Πώς λειτουργεί η μνήμη του υπολογιστή - Κάναουατ Σινάναν

Δείτε ολόκληρο το μάθημα: http://ed.ted.com/lessons/how-computer-memory-works-kanawat-senanan

Με πολλούς τρόπους, οι μνήμες μας μάς κάνουν αυτό που είμαστε, βοηθώντας μας να θυμηθούμε το παρελθόν μας, να μάθουμε και να διατηρήσουμε δεξιότητες, και να σχεδιάσουμε το μέλλον. Και για τους υπολογιστές που συχνά δρουν ως επεκτάσεις του εαυτού μας, η μνήμη παίζει εν πολλοίς τον ίδιο ρόλο. Ο Κάναουατ Σινάναν εξηγεί πώς λειτουργεί η μνήμη του υπολογιστή.

Μάθημα από Κάναουατ Σινάναν, κινούμενη απεικόνιση από TED-Ed.

Με πολλούς τρόπους, οι μνήμες μας
μάς κάνουν αυτό που είμαστε,

βοηθώντας μας να θυμόμαστε
το παρελθόν μας,

να μαθαίνουμε και
να διατηρούμε δεξιότητες,

και να σχεδιάζουμε το μέλλον.

Και για τους υπολογιστές που συχνά
δρουν ως επεκτάσεις του εαυτού μας,

η μνήμη παίζει εν πολλοίς τον ίδιο ρόλο,

είτε είναι μια ταινία δύο ωρών,

ένα αρχείο κειμένου δύο λέξεων,

ή οι οδηγίες για να ανοίξεις
κάποιο από τα δύο,

όλα στη μνήμη ενός υπολογιστή

παίρνουν τη μορφή βασικών μονάδων
που λέγονται μπιτ,

ή δυαδικά ψηφία.

Κάθε ένα από αυτά
αποθηκεύεται σε ένα κελί μνήμης

που μπορεί να αλλάξει ανάμεσα σε δύο
καταστάσεις για δύο πιθανές τιμές,

0 και 1.

Αρχεία και προγράμματα αποτελούνται
από εκατομμύρια από αυτά τα μπιτ,

και όλα τα επεξεργάζεται
η κεντρική μονάδα επεξεργασίας,

ή ΚΜΕ,

που δρα ως το μυαλό του υπολογιστή.

Και καθώς ο αριθμός των μπιτ
που πρέπει να επεξεργαστούν

μεγαλώνει εκθετικά,

οι σχεδιαστές υπολογιστών
αντιμετωπίζουν έναν συνεχή αγώνα

ανάμεσα στο μέγεθος,
το κόστος και την ταχύτητα.

Όπως κι εμείς, οι υπολογιστές έχουν
βραχυπρόθεσμη μνήμη για άμεσες εργασίες,

και μακροπρόθεσμη μνήμη
για πιο μόνιμη αποθήκευση.

Όταν τρέχεις ένα πρόγραμμα,

το λειτουργικό σου σύστημα εκχωρεί
περιοχή εντός της βραχυπρόθεσμης μνήμης

για την εκτέλεση αυτών των οδηγιών.

Για παράδειγμα, όταν πατάς ένα πλήκτρο
σε έναν επεξεργαστή κειμένου,

η ΚΜΕ θα προσπελάσει
μια από αυτές τις τοποθεσίες

για να ανακτήσει μπιτ δεδομένων.

Μπορεί επίσης να τα τροποποιήσει
ή να δημιουργήσει καινούρια.

Ο χρόνος που παίρνει αυτό
είναι γνωστός ως υστέρηση μνήμης.

Και επειδή οι οδηγίες προγράμματος πρέπει
να επεξεργάζονται γρήγορα και συνεχώς,

όλες οι τοποθεσίες εντός
της βραχυπρόθεσμης μνήμης

μπορούν να προσπελαστούν
με οποιαδήποτε σειρά,

εξ ου και το όνομα
«μνήμη τυχαίας προσπέλασης» (RAM).

Ο πιο κοινός τύπος RAM
είναι η δυναμική RAM, ή DRAM.

Εκεί, κάθε κελί μνήμης αποτελείται

από ένα μικροσκοπικό τρανζίστορ
και έναν πυκνωτή

που αποθηκεύουν ηλεκτρικά φορτία,

ένα 0 όταν δεν υπάρχει φορτίο,
ή ένα 1 όταν είναι φορτισμένο.

Τέτοια μνήμη αποκαλείται δυναμική,

επειδή κρατά φορτία μόνο για λίγο
πριν αυτά διαρρεύσουν,

και απαιτεί περιοδική επαναφόρτιση
για να διατηρήσει δεδομένα.

Αλλά ακόμα και η χαμηλή υστέρηση
των 100 νανοδευτερολέπτων

είναι πολύ μεγάλη για τις σύγχρονες ΚΜΕ,

έτσι υπάρχει επίσης μια μικρή,
υψηλής ταχύτητας εσωτερική κρυφή μνήμη

φτιαγμένη από στατική RAM.

Αυτή συνήθως αποτελείται
από έξι ενωμένα τρανζίστορ,

τα οποία δε χρειάζονται ανανέωση.

Η SRAM είναι η ταχύτερη μνήμη
σε ένα υπολογιστικό σύστημα,

αλλά και η πιο ακριβή,

και καταλαμβάνει τρεις φορές
περισσότερο χώρο από την DRAM.

Η RAM και η κρυφή μνήμη, όμως,

μπορούν να κρατήσουν δεδομένα
μόνο εφόσον τροφοδοτούνται.

Για να παραμείνουν δεδομένα
μόλις απενεργοποιηθεί η συσκευή,

πρέπει να μεταφερθούν σε μια συσκευή
μακροπρόθεσμης αποθήκευσης,

η οποία υπάρχει σε τρεις βασικούς τύπους.

Στη μαγνητική αποθήκευση,
που είναι η φθηνότερη,

τα δεδομένα αποθηκεύονται
ως μαγνητικό πρότυπο

σε έναν περιστρεφόμενο δίσκο
με μαγνητική επίστρωση.

Επειδή όμως ο δίσκος πρέπει να περιστραφεί
έτσι ώστε να διαβαστούν τα δεδομένα,

η υστέρηση σε τέτοιους δίσκους

είναι 100.000 φορές πιο αργή
από αυτή της DRAM.

Από την άλλη, η οπτική αποθήκευση
όπως το DVD και το Blu-ray

επίσης χρησιμοποιούν
περιστρεφόμενους δίσκους,

αλλά με ανακλαστική επίστρωση.

Τα μπιτ κωδικοποιούνται
ως φωτεινά και σκούρα στίγματα

με τη χρήση μιας βαφής
που μπορεί να διαβαστεί από λέιζερ.

Ενώ τα μέσα οπτικής αποθήκευσης
είναι φθηνά και αφαιρούμενα,

έχουν ακόμη μεγαλύτερη υστέρηση
από τη μαγνητική αποθήκευση

και επίσης μικρότερη χωρητικότητα.

Τέλος, οι νεότεροι και πιο γρήγοροι τύποι
μακροπρόθεσμης αποθήκευσης

είναι οι δίσκοι στέρεης κατάστασης,
όπως τα φλας στικ (USB).

Αυτά δεν έχουν κινούμενα μέρη,

αντίθετα χρησιμοποιούν
τρανζίστορ πλωτής πύλης

που αποθηκεύουν μπιτ παγιδεύοντας
ή απομακρύνοντας ηλεκτρικά φορτία

εντός των ειδικά σχεδιασμένων
εσωτερικών κατασκευών τους.

Πόσο αξιόπιστα είναι, λοιπόν,
αυτά τα δισεκατομμύρια των μπιτ;

Τείνουμε να θεωρούμε τη μνήμη υπολογιστή
ως σταθερή και μόνιμη,

αλλά στην πραγματικότητα
αποσυντίθεται αρκετά γρήγορα.

Η θερμότητα που παράγεται
από μια συσκευή και το περιβάλλον της

τελικά απομαγνητίζει
τους σκληρούς δίσκους,

αποσυνθέτει τη βαφή στα οπτικά μέσα,

και προκαλεί διαρροή φορτίου
στις πλωτές πύλες.

Οι δίσκοι στέρεης κατάστασης
έχουν μια επιπρόσθετη αδυναμία.

Η επαναλαμβανόμενη εγγραφή σε τρανζίστορ
πλωτής πύλης τούς διαβρώνει,

και τελικά τους καθιστά άχρηστους.

Με τα δεδομένα στα περισσότερα
σύγχρονα μέσα αποθήκευσης

να έχουν λιγότερο από 10 χρόνια
προσδόκιμο ζωής,

οι επιστήμονες δουλεύουν
πάνω στην αξιοποίηση

των φυσικών ιδιοτήτων των υλικών
στο κβαντικό επίπεδο

με την ελπίδα να κάνουν
τις συσκευές μνήμης πιο γρήγορες,

μικρότερες,

και με μεγαλύτερη διάρκεια.

Για την ώρα, η αθανασία παραμένει άπιαστη,

τόσο για τους ανθρώπους,
όσο και για τους υπολογιστές.