رم کامپیوتر چیست و چگونه کار می‌کند؟

تا به حال فکر کردید که کامپیوتر شما چگونه تمام برنامه‌های در حال اجرا، تب‌های مرورگر و محاسبات پیچیده را مدیریت می‌کند؟ راز آن در یک جزء حیاتی، یعنی رم (RAM) نهفته شده است. کامپیوتر‌ها مانند بدن انسان از اجزای مختلفی تشکیل شده‌اند که هرکدام وظیفه خاص خود را دارند. بین آن‌ها رم مانند حافظه موقت انسان عمل می‌کند و کار آن نگه داری کوتاه مدت اطلاعاتی است که پردازنده برای انجام محاسبات نیاز دارد. این قطعه یکی از اصلی‌ترین اجزا است و خرید رم کامپیوتر مناسب تاثیر چشم‌گیری در عملکرد سیستم می‌گزارد، اما قبلش بیاید تا بیشتر با این قطعه و نحوه کارکرداش آشنا شویم.

رم کامپیوتر چیست؟

حافظه رم (RAM) یک فضای ذخیره‌سازی موقت است که اطلاعات مربوط به برنامه‌ها و عملیات‌‌های درحال اجرا را نگه می‌دارد تا زمانی که پردازنده به آن‌ها نیاز داشت با سرعت خیلی بالا برایش ارسال کند. نام RAM درواقع مخفف عبارت Random Access Memory یا حافظه دسترسی تصادفی است و یکی از اصلی‌ترین اجزای سخت‌افزار کامپیوتر محسوب می‌شود.

هنگامی که یک برنامه را روی کامپیوتر خود باز می‌کنید، حافظه رم اطلاعات آن را از حافظه دائمی که سرعت کمتری دارد می‌خواند و در خود ذخیره می‌کند تا هر زمان که پردازنده برای انجام عملیات‌های مختلف به آن‌ها نیاز داشت با سرعت بسیار بالایی این اطلاعات را ارسال کند.

حافظه‌های دائمی مثل هارد دیسک و حافظه SSD در کنار پهنای باند کم، تاخیری زیادی دارند و برای این که پردازنده اطلاعات مورد نیاز را مستقیم از آن‌ها بخواند مناسب نیستند. پس رم‌ مانند یک پل میان آن‌ها عمل می‌کند و هرچه ظرفیت آن بیشتر باشد، می‌توان نرم‌افزار‌های بیشتری به صورت همزمان اجرا کرد.

رم کامپیوتر چگونه کار می‌کند؟

روی هر ماژول رم،‌ چندین چیپ مموری قرار دارد که هار کدام از میلیون‌ها سلول ذخیره‌سازی کوچک تشکیل شده‌اند. این سلول‌ها دارای یک خازن هستند که بار الکتریکی را ذخیره می‌کنند و وجود یا عدم وجود بار در آن‌ها نشان دهنده مقدار باینری صفر یا یک است. همچنین برای کنترل این خازن‌ها هر سلول ذخیره‌سازی حداقل یک ترانزیستور دارد که مانند دروازه‌ای برای مدیریت جریان ورودی خازن عمل می‌کند و امکان خواندن یا نوشتن اطلاعات در آن را می‌دهد.

همانطور که گفتیم حافظه رم یک فضای ذخیره‌سازی موقت است و این یعنی بر خلاف هارد دیسک و حافظه اس اس دی، نمی‌تواند اطلاعات را به صورت دائمی ذخیره کند. این مسئله بخاطر پایدار نبودن و از دست رفتن بار الکتریکی خازن‌ها است. هرچند رم‌ها با استفاده مکانیزم‌هایی مانند چرخه‌های تازه‌سازی تا زمانی که اتصال برق وجود داشته باشد اطلاعات را حفظ می‌کنند، اما وقتی سیستم را خاموش کنید همه داده‌های ذخیره شده از بین می‌رود.

انواع حافظه رم

کامپیوتر‌ یا هر دستگاه دارای پردازشگر ازجمله گوشی موبایل، کنسول‌ بازی، سرور یا حتی پرینتر، نیاز به حافظه رم دارد. هرچند با توجه کاربری متفاوتی که هرکدام دارند، فناوری‌های مختلف رم در آن‌ها استفاده شده است. برای مثال در گوشی‌های موبایل از حافظه رم LPDDR و در کامپیوتر‌ها از حافظه رم DDR استفاده می‌شود. از نظر فناوری ساخت، حافظه‌های SRAM و DRAM دو شاخه اصلی از انواع رم هستند که در ادامه به بررسی هرکدام می‌پردازیم.

• رم استاتیک (Static RAM): این نوع حافظه رم سرعت بسیار بالایی دارد و تا زمانی که برق آن‌ تأمین شود، اطلاعات را به خوبی حفظ می‌کند. درون هر سلول ذخیره‌سازی حافظه SRAM شش عدد ترانزیستور قرار دارد که به‌صورت یک قفل عمل می‌کنند تا بار خازن به صورت پایدار حفظ شود. طراحی پیچیده این نوع حافظه رم باعث بالا رفتن هزینه ساخت و تراکم سلول‌ها می‌شود به صورتی که حافظه SRAM تنها برای حافظه کش چیپست‌ها مانند CPU یا GPU استفاده می‌شود.

• رم داینامیک (Dynamic RAM): رم‌های داینامیک به دلیل داشتن طراحی ساده‌تر، گزینه مقرون به صرفه‌ای برای استفاده در اکثر کامپیوتر‌ها هستند. درون هر سلول حافظه DRAM تنها یک خازن و یک ترانزیستور وجود دارد و این سادگی باعث بالا رفتن ظرفیت ذخیره‌سازی و کاهش قیمت آن شده است. هرچند این سادگی بی هزینه نیست و پایداری بار الکتریکی سلول‌ها را کاهش داده است و در نتیجه پس از مدت کوتاهی اطلاعات از بین می‌روند. برای رفع این مشکل نیاز به چرخه‌های تازه‌سازی هست که باعث کاهش سرعت و مصرف بیشتر برق حافظه DRAM می‌شود.

مسیر تکامل حافظه DRAM

هرچند DRAM ویژگی‌های پایه لازم برای تبدیل شدن به اصلی‌ترین نوع حافظه رم کامپیوتر ها را داشت، اما با پیشرفت فناوری نیاز به تغییرات و ایجاد بهبود‌هایی در عملکرد آن‌ها بود، پس در ادامه نگاهی به مسیر تکامل حافظه DRAM و نسل‌های بعدی آن می‌کنیم.

حافظه  Synchronous DRAM:  حافظه SDRAM ویژگی بسیار مهمی به DRAM افزود که تبدیل به یک پایه و نیاز برای تمام کامپیوتر‌های امروزی شد. ویژگی جدید این نوع حافظه رم، قابلیت هماهنگ کردن سرعت کلاک با پردازنده بود. همین تفاوت نسبتا ساده می‌توانست به صورت چشمگیری دقت و عملکرد را در کارکرد کامپیوتر‌ها افزایش دهد به صورتی که این فناوری در تمام نسل‌های بعدی حافظه DRAM استفاده شد.

حافظه Double Data Rate SDRAM : با تکیه بر ساختار SDRAM نوع جدیدی از حافظه رم پدید آمد که به عنوان DDR SDRAM شناخته می‌شود و احتمالا تا حدودی با نام آن آشنا باشید. عبارت Double Data Rate به معنی «نرخ داده دو برابر» هست و به خوبی نشان می‌دهد با چه تغییر بزرگی در عملکرد رم کامپیوتر‌ها رو‌به‌رو بودیم.

فرکانس ارتباطی بین پردازنده و رم مانند یک تابع سینوسی است که هر موج آن یک چرخه کلاک را نشان می‌دهد. قبل از پدید آمدن فناوری DDR در هر چرخه کلاک تنها یک سیگنال داده ارسال می‌شد، اما این فناوری اجازه داد تا در هر دو لبه موج انتقال اطلاعات صورت بگیرد یا به عبارتی، بتوان در هر چرخه کلاک دو بار انتقال داده انجام داد. این مسئله باعث شد تا بدون مصرف برق بیشتر، پهنای رم‌ها دو برابر شود.

نسل‌های بعدی DDR SDRAM: اگر با قطعات کامپیوتر آشنا باشید به  احتمال زیاد نام رم‌های DDR4 یا DDR5 که مقاله‌ای جداگانه برای مقایسه آن‌ها منتشر کرده‌ایم را شنیده‌اید. این دو نوع رم جدید‌ترین نسل‌های این نوع حافظه رم هستند و در اکثر کامپیوتر‌های امروزی به کار می‌روند. جدول زیر نسل‌های مختلف حافظه رم DDR و اطلاعات مربوط به هرکدام را نشان می‌دهد.

حافظه Graphics Double Data Rate : این نوع از حافظه رم که به عنوان GDDR شناخته می‌شود، مانند‌ DDR بر پایه حافظه SDRAM ساخته شده و به طور اختصاصی برای نگه داری اطلاعات مورد نیاز پردازنده گرافیکی، مانند تکسچر‌ها یا مدل‌های سه بعدی بازی‌ها طراحی شده است. چیپ‌های ذخیره‌سازی GDDR پهنای باند بسیار بالایی دارند و برای داشتن عملکرد بهتر، معمولا در اطراف پردازنده گرافیکی چیده می‌شوند.

حافظه Low-Power Double Data Rate :  حافظه LPDDR درواقع نوع کم‌ مصرف‌تر حافظه DDR هست و بخاطر حجم کوچک هر چیپ، مناسب استفاده برای دستگاه‌هایی مانند گوشی موبایل، تبلت‌ و یا لپ‌تاپ‌های سبک‌ هست که فضای کمی برای قطعات دارند و همچنین بخاطر داشتن باتری و محدودیت انرژی نمی‌توانند از رم‌هایی با مصرف برق بالا استفاده کنند.

چرخه‌تازه سازی حافظه DRAM

بر خلاف حافظه SRAM که بخاطر ساختار پیچید سلول‌ها می‌تواند اطلاعات را بدون هیچ مشکلی تا زمان وجود برق حفظ کند، حافظه‌های DRAM به مرور زمان بار الکتریکی خود را از دست می‌دهند و اطلاعات ذخیره شده در آن‌ها از بین می‌رود. برای جلوگیری از این امر، حافظه DRAM از چرخه‌های تازه‌سازی استفاده می‌کند.

هر چرخه تازه‌سازی به عملیاتی اشاره دارد که طی آن، برد کنترل مدار‌های تازه‌سازی را به صورتی دوره‌ای برای هر ستون از سلول‌ها فعال می‌کند تا اطلاعات دوباره خوانده و بازنویسی شوند. هرچه دمای ماژول رم بخاطر فعالیت زیاد بیشتر باشد، بار الکتریکی سریع‌تر تخلیه می‌شود پس چرخه‌های تازه‌سازی زودتر اتفاق می‌افتند.

سرعت کلاک یا فرکانس رم چیست؟

هنگام خرید حافظه رم کامپیوتر، یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های آن که باید بهش توجه کنید، فرکانس کاری یا سرعت کلاک آن است. اما سرعت کلاک رم نشان دهنده چیست؟ هر عملیات خواندن و نوشتنی که رم انجام می‌دهد، یک چرخه کلاک نام دارد و سرعت کلاک یا فرکانس که با واحد مگاهرتز اندازه گیری می‌شود، نشان می‌دهد آن رم در هر ثانیه چند چرخه کلاک را انجام می‌دهد. برای مثال یک رم با فرکانس 3200 مگاهرتز، می‌تواند 3.2 میلیارد چرخه کلاک را در یک ثانیه کامل کند.

هرچقدر فرکانس کلاک رم کامپیوتر بیشتر باشد،‌ حجم بیشتری از اطلاعات در هر ثانیه روی آن خوانده یا نوشته می‌شود که نتیجه آن، روان تر شدن عملکرد سیستم است. البته فرکانس رم تنها عاملی نیست که روی عملکرد آن تاثیر می‌گذارد، بلکه تاخیر رم هم اهمیت بسیار زیادی دارد، پس در ادامه به این سوال پاسخ می‌دهیم که تاخیر رم چیست؟

تاخیر یا CL رم چیست؟

مدت زمانی که طول می‌کشد تا رم یک دستور را از پردازنده دریافت و اجرا کند با CAS Latency یا CL نشان داده می‌شود. این مقدار با یک عدد مشخص می‌شود که نشان می‌دهد چند چرخه کلاک طول می‌کشد تا رم اطلاعات مورد نیاز پردازنده را پیدا و آماده ارسال کند. مشخصا هرچه این مقدار کمتر باشد، عملکرد روان‌تری را تجربه خواهید کرد.

اگر دقت کنید، متوجه می‌شوید رابطه مستقیمی بین فرکانس رم کامپیوتر و تاخیر آن وجود دارد. در نتیجه ممکن است که یک ماژول رم با فرکانس بالا، عملکرد ضعیف‌تری از یک ماژول رم با فرکانس پایین و تاخیر کم داشته باشد.

ماژول‌ها و کانال‌های رم

برخلاف هارد دیسک‌ها یا حافظه‌های SSD که می‌توانند تا چند ترابایت اطلاعات را در خود ذخیره کنند، رم کامپیوتر بخاطرتراکم پایین، ظرفیتی محدود به چند گیگابایت دارند. بخاطر همین موضوع مادربرد‌ها دارای چند اسلات برای متصل کردن بیشتر از یک ماژول رم هستند.

مادربرد‌های امروزی معمولا با معماری سینگل چنل، دوال چنل و در برخی موارد کواد چنل تولید می‌شوند. چنل‌ها درواقع مسیر‌های ارتباطی میان رم و پردازنده هستند. تعداد چنل‌های بیشتر باعث افزایش پهنای باند می‌شود. درواقع اگر یک مادربرد دوال چنل با چهار اسلات داشته باشید، ماژول‌های متصل شده به صورت جفت از یک چنل استفاده می‌کنند و پردازنده می‌تواند با سرعت بالا، همزمان به اطلاعات هر دو ماژول دسترسی داشته باشد. البته باید به این نکته توجه کنید که فرکانس کاری و تاخیر هر دو باید دقیقا یکسان باشد تا به صورت هماهنگ کار کنند.