In vele opzichten is het geheugen
wat ons maakt tot wie we zijn:
het helpt ons herinneringen
terug te halen,
vaardigheden te leren en onthouden
en plannen te maken voor de toekomst.
En voor computers die vaak fungeren
als een verlengstuk van onszelf
speelt geheugen vrijwel dezelfde rol.
Zij het een twee-urige film,
een tekstbestand van twee woorden,
ofwel de instructies
om deze bestanden te openen;
alles in een computergeheugen
is opgebouwd uit basiselementen die bits
of binaire cijfers heten.
Elk van hen is opgeslagen
in een geheugencel
die schakelt tussen twee toestanden
voor twee mogelijke waarden;
nul en één.
Documenten en programma's
bevatten miljoenen van deze bits,
die allemaal verwerkt zijn
in de centrale verwerkingseenheid,
of CPU,
die fungeert als
het brein van de computer.
Naarmate het aantal bits
dat moet worden verwerkt
exponentieel toeneemt,
rivaliseren computerontwerpers
continu met elkaar
om het formaat,
de kostprijs en de processorsnelheid.
Net als wij hebben computers
een kortetermijngeheugen
om directe taken uit te voeren
en een langetermijngeheugen
om bestanden permanent op te slaan.
Wanneer je een programma draait,
wijst je besturingssysteem het gebied
toe in het kortetermijngeheugen
om die instructies uit te voeren.
Als je bijvoorbeeld een toets indrukt
in een tekstverwerker,
heeft de CPU toegang tot een van
deze locaties om databits op te halen.
Ze kan die ook bewerken
of nieuwe databits creëren.
De tijdsduur hiervan wordt
de latentie van het geheugen genoemd.
En omdat programma-instructies snel
en continu verwerkt moeten worden
zijn alle locaties
in het kortetermijngeheugen
willekeurig toegankelijk,
vandaar de naam
'willekeurig toegankelijk geheugen'.
Het meest voorkomende type RAM
is dynamische RAM of DRAM.
Daar bevat elke geheugencel
een minuscule transistor en condensator
die elektrische ladingen opslaan,
een nul als er geen lading is,
of een één als er wel lading is.
Men noemt dit dynamisch geheugen
omdat het enkel voor korte tijd
ladingen vasthoudt voordat ze weglekken,
waardoor ze periodiek opgeladen
moeten worden om data te behouden.
Maar zelfs zijn lage latentie
van 100 nanoseconden
duurt te lang voor moderne CPUs,
en dus is er ook een klein,
razendsnel ingebouwd cache-geheugen
gemaakt van statistische RAM.
Dat bestaat meestal uit
zes gekoppelde transistoren
die niet ververst hoeven te worden.
SRAM is het snelste geheugen
in een computersysteem
maar ook het duurste,
en het neemt drie keer zoveel
ruimte in beslag dan DRAM.
Maar RAM en cache kunnen alleen data
vasthouden zolang ze onder spanning staan.
Om data te behouden
wanneer het apparaat uitstaat,
moet het worden overgezet naar
een lange-termijn opslagmedium,
dat beschikbaar is
in drie hoofdcategorieën.
Bij magnetische opslag,
de goedkoopste methode,
is data opgeslagen
in magnetische patronen
op een ronddraaiende schijf die voorzien
is van een laag magneetfolie.
Maar omdat de schijf moet roteren
naar waar de data zich bevindt,
opdat ze gelezen kan worden,
is de latentie voor zulke schijven
100.000 keer trager dan die van DRAM.
Optische opslagmedia daarentegen,
zoals dvd's en blu-ray
maken ook gebruik
van ronddraaiende schijven,
maar die bevatten een reflecterende laag.
Bits zijn gecodeerd als
lichte en donkere vlekken
door middel van een kleurstof,
die een laser kan aflezen.
Hoewel optische opslagmedia
goedkoop en verwijderbaar zijn,
bevatten ze zelfs tragere latenties
dan magnetische opslag
en ook een lagere capaciteit.
Tot slot is er de nieuwste
en snelste langetermijnopslag:
solid state drives,
zoals USB-sticks.
Die bevatten geen bewegende delen
maar gebruiken zwevende poorttransistoren
die bits opslaan door elektrische
ladingen te vangen of te verwijderen
binnen hun speciaal
ontworpen interne structuren.
Hoe betrouwbaar zijn
deze miljarden bits dan?
We zijn geneigd te denken dat
computergeheugen stabiel en permanent is,
maar eigenlijk verslechtert
het tamelijk snel.
De warmteproductie van
een apparaat en zijn omgeving
zal uiteindelijk harde
schijven demagnetiseren,
de kleurstof aantasten in optische media
en een spanningslek veroorzaken
in zwevende poorten.
Solid-state drives hebben
nog een bijkomend zwak punt.
Het herhaaldelijk overschrijven naar
zwevende poorttransistoren tast ze aan,
waardoor ze uiteindelijk
onbruikbaar worden.
Gezien data op de meeste
recente opslagmedia
een levensverwachting heeft
van minder dan tien jaar,
werken wetenschappers eraan om
de fysieke eigenschappen van materialen
op kwantum-niveau te benutten
in de hoop om geheugenmedia
sneller, kleiner en duurzamer te maken.
Voorlopig blijft
onsterfelijkheid onbereikbaar
voor zowel mens als computer.