【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。


疫情竟使童婚比例暴增?2023 年前將新增 400 萬女童被迫成婚

全球有無數女童正在面臨貧窮、家暴、性別暴力、失學的困境,在動盪不安的 Covid-19 威脅下,女童遭受的生命危機更勝以往,而你我都不該漠視。立即加入世界展望會的資助兒童計劃,不再讓悲劇發生。
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Photo Credit:世界展望會
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在新冠疫情、武裝衝突的影響下,阿富汗女性與兒童正面臨重大威脅,不僅人身自由、教育、工作等權利備受衝擊,近期更傳出 12 歲女童被強擄配婚給軍人的消息,使當地長期存在的「童婚」問題更加嚴重。事實上,不只是阿富汗,全世界仍有無數女童深陷在不安與恐懼中,面臨童婚、童工、貧窮,以及女性割禮等殘酷傳統文化等挑戰,這一關又一關的生存考驗,只因為她們是女生。

女童困境恐怕比你想像的嚴重——關於性別暴力、童婚

根據聯合國統計,每年有 1,200 萬未成年女童結婚,她們大多是因為民間習俗或經濟弱勢而被迫成婚,婚姻不僅逼迫這些女童放棄學業,其遭受家暴的風險也將大增,甚至被迫從事性行為,使得尚未發育完全的身體備受負擔;許多未成年少女因為懷孕或分娩併發症死亡,嬰兒胎死腹中或夭折的機率也更高。

來自緬甸的 17 歲少女荷拉(Hla)就曾是性別暴力與未成年婚姻的受害者。在她12歲時,一場重病帶走了她的母親,而酒精成癮的父親根本顧不了這些孩子,因此荷拉被迫離家、在街上討生活。為了尋求避風港,荷拉甚至嫁給了大她 15 歲的男子,並在 14 歲成為一名母親,但生下孩子沒多久後,丈夫便另尋新歡,留下荷拉和孩子相依為命。無助的荷拉為了不讓孩子跟著吃苦,只能忍著思念的痛苦,把孩子送到安置機構。

Photo Credit:世界展望會/荷拉小時候常跟著爸媽到各個城市的慶典或嘉年華活動兜售玩具,並以此維生。然而非常微薄的收入,根本無法支撐荷拉與 13 個兄弟姊妹的生活。

幸好在荷拉最低潮的時刻,遇上了世界展望會。在世界展望會的協助下,除了支持荷拉重建身心健康,也提供她職業訓練的機會,培養一技之長。僅管有些髮廊仍因荷拉的經歷而不願接受她,但在世界展望會的引薦下,現在的荷拉已找到一份穩定的髮廊實習工作,每月都能賺取 20 美元的薪水,並和同事們住在一起、彼此照顧。從街頭遊童到髮型設計師,荷拉因為世界展望會出現在她的生命中,而有了希望。

Photo Credit:世界展望會/荷拉說:「我住在街頭時,常常受到男性的輕蔑和不尊重。即使我根本沒有做錯事,也常常得躲避警察取締,生活充滿恐懼和不安。很感謝世界展望會的幫助和支持,我才能把自己的人生拉回正軌,創造更好的未來。」

女童困境恐怕比你想像的嚴重——關於失學、文盲、童工

荷拉的故事絕不是少數案例。事實上,許多女童不只遭受可怕的性別暴力,也因為貧窮或環境動盪,而被迫放棄受教育的權利,成為失學的童工,甚至不得不從事對身心發展有害的勞動工作。根據聯合國資料,全球童工人數在疫情的影響下,20 年來首次增加至 1.6 億;而全球約 7 億人口的文盲當中,女性就佔了 2/3。困在社會底層的弱勢女童,身心備受煎熬,急需你我關注。

印度女孩珊蜜拉,便是弱勢女童的縮影之一,遭遇令人心疼。珊蜜拉(化名)原本是個熱愛上學的女孩,14 歲時由於家中經濟無法負擔她繼續升學,因此被送到孟買與姊妹們一起工作,幫助家中生計。當時,珊蜜拉請妹夫幫她找工作,沒想到卻是噩夢的開始,妹夫將她送到人口販子手上,珊蜜拉被推入妓院工作,並經歷長達三個月地獄般的生活。

「只有我工作了才會有飯吃。如果我不工作,妓院老闆、甚至是客人就會拿皮帶打我。我被迫喝酒、他們會拿菸燙我的手。我一直在哭,求他們放我回家。」後來珊蜜拉得知自己陷入險境是受親人所害,整顆心都碎了。

Photo Credit:世界展望會/珊蜜拉好不容易說出那段記憶:「我經歷的那些,希望沒有其他任何女性需要經歷。我承受了非常多的痛苦,那是一段很難熬的時期。白天會有 12 到 14 個男人,晚上則會有 15 到 16 個。一整天工作完後,所有的女孩會被送到荒郊野外中的一棟建築物裡休息,整間房間裡只有一扇窗戶。因為太偏遠,即便我們大吼著求救,也沒有任何人會聽到。」

終於有一天,珊蜜拉和其他女孩們的工作場所遇到警察臨檢,珊蜜拉便趕緊抓住機會向警方求救。成功獲救的同時,同樣在場的妹夫和妓院老闆也遭到警方逮捕。接著,珊蜜拉花了數個月的時間輾轉換了好幾間避難所,最後終於回到家人身邊。

在家人的陪伴以及世界展望會的支持下,珊蜜拉終於踏上復原之路。由於人口販運的受害者往往受到許多暴力與虐待而留下嚴重陰影,這段遭遇遂成為她們心中無法說出口的痛,且大多數受害者因地處偏遠、經濟貧困,或是覺得丟臉、自責等心理因素,難以取得身心重建的專業支持。因此,世界展望會提供包括創傷後症候群、焦慮、憂鬱、恐慌、斯德哥爾摩症候群、藥物濫用等醫療與心理照護,讓更多像珊蜜拉一樣遭遇創傷的女童,得以重建生命。

Photo Credit:世界展望會/珊蜜拉現在加入了印度世界展望會的受害者支持團體,踏上了復原之路。

你有力量打破女童困境:資助 1,000名 女童,扭轉 1,000+ 個家庭命運

在 Covid-19 的疫情衝擊下,脆弱國家的資源更加緊縮,這也讓兒童面臨前所未有的考驗。世界展望會的分析報告指出,2020 年 3 月全球疫情爆發後,與 2019 年相比,童婚案例在許多社區暴增了一倍以上;而童婚的增幅速度,更攀升到25年來最高,若無法改善,預估 2030 年前全球將再增加 1000 萬名兒童新娘。

對於女童而言,貧窮、家暴、性別暴力、失學等問題是無法分割的,這些威脅往往彼此連動、加乘,為女童的生命帶來嚴重打擊。但從上述的實際案例可以發現,受困女童的命運並非不能扭轉,只要世界上某個角落的某一個人願意付出行動,女童的生命就有希望曙光。

世界展望會推動「資助 1000 個女童 挺聲而進 願景無懼」行動,期待在 10 月 11 日女童日前,能為 1000 個女童找到資助人,每個月 700 元,就能翻轉一個女童的生命,為她提供安穩的生存環境與受教權,並將這份改變延伸至女童的家庭與周遭社區,帶來正向影響力。讓我們一起阻止女童悲劇再次發生,現在,就加入改變世界的行列!