Ram

RAM(Random-Access Momory)

หน่วยความจำ เป็นที่จำเป็นสำหรับระบบคอมพิวเตอร์ ตามแนวคิดของการพัฒนาคอมพิวเตอร์แบบ วอน นอยแมน วอย นอยแมน เป็นผู้เสนอแนวคิดของการเก็บโปรแกรมและข้อมูลไว้ในหน่วยความจำ แล้วให้ซีพียูอ่านโปรแกรมมาดำเนินการ โดยมีขั้นตอนการทำงานเป็นวงรอบที่ชัดเจน ดังนั้นอาจเรียกแนวคิดของระบบคอมพิวเตอร์ที่ใช้กันอยู่ทุกวันนี้ว่า แนวคิดการเก็บโปรแกรม (Store Program Concept)

หน่วยความจำจึงเป็นชิ้นส่วนที่ใช้ในการเก็บโปรแกรมและข้อมูล ซีพียูจะทำงานตามโปรแกรมที่มีการบรรจุไว้ในหน่วยความจำ เนื่องจากวงรอบการทำงานของซีพียูกระทำได้รวดเร็วมาก ดังนั้นจึงต้องเก็บโปรแกรม และข้อมูลไว้ในหน่วยความจำที่ซีพียูเรียกใช้หรือนำเก็บได้อย่างรวดเร็ว

หน่วยความจำบนเครื่องพีซีที่เป็นหน่วยความจำหลักเรียกว่า RAM ซึ่งเป็นคำย่อมาจาก Random Access Memory การเรียกว่า RAM เพราะโครงสร้างการจัดเก็บข้อมูลจัดเก็บสถานะซึ่งแทนเลขไลบารี โดยมีการกำหนดตำแหน่งที่เก็บที่เรียกว่า แอดเดรส โดยทั่วไปจัดโครงสร้างของหน่วยความจำให้มีความกว้างขนาด 8 บิต และตำแหน่งแอดเดรสบอกขนาดของ RAM ทั้งหมด เช่น ถ้า RAM มีขนาด 64 กิโลไบต์ (64 k) ก็หมายถึงขนาดของ RAM มีความกว้างขนาด 8 บิต หรือ 1 ไบต์ และมีตำแหน่งที่เก็บได้เท่ากับ 65536 ตำแหน่ง (2 ยกกำลัง 16) โดยมีแอดเดรสกำหนดตำแหน่งทั้งหมด 16 บิต

โครงสร้างของหน่วยความจำ

หน่วยความจำแบบโวลาไทน์ และนอนโวลาไทน์

ปกติหน่วยความจำเป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ดังนั้นจึงต้องมีกระแสไฟฟ้าเลี้ยงวงจร เพื่อให้คงสถานการเก็บข้อมูล เราเรียกหน่วยความจำที่ต้องมีกระแสไฟฟ้าคงไว้ว่าหน่วยความจำแบบโวลาไทน์ (Volatine) หน่วยความจำประเภทนี้ได้แก่ RAM ที่เราใช้อยู่ทั่วไป แต่การใช้งานในวงจรพีซีจำเป็นต้องมีการเก็บโปรแกรมถาวรไว้กับเครื่อง ซึ่งการเก็บถาวรนี้จึงต้องไม่ขึ้นกับไฟฟ้าเลี้ยง วงจรเราเรียกว่าหน่วยความจำแบบนอนโวลาไทน์ (nonvolatine) ซึ่งได้แก่ ROM – Read Only Memory ROM จึงเป็นหน่วยความจำที่บรรจุโปรแกรมมาแล้ว และสามารถอ่านเรียกข้อมูลมาใช้ได้ อย่างไรก็ดีด้วยเทคโนโลยีที่ทันสมัย ปัจจุบันมีหน่วยความจำที่เขียนอ่านได้เหมือน RAM ที่ใช้ทั่วไป แต่ถึงแม้ว่าไฟฟ้าดับก็ยังคงสถานะการเก็บข้อมูลไว้ได้ หน่วยความจำประเภทนี้ได้แก่ หน่วยความจำแฟรช ซึ่งใช้ในการ์ดหน่วยความจำประเภท แท่งหน่วยความจำ (memory stick) การ์ดแบบสมาร์ทไดร์ฟ (smart drive) ที่ใช้แทนฮาร์ดดิสค

memory stick และ smart drive

สแตติกแรมและไดนามิกส์แรม (Static RAM and Dynamic RAM)

หน่วยความจำที่ใช้งานส่วนใหญ่และมีปริมาณความจุสูงได้แก่ พวก RAM ด้วยเทคโนโลยี RAM ที่ใช้มีการแบ่งแยกออกเป็นสองกลุ่มคือ สแตติกแรม และไดนามิกส์แรม

สแตติกแรม (Static RAM – SRAM) เป็นหน่วยความจำที่ใช้สถานะทางวงจรไฟฟ้าเป็นที่เก็บข้อมูล โดยวงจรเล็ก ๆ แต่ละวงจรจะเก็บข้อมูล “0” “1” และคงสถานะไว้จนกว่าจะมีการสั่งเปลี่ยนแปลง ส่วนไดนามิกส์แรม (DRAM-Dynamic RAM) เป็นหน่วยความจำที่ใช้หลักการบรรจุประจุลงในหน่วยเล็ก ๆ ที่ทำหน้าที่เหมือนตัวเก็บประจุ แต่เป็นจากตัวเก็บประจุไฟฟ้าเล็ก ๆ นี้ ทำจากสารกึ่งตัวนำที่มีคุณสมบัติคงค่าแรงดันไว้ได้ชั่วขณะ จึงต้องมีกลไกการรีเฟรชหรือทำให้ค่าคงอยู่ได้

จุดเด่นของ DRAM คือ มีความหนาแน่นต่อชิพสูงมากเมื่อเทียบกับ SRAM ดังนั้นจึงเป็นที่นิยมใช้เพราะมีราคาถูกกว่ามาก อย่างไรก็ดีการเชื่อมต่อเข้ากับวงจรคอมพิวเตอร์ของ DRAM มีข้อยุ่งยากมากกว่า SRAM และจากความจุสูงมากของ DRAM (ปัจจุบันมีความจุได้มากถึง 512 Mbit ต่อชิพ) ดังนั้นจึงต้องวางโครงสร้างแอดเดรสเพื่อเข้าถึงส่วนต่าง ๆ ของหน่วยความจำเป็นแบบแมทริกซ์ จงมีลักษณะเป็นแถวและสดมภ์

เทคโนโลยีของ DRAM ที่ใช้ใน PC

เริ่มจากอดีต ตั้งแต่ยุคสมัยเริ่มต้นของการใช้ PC มีการนำเอาสแตติกแรมมาใช้ แต่ขนาดของ RAM ในขณะนั้นมีเพียง 8-16 กิโลไบต์ ซึ่งต้องใช้พื้นที่บอร์ดขนาดใหญ่ ครั้นถึงยุคพีซีที่แพร่หลาย เช่น เครื่องแอบเปิ้ลทู การใช้หน่วยความจำเริ่มหันมาใช้แบบ DRAM
เมื่อมีการพัฒนา PC โดยบริษัทไอบีเอ็มที่เป็นต้นแบบที่เรียกว่า พีซีเอ็กซ์ที ไอบีเอ็มเลือกใช้ DRAM และเริ่มต้นด้วยขนาด 64 K ไบต์ และขยายมาเป็น 640 K ไบต์ ขยายเพิ่มจนหลายร้อยเมกะไบต์ในปัจจุบัน

ในยุคแรกการใช้ DRAM ยังใช้เป็นชิพ ไม่มีเทคนิคอะไรมากนัก เพราะซีพียูทำงานด้วยความเร็วเพียง 4-10 เมกะเฮิร์ทซ์เท่านั้น แต่ต่อมาถึงยุคพีซี 386, 486 ซีพียูเริ่มทำงานที่ความเร็ว 33 MHz จนถึง 66 MHz ซึ่งความเร็วขณะนี้เร็วกว่าการทำงานของหน่วยความจำ จึงต้องเริ่มใช้เทคนิคการชลอที่เรียกว่า ให้จังหวะรอ (CPU-Wait State) ทำให้การทำงานไม่ได้เร็วอย่างที่ต้องการ

หากพิจารณาที่ชิพหรือข้อกำหนดของ DRAM จะพบว่ามีข้อกำหนดที่สำคัญคือ ช่วงเวลาเข้าถึง ซึ่งกำหนดเป็นหน่วย นาโนวินาที (หนึ่งในสิบกำลังลงเก้า หรือหนึ่งในพันล้านวินาที) หากซีพียูวิ่งด้วยความเร็ว 10 เมกะเฮิร์ทซ์ จะมีวงรรอบสัญญาณนาฬิกา 100 นาโนวินาที ถ้าความเร็วเพิ่มเป็น 100 เมกะเฮิร์ทซ์ ก็จะมีช่วงเวลาวงรอบของสัญญาณนาฬิกาเหลือ 10 นาโนวินาที ซึ่งเร็วขึ้นมาก และยิ่งในปัจจุบันใช้สัญญาณนาฬิกาสูงขึ้นอีกมาก

ดังนั้นการใช้วิธีการเชื่อมต่อกับชิพโดยตรงเหมือนในยุคแรกคงไม่ได้ จึงมีผู้ผลิตแผ่นวงจรหน่วยความจำ โดยทำเป็นแผงเล็ก ๆ ภายในมีวงจรเชื่อมต่อที่ใช้เทคนิคต่าง ๆ เพื่อเพิ่มความเร็วในการเข้าถึง เทคโนโลยีการผลิตแผงหน่วยความจำจึงเริ่มขึ้น และมีให้เลือกใช้ได้มากตามเวลาที่ผ่านมา

เริ่มจาก FPM DRAM

FPM มาจากคำว่า Fast Page Mode เป็น DRAM ในยุคแรกของรุ่น 486 โดยเพิ่มความเร็วในลักษณะแบ่งหน่วยความจำ เป็นหน้าตามโครงสร้างที่แบ่งเป็นแถวและสดมภ์ โดยหากอ่านหรือเขียนหน่วยความจำในห้องเดียวกัน ก็ไม่จำเป็นต้องส่งค่าแอดเดรสในระดับแถวไป เพราะกำหนดไว้ก่อนแล้ว คงส่งเฉพาะสดมภ์เท่านั้น จึงทำให้ได้ความเร็วเพิ่มขึ้นอีก หน่วยความจำแบบ FPM ได้รับการนำมาใช้ในช่วงเวลาไม่นานนัก ปัจจุบันเลิกผลิตแล้ว

หน่วยความจำ EDO

EDO ย่อมาจาก Extended Data Output เป็นเทคโนโลยีที่ปรับปรุงมาจาก FPM และนำมาใช้ในยุคการเปลี่ยนแปลงเข้าสู่เพนเตียม หลักการของ EDO เน้นการซ้อนเหลี่ยมจังหวะการทำงาน ซึ่งขณะการทำงานที่ซ้อนเหลี่ยมนี้ทำให้ได้ความเร็วเพิ่มขึ้นอีกมาก หน่วยความจำแบบ EDO จึงเป็นที่รู้จักกันดีในช่วงเวลาหนึ่ง ปัจจุบันเลิกผลิตแล้วเช่นกัน

EDO RAM

การซ้อนเหลี่ยมจังหวะการทำงานนี้ ทำให้ช่วงเวลาการเข้าถึงของซีพียูทำได้เร็วขึ้นกว่าเดิม และลดจังหวะการทำงานไปได้หลายจังหวะ ทั้งนี้ต้องคิดโดยรวมของประสิทธิภาพทั้งหมด

หน่วยความจำ SDRAM

SDRAM เป็นคำย่อมาจาก Synchronous DRAM เป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาต่อเนื่องมา ซึ่งหน่วยความจำก่อนหน้านี้ใช้ระบบอัสแบบอะซิงโครนัส นั่นหมายถึงจังหวะการทำงานของซีพียูกับหน่วยความจำใช้สัญญาณนาฬิกาคนละตัว จังหวะการทำงานที่ไม่ซิงโครไนซ์กัน จึงเป็นปัญหา เพราะเทคโนโลยีซีพียูต้องการความเร็วและมีการสร้างระบบบัสมาตรฐานขึ้นมา ที่เรียกว่า PC66 PC100 PC133 หรือ PC200 ตัวเลขหมายถึงความเร็วสัญญาณนาฬิกาในบัส ซึ่งตัวเลขเหล่านี้จะเป็นตัวกำหนดความเร็วในการรับส่งข้อมูล

มาตรฐานจังหวะการทำงานของพีซี แสดงดังตารางต่อไปนี้

การออกแบบ SDRAM จึงเน้นการซิงโครไนซ์เข้ากับระบบบัสมาตรฐาน เพื่อให้จังหวะการทำงานของการเขียนหรือ อ่านหน่วยความจำเป็นจังหวะที่แน่นอน และด้วยวิธีนี้จะทำให้หน่วยความจำแบบ SDRAM มีประสิทธิภาพสูงขึ้นกว่าแบบ EDO

หน่วยความจำแบบ DDR-RAM

เป็นหน่วยความจำที่กำลังอยู่ในสมัยนิยม (2545) DDR ย่อมาจากคำว่า Double Data Rate ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาต่อมาจาก SDRAM ในช่วงแรกบริษัทอินเทลไม่พัฒนาชิพเซตสนับสนุน ดังนั้นผู้ผลิตรายอื่น เช่น เอเอ็มดี และผู้ผลิตชิพเซตชั้นนำจากไต้หวันจึงรวมกัน และพัฒนาเทคโนโลยี้นี้จนได้รับความนิยมสูง บริษัทผู้ผลิตชิพเซตและสร้างเมนบอร์ดชั้นนำของโลก จากไต้หวันที่ผลิตได้แก่ VIA, SiS, ALi

DDR เป็นเทคโนโลยีที่พัฒนามาครั้งแรกเพื่อเป็นการ์ดหน่วยความจำในภาคแสดงผล และเป็นตัวเร่งการแสดงผล แต่ต่อมาเห็นว่าเทคโนโลยีนี้เหมาะที่จะนำมาใช้เป็นหน่วยความจำหลักด้วย

ลักษณะของการเชื่อมต่อกับบัสของซีพียูยังคงใช้ระบบมาตรฐานเดิมแบบ PC 100 หรือ PC 133 แต่ด้วยเทคโนโลยีที่สร้างทำให้ได้เส้นทางคู่ขนาน ความเร็วในการขนส่งข้อมูลกับหน่วยความจำจึงมีได้เป็นสองเท่าของ SDRAM เนื่องจากแนวคิดหลายอย่างนำมาจาก SDRAM ทำให้หน่วยความจำนี้ราคาไม่สูงมากนัก และปัจจุบันกำลังพัฒนา DDR II ซึ่งเป็นเวอร์ชันที่สอง โดยจะเพิ่มความเร็วในการขนส่งอีกสองเท่าตัว หน่วยความจำแบบ DDR มีขาทั้งหมด 184 ขา ซึ่งมากกว่า SDRAM ซึ่งมีเพียง 168 ขา ดังนั้นจึงใช้แทนกันไม่ได้

หน่วยความจำ RDRAM

RDRAM ย่อมาจาก Rambus DRAM เป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาในแนวทางที่แยกออกไป โดยมีการสร้างระบบการเชื่อมต่อใหม่และต้องใช้วงจรพิเศษ RDRAM ได้รับการสนับสนุนจากอินเทล ดังนั้นพีซีที่ใช้ RDRAM จึงต้องใช้ชิพสนับสนุนของอินเทล RDRAM มีแถบกว้างการขนส่งข้อมูลได้สูง

RDRAM มีหลายเวอร์ชัน ซึ่งได้แก่ รุ่น B-Base, C-Concurrence และ D-Direct แต่ละรุ่นจะมีการขนส่งข้อมูลได้สูงต่างกับรุ่นที่สูงสุดในขณะนี้สามารถขนส่งข้อมูลได้ถึง 800 MHz