Hoe Computergeheugen Werkt

In vele opzichten maakt je geheugen je tot wie je bent: het helpt herinneringen terug te halen, vaardigheden te leren en onthouden, en plannen te maken voor de toekomst. Voor computers die vaak fungeren als een verlengstuk van onszelf, speelt geheugen vrijwel dezelfde rol. Kanawat Senanan legt uit hoe computergeheugen werkt.

Bekijk hier de volledige les

In vele opzichten is het geheugen wat ons maakt tot wie we zijn: het helpt ons herinneringen terug te halen, vaardigheden te leren en onthouden en plannen te maken voor de toekomst. En voor computers die vaak fungeren als een verlengstuk van onszelf speelt geheugen vrijwel dezelfde rol.

Zij het een twee-urige film, een tekstbestand van twee woorden, ofwel de instructies om deze bestanden te openen; alles in een computergeheugen is opgebouwd uit basiselementen die bits of binaire cijfers heten. Elk van hen is opgeslagen in een geheugencel die schakelt tussen twee toestanden voor twee mogelijke waarden; nul en één.

Documenten en programma's bevatten miljoenen van deze bits, die allemaal verwerkt zijn in de centrale verwerkingseenheid, of CPU, die fungeert als het brein van de computer. Naarmate het aantal bits dat moet worden verwerkt exponentieel toeneemt, rivaliseren computerontwerpers continu met elkaar om het formaat, de kostprijs en de processorsnelheid.

Net als wij hebben computers een kortetermijngeheugen om directe taken uit te voeren en een langetermijngeheugen om bestanden permanent op te slaan.

Wanneer je een programma draait, wijst je besturingssysteem het gebied toe in het kortetermijngeheugen om die instructies uit te voeren. Als je bijvoorbeeld een toets indrukt in een tekstverwerker, heeft de CPU toegang tot een van deze locaties om databits op te halen. Ze kan die ook bewerken of nieuwe databits creëren. De tijdsduur hiervan wordt de latentie van het geheugen genoemd.

En omdat programma-instructies snel en continu verwerkt moeten worden zijn alle locaties in het kortetermijngeheugen willekeurig toegankelijk, vandaar de naam 'willekeurig toegankelijk geheugen'.

Het meest voorkomende type RAM is dynamische RAM of DRAM. Daar bevat elke geheugencel een minuscule transistor en condensator die elektrische ladingen opslaan, een nul als er geen lading is, of een één als er wel lading is. Men noemt dit dynamisch geheugen omdat het enkel voor korte tijd ladingen vasthoudt voordat ze weglekken, waardoor ze periodiek opgeladen moeten worden om data te behouden.

Maar zelfs zijn lage latentie van 100 nanoseconden duurt te lang voor moderne CPUs, en dus is er ook een klein, razendsnel ingebouwd cache-geheugen gemaakt van statistische RAM. Dat bestaat meestal uit zes gekoppelde transistoren die niet ververst hoeven te worden.

SRAM is het snelste geheugen in een computersysteem maar ook het duurste, en het neemt drie keer zoveel ruimte in beslag dan DRAM. Maar RAM en cache kunnen alleen data vasthouden zolang ze onder spanning staan.

Om data te behouden wanneer het apparaat uitstaat, moet het worden overgezet naar een lange-termijn opslagmedium, dat beschikbaar is in drie hoofdcategorieën.

Bij magnetische opslag, de goedkoopste methode, is data opgeslagen in magnetische patronen op een ronddraaiende schijf die voorzien is van een laag magneetfolie. Maar omdat de schijf moet roteren naar waar de data zich bevindt, opdat ze gelezen kan worden, is de latentie voor zulke schijven 100.000 keer trager dan die van DRAM.

Optische opslagmedia daarentegen, zoals dvd's en blu-ray maken ook gebruik van ronddraaiende schijven, maar die bevatten een reflecterende laag. Bits zijn gecodeerd als lichte en donkere vlekken door middel van een kleurstof, die een laser kan aflezen. Hoewel optische opslagmedia goedkoop en verwijderbaar zijn, bevatten ze zelfs tragere latenties dan magnetische opslag en ook een lagere capaciteit.

Tot slot is er de nieuwste en snelste langetermijnopslag: solid state drives, zoals USB-sticks. Die bevatten geen bewegende delen maar gebruiken zwevende poorttransistoren die bits opslaan door elektrische ladingen te vangen of te verwijderen binnen hun speciaal ontworpen interne structuren.

Hoe betrouwbaar zijn deze miljarden bits dan? We zijn geneigd te denken dat computergeheugen stabiel en permanent is, maar eigenlijk verslechtert het tamelijk snel. De warmteproductie van een apparaat en zijn omgeving zal uiteindelijk harde schijven demagnetiseren, de kleurstof aantasten in optische media en een spanningslek veroorzaken in zwevende poorten.

Solid-state drives hebben nog een bijkomend zwak punt. Het herhaaldelijk overschrijven naar zwevende poorttransistoren tast ze aan, waardoor ze uiteindelijk onbruikbaar worden.

Gezien data op de meeste recente opslagmedia een levensverwachting heeft van minder dan tien jaar, werken wetenschappers eraan om de fysieke eigenschappen van materialen op kwantum-niveau te benutten in de hoop om geheugenmedia sneller, kleiner en duurzamer te maken. Voorlopig blijft onsterfelijkheid onbereikbaar voor zowel mens als computer.

 

Bron: TED.com