قسمت دوم:معرفی انواع حافظه های نیمه هادی در سخت افزار

در قسمت اول بررسی حافظه های نیمه هادی در سخت افزار،به توضیح و معرفی کاربرد این حافظه های در قسمت حافظه نهان (Cache ) پرداختیم.حافظه های نهان در پردازنده را گران قیمت و مهمترین نوع حافظه مورد استفاده درون سخت افزار دانستیم.اینک به معرفی دومین نیمه هادی مهم در سخت افزار می پردازیم.

حافظه های رم،به عنوان یکی از مهمترین نوع از نیمه هادی و سیلیکون ها یاد می شوند.حافظه های رم پل مادر برای ارتباط یک پردازش هستند.

حافظه تصادفی یا حافظه خواندن/نوشتن (Random Access Memory / Read-Write Memory) یا رَم (RAM) نوعی حافظه برای ذخیره‌سازی موقت اطلاعات کامپیوتری است. یک رم به داده‌های ذخیره شده اجازه می‌دهد تا مستقیماً در هر مرحله تصادفی در دسترس باشند در مقابل دیگر رسانه‌های ذخیره داده مثل هارد دیسک ها، سی دی ها، دی وی دی‌ها و نوارهای مغناطیسی و نیز انواع حافظه‌های ابتدایی مثل حافظه درام اطلاعات را به خاطر محدودیت طراحی مکانیکی به طور متوالی در مراحل ازپیش تعیین شده می‌خواند و ثبت می‌کند بنابراین زمان دسترسی به داده‌ها به مکان ان بستگی دارد.

اگرچه خیلی از انواع SRAM,ROM,OTP,NOR FLASHحتی در دریافت‌های سخت هنوز حافظه دسترسی تصادفی هستند. رم به طور معمول به انواع حافظه‌های فرار مثل DRAMها وابسته است که در این حافظه‌ها اطلاعات ذخیره می‌شود و با خاموش شدن، اطلاعات از بین می‌رود. انواع دیگر حافظه‌های غیر فرار مثل اکثر رام ها(ROM) ویک نوع فلش مموری به نام NOR FLASH به خوبی رم هستند.در رم می‌توان داده‌ها را خواند و بازنویسی کرد بسیاری از سیستم‌های کامپیوتری یک سلسله مراتب حافظه متشکل از ثبت پردازندهCPU registers , on-die SRAM caches , حافظه خارجی،حافظه رم پویا، سیستم صفحه بندی (paging systems), حافظه مجازی، فضای مبادله(swap space) در هارد درایو است. کل این حافظه‌ها را می‌توان به عنوان رم توسط بسیاری از توسعه دهندگان در نظر گرفت هرچند که سیستم‌های مختلف می‌توانند در زمان دسترسی بسیار متفاوت باشند نقض مفهوم اصلی در پشت این واژه با دسترسی تصادفی در رم حتی در یک سلسله مراتب مثل DRAM در یک ردیف خاص ستون بانک رتبه بندی کانال یا سازمان ترکیب کننده زمان دسترسی را متغیر می‌سازد البته نه به حدی که چرخش رسانه‌های ذخیره‌سازی ویا یک نوار متغیر است. به طور کلی هدف از استفاده از سلسله مراتب حافظه برای به دست اوردن بالاترین عملکرد قابل دسترس وبه حداقل رساندن هزینه کل سیستم حافظه است.

حافظه رم به سه دسته اصلی تقسیم می گردد،

رم های پویا (DRAM)

رم های ایستا (SRAM)

رم هایی با توان تغییر فاز (PRAM)

در رم‌های ایستا یک بیت داده با استفاده از حالت الاکلنگ ذخیره می‌شوند. رم‌های پویا برای ذخیره یک بیت داده از یک جفت ترانزیستور و خازن که با هم تشکیل یک سلول حافظه می‌دهند استفاده می‌شود. خازن شارژبالا یا پایین را نگه می‌دارد و وترانزیستور به عنوان یک سوییچ است که اجازه می‌دهد تا مدار کنترل بر روی تراشه موقعیت شارژ خازن را تشخیص دهد ان را تغییر دهد.

رم‌های پویا و ایستا هردو حافظه فرار هستند به طوری که با خاموش شدن سیستم حافظه پاک می‌شود. نوع قابل درج رام‌ها مثل فلش مموری خواص رم و رام را دارند اطلاعات را در حالت متصل نبودن نگه می‌دارد و بدون نیاز به تجهیزات خاص به روز می‌شود. انواع رام‌های پایدار نیمه هادی عبارتند از درایو یو اس بی فلش، کارت حافظه، حافظه ECC برای کامپیوترهای تخصصی و نسبتا گران قیمت استفاده می شود که می‌تواند پویا یا ایستا باشد شامل مدارهای خاصی برای تشخیص یا درست کردن اشتباهات تصادفی در داده‌های ذخیره شده با استفاده از بیت توازن یا کد تصحیح خطا است. در کل اصطلاح رم اشاره دارد به دستگاه‌های حافظه حالت جامد (چه DRAM یا SRAM) وبه طور خاص به حافظه اصلی بیشتر کامپیوترها گویند.

نکته مهم:به طور حتم در اخبار روزانه با واژه ECC به منظور نمایش یک قابلیت در حافظه های رم برخورد کرده اید.مانند کامپیوترهای Workstation و لپ تاپ هایی با کاربرد مشابه.توضیح بالا به صورت کوتاه و شفاف واژه ECC را بیان کرده است.

چندین نوع جدیداز RAM غیرفرارباقابلیت حفظ اطلاعات هنگام خاموش شدن درحال توسعه می‌باشد. تکنولوژیهای بکاررفته شامل نانوتیوب‌های کربنی وروش‌های بااستفاده ازاثرتومل مغناطیسی می‌باشد.اما کاربرد این نوع از حافظه ها در سیستم های جدید چه کاربردی خواهد داشت؟به عنوان مثال می توان به قابلیتی با نام Fast Boot اشاره کرد.برخی از گوشی های موبایل،تبلت و حتی لپ تاپ ها نیز از این قابلیت برخوردار هستند.حافظه رم در گذشته پس از قطع جریان به طور کامل از اطلاعات تخلیه شده و پس از استارت مجدد،اطلاعات مربطو به Run و سیستم را از محل ذخیره سازی تحویل گرفته و شروع به کار می کرد.اما در برخی از انواع حافظه ها،پس از خاموش شدن مقداری از اطلاعات (که به طور دقیق میزان و نمونه اش مشخص نیست) درون حافظه رم به صورت بارگذاری باقی می ماند.بدین ترتیب سیستم می تواند از همان اطلاعات قبلی استفاده کرده و عملیاتی با نام Fast Boot رخ می دهد!!

مدل های جدید حافظه رم،در کلاس DDR4 و با فرکانس های بسیار بالا حتی 4333 مگاهرتز فعالیت می کنند.تراشه های اصلی در لیتوگرافی های کوچک حتی 10 نانومتر تولید می شوند.فناوری سیلیکون های جدید از گذشته با تغییرات بزرگی مواجه شده اند.دیگر خبری از IC های قدیمی با ترانزیستورهای مشترک وجود ندارد.سیلیکون های امروزی از تعداد بسیار زیادی ترانزیستور تشکیل شده است.

کارت گرافیک

رم علاوه بر ذخیره‌سازی اطلاعات و محیط کار برای سیستم عامل کاربردهای مختلفی دارد.به طور حتم می دانید که حافظه های رم درون کارت گرافیک ها نیز مورد استفاده قرار می گیرند.نیمه هادی های مورد استفاده درون کارت گرافیک ها نیز از نوع فرار هستند که در صورت قطع جریان،اطلاعات آنها پاک خواهد شد.اما سیلیکون هایی که در این محصولات استفاده می شود،تفاوت هایی عمده با رم دارند.در حال حاضر 4 تراشه با نام های HBM/HBM2،GDDR5 و GDDR5X برای کارت گرافیک ها مورد استفاده هستند.مهمترین تفاوت این نیمه هادی ها در پهنای باند،مصرف انرژی،سرعت،نرخ انتقال و الگوریتم دریافت است.

حافظه های GDDR5X نسل بعدی تراشه های GDDR5 هستند که توسط کمپانی MICRON معرفی شد.GDDR5X می تواند به سرعتی برابر با حداکثر 14 گیگابیت بر ثانیه دست پیدا کند. این سرعت در فرکانس 1.75 گیگاهرتز به دست می آید .اما آنطور که در اطلاعات آن آمده است،حداکثر سرعت 12 گیگابیت بر ثانیه محقق شده است که پتانسیل لازم برای دست یابی به 16 گیگابیت بر ثانیه نیز وجود دارد.GDDR5X برای دسترسی به بلاک های پردازشی از سیستم 64 بیتی استفاده می کند و این در حالی است که تراشه های GDDR5 به صورت 32 بیتی بلاک ها را می خوانند.این چپست ها با ولتاژی نزدیک به حافظه های رم اصلی یعنی 1.35 ولت کار می کنند.

دو حافظه HBM و HBM2 نیز سری جدید نیمه هادی ها هستند.این تراشه ها به صورت انباشته بر روی یک برد قرار می گیرند.پهنای باند این نوع از نیمه هادی ها بسیار بالا است.پهنای باند حافظه های HBM2 تقریبا دو برابر حافظه های HBM است.پهنای باند تراشه های HBM2 هم اکنون به یک ترابایت می رسد.این حافظه های نیمه هادی را می توان دوم حافظه مهم در یک اکوسیستم سخت افزاری دانست.