【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。


人機合一新型態微創手術,外科醫師的第3隻手——精準持鏡機器手臂,穩定內視鏡影像提升手術品質

隨著科技進步,微創手術已成為一般外科治療的趨勢,「精準微創」更是現階段的目標。新型的「內視鏡持鏡機器手臂」彷彿是外科醫師的第3隻手,可以模擬人手多角度操作持鏡,提供穩定的影像畫面,輔助主刀醫師精準切割、縫合患部,提升手術品質、縮短術後恢復時間。
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談到開刀房、手術室,你腦中浮現的第一個畫面是什麼?小小的手術台旁擠滿多名醫護人員,手上持著不同的器械各自忙碌?

沒錯,一台成功的手術是由一整個醫療團隊,每個人各司其職,並保持良好的節奏與共同合作的默契,才能確保病人獲得妥善治療。

看懂傳統腹腔鏡/內視鏡手術,開刀房人員配置

以傳統腹腔鏡/內視鏡手術來說,手術房內會有主刀醫師與第一助手來完成主要的手術內容,同時還會有兩位分別協助操作內視鏡的「扶鏡助手」與協助遞交手術器械的「第一助手」。

▲手術房內除了主刀醫師與第一助手完成主要的手術內容之外,還有協助操作內視鏡的「扶鏡助手」,以及遞交手術器械的「第一助手」。

扶鏡助手扮演了手術過程中相當重要的「眼睛」角色,因為扶鏡助手操作的內視鏡,便是將極細長內含光纖、鏡片的鏡頭放入體內,再利用影像傳輸,將體內畫面傳導至螢幕上。由於內視鏡可以深入腹腔,傳回人眼無法透視皮膚所看到的手術部位,加上具有影像放大的作用,協助醫師更仔細觀察病兆、找對下刀位置。

傳統腹腔鏡/內視鏡手術,「人工持鏡」考驗醫護體力、耐力

然而,內視鏡的操作,並非想像中的簡單。除了操作過程十分考驗「扶鏡助手」和主刀醫師之間的默契外,一場腹腔鏡手術動輒三、四個小時以上,要保持長時間穩定地「人工持鏡」,相當考驗醫護的體力與耐力。

大千醫院一般外科劉信誠主任坦言,「對於長時間的腹腔鏡手術來說,鏡頭畫面的穩定度非常重要。但是,當手術時間超過一個小時以上或步驟、位置較複雜,持鏡助手就容易感到疲憊、集中度下降,開始跟不上醫師的手術工作速度。」

再者,持鏡助手長時間維持持鏡姿勢,也容易因疲勞而產生手持內視鏡影像晃動,造成手術畫面模糊,增加主刀醫師及開刀團隊產生視覺暈眩的可能性,進而拉長手術時間,提升手術困難度。

▲大千醫院一般外科劉信誠主任。

外科醫師的第3隻手:內視鏡持鏡機器手臂CP值高

為了滿足不斷上升的內視鏡手術需求,醫界也追尋更佳的手術方式。於是,內視鏡結合機器手臂的「內視鏡持鏡機器手臂」由此產生。

其中最知名的「機器手臂」就是大名鼎鼎的「達文西機器手臂」,但達文西手臂的體積龐大、造價昂貴、維修費驚人,每次使用的開機與耗材費高達20-30萬。對於一般民眾來說,是一筆相當高額的支出,不是人人都負擔得起。

為解決醫師臨床手術的多元與便捷需求,友信醫療集團代理引進由德國開發的「新型內視鏡持鏡機器手臂」,有兩種不同型號,滿足不同的臨床需求,打破對機器手臂的既定印象,不僅體積輕巧、操作容易,關節活動角度靈活,更可直接架於開刀床邊軌上,手臂移動範圍能完全涵蓋整個病人,彷彿是外科醫師的第3隻手;且大部分的配件可以重複滅菌使用,每次開機約1-2萬元,導入成本低、CP值高,對於醫院及病人來說負擔降低許多。

除了費用門檻較低,劉信誠主任分享到,與傳統人工持鏡相比,機器手臂持鏡的畫面較穩定,還可以由醫師主動控制畫面,提升手術的流暢度。

另外,在執行微創手術的縫合等精細動作時,穩定、不晃動的畫面也能讓主刀醫師在視覺上較舒適且不易感到疲倦,增加手術的準確度,達到「精準微創」的目的。

▲持鏡助手長時間維持持鏡姿勢,容易因疲勞而產生手持內視鏡影像晃動,「新型內視鏡持鏡機器手臂」則可以提供流暢且穩定的影像。

胸腔鏡手術應用範疇多!日本研究揭「人手持鏡」與「機器手臂持鏡」的差異

劉信誠主任指出,近年來微創手術已是目前臨床上的主流。根據統計,在醫院開刀房所進行的手術中,傳統開腹手術對比腹腔鏡微創手術的比例,已經將近1:9。

如同微創手術的主要目的,在於縮小患者的手術傷口、降低出血量及術後疼痛的發生,因此在進行手術時間較長的微創手術,機器手臂持鏡更顯重要。

根據日本研究發現,機器手臂相較於傳統人手持鏡,不會增加手術準備時間,熟悉持鏡手臂操作的醫師更可以降低18%的腹腔鏡手術時間;且因內視鏡影像穩定,手術下刀、縫合位置更精準,在減少內視鏡穿刺套管拉扯傷口下,患者的出血量也會降低、術後恢復速度也更快,大幅降低住院天數。

以新型持鏡機器手臂來說,便是針對消化系統、婦產、泌尿等外科手術需求所設計。透過內視鏡穿刺套管(Trocar)註冊點作為移動與旋轉的中心點,記憶套管虛擬位置,讓持鏡手臂以定位點為軸心進行移動,並自動運算最佳移動方式,在術中提供穩定內視鏡影像的同時,也能避免內視鏡拉扯擴大手術傷口,對外科醫師提升微創手術精準度,保有穩定支撐和靈活定位能力有所助益。

▲新型持鏡機器手臂,透過電腦登記Trocar穿刺套管作為移動/旋轉的中心點,記憶腹腔鏡套管虛擬位置,讓持鏡手臂以定位點為軸心進行移動,並自動運算最佳移動方式,避免拉扯手術傷口擴大。

小腔室也能輕鬆進入,新型持鏡機器手臂體積更輕巧、角度更靈活

相較腹腔、胸腔等部位,對於耳鼻喉科與顱底手術,醫師要面對更小的腔室,為避免觸碰重要的神經組織及血管,更需要仰賴內視鏡精準的移動與角度。另一款新型持鏡機器手臂具有6個關節的機器手臂、模擬人手進行多角度移動,可以提供360度橫向移動視角,及垂直90度的視覺角度,輔助醫師更精準深入手術部位,穩定提供內視鏡影像輔助醫師進行手術。 

▲具有6個關節的另一款新型機器持鏡手臂,能夠模擬人手進行多角度移動,輔助醫師更精準深入手術部位。

除了上述提到的持鏡機器手臂與傳統人工持鏡之間的差異,對醫院及醫師來說,持鏡機器手臂在人力調度上更有彈性,可以減輕醫護的視覺疲勞與持鏡姿勢疲勞。

對患者而言,持鏡機器手臂提供的穩定手術影像畫面,有助於提升手術品質,減少手術時間及併發症,讓患者安全快速地回到工作崗位或生活上。

資訊來源:友信醫療集團、大千醫院一般外科劉信誠主任;文:關鍵評論網媒體集團廣編企劃。