.     very low profile – VLP و ۲۰.۳ میلیمتر

2.     ultra-low profile – ULP و ۱۷.۸ تا ۱۸.۲ میلیمتر

نوع کوچک از RDIMM را به صورت Mini-RDIMM داریم که طول آن ۸۲ میلیمتر است در حالی که RDIMM های معمولی ۱۳۳ میلیمتر طول دارند.

انتخاب رم برای ارتقاء کامپیوتر

مهترین نکته هنگام خرید رم دسکتاپ و رم لپ تاپ این است که بدانید چه مقدار رمی لازم دارید. برای اجرای سیستم عامل به مقداری رم نیاز داریم و هر برنامه‌ای برای اجرا به حداقل میزان رمی احتیاج دارد پس باید بر اساس کاربری و برنامه‌هایی که قرار است استفاده کنیم، میزان رم را مشخص کنیم.

نکته دیگر این است که باید توجه کنید CPU دارای چه معماری است و متناسب با پردازنده خود، نوع و میزان رم را مشخص کنید. همچنین به نوع و میزان و باس رم که مادر بورد پشتیبانی می‌کند، اسلات های خالی مادربورد، باس و حجم و برند رم فعلی توجه کنید.

رم در موبایل چیست؟

همانند رم لپ تاپ، در گوشی ها و مویایل از LPDDR استفاده می‌شود پس رم های DRAM در موبایل هم به کار می‌رود. رم های موبایل از نظر ظاهری تفاوت بسیار زیادی با رم های دسکتاپ و لپ تاپ دارد: رم دسکتاپ و لپ تاپ تعدادی پین و یک سری چیپ دارند اما رم موبایل فاقد اینهاست و زیر CPU قرار می‌گیرد. فاصله نزدیک بین رم و CPU باعث سرعت و توان حرارتی تاثیر دارد.

برنامه‌هایی مثل پیام رسان ها و ایمیل ها در پس زمینه در حال اجرا هستند تا نوتیفیکیشن‌های لازم را به ما نشان دهند پس این برنامه ها رم اشغال می‌کنند. تعادل صحیح بین توان پردازشی و مصرف حافظه بستگی به نوع برنامه‌هایی که کاربر اجرا می‌کند و میزان بار (Load) آن‌ها دارد. 

گفتیم که هر برنامه‌ای رم خودش را لازم دارد پس با اجرای برنامه ها رم بیشتری استفاده می‌شود. از طرفی با بستن برنامه، آن برنامه همچنان روی رم باقی می‌ماند که این خودش باعث مصرف رم می‌شود. با پر شدن رم، برنامه های قدیمی‌تر از روی رم پاک می‌شوند تا جا برای اجرای برنامه‌های جدید باز شود. به طور کلی هر چه رم بیشتری در موبایل داشته باشیم سرعت بالاتری در اجرای اپلیکیشن‌ها خواهیم داشت.

 ECC چیست؟

ECC  نوعی از حافظه‌های ذخیره داده در کامپیوتر و سرور است که می‌تواند انواع مختلفی از خرابی داده‌ها را تشخیص داده و رفع کند، در واقع روشی برای پیدا و اصلاح کردن خطاها در زمان انتقال اطلاعات در انواع DIMM هاست. این نوع حافظه‌ها بیشتر در جاهایی استفاده می‌شوند که تحت هیچ شرایطی نباید داده‌ها آسیب ببینند، از جمله رایانه‌هایی که برای پردازش‌های علمی و مالی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در این نوع حافظه‌ها تک‌تک بیت‌ها از خطر دستکاری شدن و تغییریافتن در امان هستند و داده‌هایی که از هر کلمه خوانده می‌شود، همیشه با داده‌هایی که در آن کلمه نوشته شده‌اند یکسان هستند، حتی اگر یکی یا تعدادی از بیت‌های ذخیره‌شده، تغییر حالت داده باشند. بسیاری از حافظه‌های غیر ECC توانایی تشخیص خطا را ندارند، هرچند که برخی از انواع حافظه‌های غیر ECCبا استفاده از بیت پاریتی توانایی کشف خطا را دارند، اما نمی‌توانند آن را اصلاح کنند.

حافظه های دارای قابلیت ECC به ECC Memory و حافظه های بدون این قابلیت به Non-ECC Memory مشهور هستند.

با توجه به پایداری بسیار زیاد سیستم های کنونی معمولاً استفاده از حافظه های Non-ECC به دلیل سرعت بیشتر و قیمت مناسب‌تر توصیه می‌شود، مگر در موارد خاص مانند محاسبات بسیار دقیق علمی، محاسبات اقتصادی، سرورها و …

حافظه‌های ECC متداول‌ترین نوع حافظه‌هایی هستند که می‌توان در سرورها یافت. این نوع حافظه از یک مدار الکترونیکی مخصوص درون تراشه استفاده می‌کند که قادر به کشف و تصحیح خطاهای تک بیتی حین محاسبات، بدون متوقف کردن (Halt) سیستم است. سرورهای رده Value معمولاً حداکثر ۴ گیگا‌بایت حافظه را پشتیبانی می‌کنند در حالی که سرورهای قوی‌تر همراه ۱ الی ۲ گیگا‌بایت رم ارایه می‌شوند که قابلیت افزایش تا ۳۲ گیگا‌بایت را دارند. پشتیبانی از سیستم ECC با عبارت E روی رم‌ها قابل تشخیص هستند.