【Lynn 寫點科普】你知道記憶體跟硬碟有什麼不同嗎?又有哪些種類呢?

在看完馮紐曼架構,瞭解 CPU 和記憶體的簡單運作原理後,相信大家都對硬體元件有一些基本概念了,今天就來和大家介紹一下:什麼是記憶體?什麼是硬碟?兩者差異在哪?
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本集是《一看就懂的 IC》系列第二集。

第一集: 你知道你正在用的電腦是 70 年前發明的馮紐曼架構嗎?

常常聽說台灣有兩兆雙星的「慘業」,一個 DRAM、一個面板。等等!DRAM 到底是什麼意思?DRAM 其實指的就是我們一般在用的記憶體。

記憶體還有 SRAM、SDRAM、DDR 3、DDR 4、NOR Flash… 眼花撩亂。想知道現在 DRAM 、NAND Flash 價格在貴什麼的話,至少連「什麼是記憶體」都要搞懂。

例如,最近價格貴到飛天的 NAND Flash 快閃記憶體到底是什麼意思?它也是記憶體嗎?雖然名稱中有「記憶體」,但它的角色其實是硬碟喔!

廣義上來說,有記憶功能的硬體都可以叫記憶體。那硬碟和記憶體到底有什麼差別?在看完 馮紐曼架構 ,瞭解 CPU 和記憶體的簡單運作原理後,相信大家都對硬體元件有一些基本概念了,今天就來和大家介紹一下:什麼是記憶體?什麼是硬碟?兩者差異在哪?

記憶體和硬碟差在哪?

我們在講的,記憶體有很多個位址(Address),還有 CPU 會讀取、寫入記憶體,其實都是「主記憶體」的部分。

硬碟和記憶體的差異,在於把電源關掉後、空間中儲存的資料還會不會留著?

就算關掉電源,硬碟的資料也不會消失!想想看你關機後,若再開機、檔案會通通不見嗎?

你可能會疑惑:但根據馮紐曼架構,「要被執行的程式和資料」不是要保存在記憶體中嗎?沒錯,不過這是指電腦開啟後,才從硬碟「複製一部份的資料」到記憶體裡面。

還記得我們說過為什麼要在 CPU 裡面設暫存器的原因嗎?因為 CPU 要運算時,從暫存器中抓資料、會比跑到記憶體抓資料更快。

所以記憶體是為了跑「正在執行中的程式和資料」,先跑到硬碟中複製過來。CPU 從記憶體中抓資料,和 CPU 不透過記憶體、自己去硬碟抓資料,前者的速度比後者快約數百萬倍。(打開工作管理員,就可以看到現在執行中的程式佔掉的記憶體空間。比如說像 Lynn 電腦的記憶體只有 4 GB,常不小心開太多 Chrome 分頁就會爆炸...)

所以簡單來說,電腦在運作就像是辦公一樣,喝飲料、看書本、聽音響… 想一次使用越多東西、桌面(記憶體)就要越大。但其他一時間沒有要用到的東西,都會放在抽屜(硬碟)裡面。

所以硬碟就算再大,你一次想執行很多任務,還是得要看記憶體大小。

記憶體的處理速度比硬碟更快,但斷電之後資料會消失,且價格也比硬碟貴。

儲存單元從快到慢:暫存器> 快取> 主記憶體> 硬碟

重新整理一下——我們要運算資料時,如果 CPU 要直接從硬碟裡面抓資料,時間會太久。所以「記憶體」會作為中間橋梁,先到硬碟裡面複製一份進來,再讓 CPU 到記憶體中拿資料做運算。但只有記憶體就夠了嗎?當然不。

快,還要更快!

還記得我們在 馮紐曼架構 一文中提到的小當家故事中,為大家解釋過 CPU 裡面也有一個儲存空間,叫做暫存器。要運算時、CPU 會從記憶體中把資料載入暫存器、再讓暫存器中存的數字做運算,運算完再將結果存回記憶體中。

畢竟 CPU 和記憶體終究還是兩片不同的晶片,沒有在同一片晶片裡直接抓資料快。

 

但只要有 CPU 暫存器(在 CPU 晶片內)、記憶體、硬碟,這三層這樣就夠了嗎?

快,還要更快!

所以我們又把 CPU 和記憶體之間,再放一個「快取」(Cache)當作 CPU 和記憶體的中間橋梁。簡單來講,速度就是:CPU 裡面的暫存器 > 快取 > 記憶體 > 硬碟。

越上層(越靠近 CPU),速度就越快、價格越高、容量越低;像是現在花 3000 元就可以買到 1 TB 的硬碟,而 16 GB 的記憶體卻高達 5000 元。

那一天到晚聽到的 DRAM、SRAM、Flash 等記憶體又分別代表哪層呢?

記憶體分成揮發性和非揮發性

依據儲存資料後是否需要不斷供電,可分為揮發性和非揮發性:

揮發性(VOLATILE):停止供應電源,記憶資料便會消失。

動態隨機記憶體(Dynamic Random Access Memory, DRAM)

靜態隨機記憶體(Static Random Access Memory, SRAM)

非揮發性(NON-VOLATILE):即使沒有供應電源,也能保存已經寫入的資料。

唯讀記憶體(Read Only Memory, ROM)

快閃記憶體(Flash)

RAM 是 Random Access Memory 的縮寫,意思是 CPU 能夠不用按照位址的順序,而隨機指定記憶體位址來讀取或寫入資料。

像人腦就不是馮紐曼架構噢!因為人腦並不存在到所有神經元距離皆相等的 CPU,會因為神經元的分佈距離、而有傳輸速度上的差異。但 CPU 到 RAM 的所有記憶體位址距離都是相等的,讀取或寫入時、也能不按照地址的順序,可以隨機跳。(不過人類的大腦應該也是可以隨機 XD 只差在距離)

事實上,我們上面講的小當家炒菜和桌面所講到的記憶體,都是用 RAM。所以 Lynn 的電腦硬碟是 128 GB、RAM 只有 4 GB(多開幾個 Chrome 分頁就會爆炸的真相…)。

RAM 又分成了 DRAM 和 SRAM。它們都是做記憶體的技術。常常聽人講什麼 DRAM 是曾經的兩兆雙星產業、三星是市佔 50% 的 DRAM 大廠等等… 不要懷疑,他們講的就是「記憶體」啦!

讀者可以記住一個簡單的結論:SRAM 比較快、 DRAM 比較慢;SRAM 比較貴、DRAM 比較便宜。

記住這個結論很簡單,然而更重要的是要知道為什麼。

揮發性記憶體(DRAM / SRAM)構造剖析

這是我們平常在電腦中使用的記憶體,更精確的說法應該叫「記憶體模組」(Memory Module)。一個記憶體模組實際上就是由一塊小電路板、再加上幾塊的 DRAM 晶片構成。

圖示中的記憶體模組上一共有 8 個 DRAM 晶片。讓我們把一個 DRAM 晶片的內部結構剖開看看,會看到一個儲存陣列(Memorry Array)。CPU 會給這個儲存陣列「行地址」和「列地址」,就可以選出一個「儲存單元」。

常見的儲存單元包含了 4 bit 或 8 bit,每一個 bit 都會採用一個電路結構,我們稱為 DRAM 的一個「基本儲存單元」。這個基本儲存單元中包含了一個電晶體匹配一個電容。然後就可以視電容器是否有充電電荷存在、來判別目前的記憶狀態。

備註:

  • 位元(bit)是記憶體的最小單位,在二進位數字系統中,每個 0 或 1 就是一個 bit。
  • 如果您不知道「電晶體」是什麼的話,歡迎參考 晶圓代工爭霸戰:半導體知識
「寫入記憶體」的動作,就是由外部的資料線、對電容進行充電或放電,從而完成寫入 1 或 0 的數位資料。

由於電容會有漏電的現象,導致電位差不足而使記憶消失,因此除非電容經常周期性地充電,否則無法確保資料能長久保存起來。

每個 DRAM 基本儲存單元的電路結構非常的簡單,所以功耗低、價格也較低。這樣一來用低成本就能製造出大儲存容量的 DRAM 晶片。缺點就是讀寫的速度慢(電容要充電、放電),影響了 DRAM 的性能。

SRAM 的結構則較為複雜,一共有六個電晶體構成。我們能分別用 M1、M2、M3 到 M6 進行標記。這六個電晶體合起來才能保存一個 bit。

SRAM 晶片和 DRAM 晶片不太一樣,不需要分成行地址和列地址分別選擇,而且 SRAM 的設計相對來說又更加靈活,一個地址對應的儲存單元數量可以是 8 bit、10 bit,或 32 bit、40 bit、64 bit 都行。

另外,電晶體的開關速度遠比電容充電放電的速度還快,所以相對於 DRAM、SRAM 的讀寫速度比 DRAM 快很多。

然而 SRAM 中要儲存一個 bit 就得用到六個電晶體。電晶體的數量一多、就會造成晶片的面積變大,從而帶來積體電路難以變得更小、還有價格更貴的問題。

(SRAM 的價格比起 DRAM 要高達 1000 倍以上。比如 2010 年世代––SRAM 的每單位儲存價格是 $60/MB,DRAM 則是 $0.06/MB。)

每個電晶體都要耗電,電晶體越多、功耗就越高。考量到價格高和功耗大,目前只能在一些很嚴苛的地方來使用 SRAM,比如上面提到的快取(Cache)。

所以目前「主記憶體」還是使用 DRAM 技術,但小塊用來拉速度的「快取」就是採用 SRAM。

然而無論是 DRAM 還是 SRAM,一不供應電源就會喪失儲存的資料,所以都叫做揮發性記憶體。

非揮發性記憶體(NOR Flash / NAND Flash)構造剖析

ROM 是 Read Only Memory 的縮寫。 雖然 ROM 在不供應電源下、資料也不會消失,但上面的電路都是一開始就已經設計規劃好,資料都是固定的、不能做任何的更改。因此 ROM 上的資料只能被讀取,而不能做任何寫入的動作。

(不過上面是針對使用者的情形。對於工程師來說 ROM 還是可以寫入。只是有些也有寫入次數的限制,比如一兩次。)

Flash 稱為快閃記憶體。 由於具備了重量輕、體積小、功率低等優點,被應用在各類電子產品的硬碟上。Flash 又可以分成 NOR 型 Flash 和 NAND 型 Flash。

NOR Flash 比 NAND Flash 更早導入市場。讀取的速度較快,但寫入的速度慢、價格也比 NAND Flash 貴。目前用來儲存作業系統的程式碼或重要資料,比如拿來做 ROM。像是生產 NOR Flash 的台廠旺宏就是因為打入任天堂 Switch 主機的 ROM 供應鏈,今年營收攀升。

NAND Flash 寫入的速度快、價格較低,故目前以 NAND Flash 最為普遍。現在的 USB 硬碟和手機儲存空間,就是用 NAND Flash 為主流技術。另外,固態硬碟(Solid State Drive,SSD)也是以 NAND Flash 為基礎所建構的儲存裝置。

SSD 不像傳統硬碟(Hard Disk Drive,HDD)中有馬達、讀寫臂等零件,速度慢、功耗高,對震動又相當敏感,很難用在小型行動裝置中,SSD 在讀寫資料時不會有噪音,耐震、傳輸速度快、重量又能縮減到 HDD 十分之一以上,現在已經成為個人電腦和筆記型電腦的主流儲存設備。

由於 SSD 的價格比 HDD 貴、壽命也比較短,所以對企業級伺服器來說——不會有什麼震動、大規模儲存成本低、資料儲存時間長,還是以 HDD 為主要應用。不過未來也將慢慢以 SSD 硬碟為主,原因不外乎速度快、成本越來越低,最重要還是耗能比傳統硬碟低,在這個越來越講求環保的時代著實是個優勢。

想想從 1980 年代開始至今,三十多年來 CPU 的效能增長超過 10,000 倍,DRAM 的效能成長卻不到 10 倍。(這是因為要減少電容充電放電的時間,是一件非常困難的事情)硬碟呢?比起記憶體,更是慢的跟巨型烏龜一樣,十多年才好不容易從 5200 轉爬到 7200 轉。可知個人電腦對於能取代 HDD 的 SSD 需求是多急迫。

好啦,希望你已經對於記憶體的基本知識有些概念了:

依照停止供應電源的話、是否還能保留資料,分成「揮發性記憶體」與「非揮發性」記憶體。

  • 揮發性記憶體分成 DRAM 和 SRAM。

SRAM 更快但價格更貴,所以主記憶體多用 DRAM、快取多用 SRAM。

  • 非揮發性記憶體分成 ROM 和 Flash。主要用來作為硬碟。

Flash 又分成 NOR Flash 與 NAND Flash,現在硬碟多以 NAND Flash 構成的 SSD 為主。

下一篇 ,就讓我們來介紹各大記憶體廠商之間的關係與競合策略吧。


新國科會主委吳政忠:部會協力串聯,打造不只科技部的科技,回應社會多元需求

國家科學及技術委員會揭牌及主任委員布達儀式 7 月 27 日於科技大樓舉行,原科技部部長吳政忠出任首任主任委員,承接過去使命再提出四點精進方向,期待透過跨部會協力,布局新興科技與產業。
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科技部改制為「國家科學及技術委員會」(以下稱「新國科會」),7 月 27 日於科技大樓舉行揭牌及主任委員布達儀式,與會貴賓不只涵蓋產官學界,總統蔡英文及行政院長蘇貞昌也親臨會場,共同見證我國科研事務推動最高權責機關成立,為政府組織改造立下重要的里程碑。

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新國科會打造不只是科技部的科技,建立科技與臺灣社會的多元聯繫

臺灣的科技不應該只有科技部,而是還有經濟部、衛福部等所有部會在一起,但是用科技部的名稱出去國外,好像就變成全臺灣的科技都是科技部的。所以我說,科技不會只有科技部的科技,應該是所有部會的總合。

新國科會首任主委吳政忠在致詞開頭即強調「部會合作」的組織核心,表示「科技不只是科技,科技與經濟、社會、環境等面相都有密切的關係」,也因此不應侷限於某個部分,應當是多個部會、學術界、產業界等攜手合作推動。

有別於過去科技部與行政院科技會報辦公室以合作關係來協調部會,未來新國科會改以委員會的組織形式運行,透過每月主要部會的首長共同商議策略方向,能夠整合部會資源,協作共達目標,此舉不只立下我國科技發展全新的里程碑,也讓臺灣能夠更靈敏的面對國際競爭。

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新國科會主委 吳政忠。

新國科會前身是 1959 年行政院國家科學委員會,又於 2014 年改制為科技部,過去肩負推動全國整體科技發展、支援學術基礎研究,以及發展科學園區等三大使命,在歷任部長的努力下,更將創新創業加入推動目標。如今的新國科會不只承接過去使命,主任委員吳政忠更提出以下四點未來新國科會所精進的方向:

一、跨部會協力,布局新興科技與產業
儘管臺灣小、科技預算不如國外,但臺灣部會之間高效率、精準連結的合作模式,將成為與國外競爭時的最大優勢,而「跨部會」溝通不只是未來新國科會的努力目標,也是新國科會最核心的思考架構。

二、基礎學術研究奠基
回顧過去兩年臺灣新冠疫情的防疫成果,無論在病毒醫學還是疫苗研發領域,基礎科學研究一直都是技術開發的堅強後盾;所以在臺灣邁向國際頂尖的路上,無論半導體、太空、還是人工智慧,科技的基礎研究與國際互動都將是新國科會注重的發展方向。

三、打造精緻多元的生活科學園區
過去半導體產業已替臺灣打下堅實的基礎,科技園區的產值從 2.7 兆成長到去(2021)年 3.7 兆,但除了半導體,其他的產業也需要布局,尤其是精準健康、智慧農醫、電動車、太空科技、低軌衛星等「接近生活」的重點產業。

四、實踐科技的人文社會價值
隨著科技與生活拉近距離,未來的科技發展必然需要與社會需求、環境永續連結,回應外在社會環境的變化;此外,科技人才培育、加強臺灣女性在科技面的投入比例,都將是未來新國科會欲強化的目標。

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進一步探究,就會發現上述新國科會的策略方針並非憑空發想,而是源自對產業發展的細微觀察與豐富的知識、經驗的珍貴結晶。早在吳政忠任職行政院科技顧問組副執行秘書時,就已觀察到「當科技更接近生活,產品價值就會大幅度的翻倍成長」的現象,再回顧臺灣善於代工製造零件的發展歷史,才萌生「將臺灣強而有力的製造技術與創新想法整合」的初步想法。

但是「整合」一詞的背後,需要的是基礎研究、應用研究,產業實務之間的環環相扣,過程不只涉及公私跨部門、跨領域的協調,也是一個漫長轉換的過程,並非一蹴可及。最後,在數年醞釀及無數人的共同努力下,儘管過程困難重重,以「部會合作」思考為核心的組織架構「新國科會」終於順利誕生,讓整體國家的科技發展得以提升至行政院層級的高度,向下整合上中游的基礎研究、下游的應用研究及產業實務的連接,創造更多的商機與價值。

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新國科會的挑戰與期許,後疫情時代的科技人文關懷

如今全球進入後疫情時代,國際關係變動不定,更面臨供應鏈重組、數位轉型等產業挑戰,科技作為國家發展重要的中堅力量,勢必需要更快速的布局因應,在變動中搶得先機。但除了研究與創新,科技與人文社會的結合也是新國科會的一大核心。

隨著人工智慧、太空等科技發展,生活中科技將無所不在,因此未來傳統產業必然將被完全翻轉,此時人文社會科學就扮演嫁接技術與生活文化的重要橋樑,彰顯科學研究成果對人類福祉的巨大貢獻。但這一切的前提是科技與社會必須主動伸手,彼此接觸、相互了解,攜手促進社會總體的福祉發展。新國科會成立之日,同時也是「國科會職場互助教保服務中心 [ 註 ] 」揭牌日,便能看見國科會對人文的用心,除了前述四大重點外,對於女性人才的培育、原住民教育的深耕、環境永續,都將是國科會的重點目標,如何透過科技連結社會的需求,正是新國科會追求的核心,因此新國科會不只是部會整合、資源分配與未來展望而已,更是將科技應用在民間的推動者,同時成為科技與人文交流的平台,最大化科技對總體社會福祉的貢獻。

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[ 註 ] :國科會職場互助教保服務中心於 110 年 8 月開辦,位於科技大樓 1 樓,是臺灣公共托育協會承接的第一間職場教保中心。以平價、優質、非營利、社區化之方向營運,希望透過政府與公益法人團體協力的方式,結合民間團體資源,提供孩子優質的教保品質,減輕社區家庭照顧負擔,提升教保人員工作環境與權益。資料來源:財團法人彭婉如文教基金會