電腦是怎麼記住這一切的呢（上）？

Semiknow 半知半解

7 min readJul 2, 2021

日期：2021/06/26
文： B.H. Huang / 校稿: Y.C. Lo , C.H. Chen

今年一月的學測生、上個月考會考的國中生，以及現在正在期末地獄的你，一定都曾經夢想自己可以像電腦一樣，輕鬆記住幾百首唐詩、幾十行數學公式，或是元素週期表上的所有元素吧！

儘管腦科學專家仍無法完全確定人腦的記憶機制，但是呢，聰明的人類卻設計出只要用「0 和 1」就可以儲存大量資訊的電腦，這次我們就來聊聊電腦究竟是區別 0 與 1的。

你知道對於電腦來說，我們看到的所有東西還有打過的那些 code，只不過就是 0 與 1 嗎？/ Photo by Alexander Sinn on Unsplash

你說人家笨，我看倒是大智若愚

在進入「儲存 0 與 1」的原理前，我們先了解為什麼要使用二進位的「0 與 1」。日常生活中我們習慣用的是「十進位」，也就是由 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 這十個數字表示各種數量、價格，例如最近麥當勞熱賣的 BTS 套餐是「159」元，而 BTS 的麥當勞紙袋則是要價新台幣「3000」元；至於二進位是指說任何的數字、訊息都只能用 0 和 1 表示，因此剛剛的 BTS 套餐在二進位就會記成「10011111」元，而那張 3000 元的牛皮紙袋則是「101110111000」元。

看到這裡你可能會想說：「咦電腦感覺很笨欸，明明可以幾個數字就記完了，卻要搞得落落長？」的確，如果只用 0 和 1 表示所有數字一定會花電腦更多空間來儲存，但這樣的好處在於「只要一個東西具有明顯的兩種狀態，電腦就可以拿它來儲存資訊」，假如電腦採用十進位，那人們就得找到十種不同的方式來讓電腦記憶，反而一開始的分類就顯得複雜而不實用。

誰是 0 與 1 的候選人？

電腦採用二進位後，接下來該使用什麼東西來代表 0 和 1 呢？聰明的小夥伴看到這裡，應該已經想到了之前解說過的「電晶體」：利用電晶體的開或關來表示 1 和 0。

延伸閱讀：《三分鐘搞懂半導體是什麼》

沒錯，各位的筆電裡的 SRAM 「靜態隨機存儲記憶體」以及 DRAM「動態隨機存儲記憶體」這兩種記憶體，即是由許多電晶體構成的記憶體電路，例如 SRAM 電路的最小單位為六顆電晶體，憑這六顆就可以進行 0 與 1 的寫入及讀出；DRAM 則是把電晶體與「電容」相連接，電容就好比是河流裡低窪的地方，可以短暫累積部分的水，而電路中的電容則是拿來暫時儲存電荷，我們就可以透過電容裡有電荷與否，來進行 0 與 1的判別。

SRAM 和 DRAM 也因為原理不同而有各自的應用方式。 DRAM 儲存 0 或 1 只需要一顆電晶體和一個電容，價格低廉且容易生產，因此常用來當作電腦的主記憶體，負責處理大部分的資料； SRAM 雖然需要用到六顆電晶體才能儲存一個數字，製作成本較高、也需要佔用更多空間，但不像 DRAM 還要幫電容充電才能記憶， SRAM 只要把電晶體「開或關」就好，因此速度比 DRAM 快得多，適合小面積地整合在 CPU 裡，適時提高 CPU 運算效率。

不過，不管是 SRAM 或 DRAM，只要沒有持續供電的話，記憶的資料就會消失，就好像原本一直有水流過的水龍頭，一旦沒有水，那水龍頭無論是開是關，都無法得知，因此，這些記憶體又稱為「揮發性記憶體」。

儘管需要持續供電才能儲存資料，RAM 很適合用在載入網頁或是看影片這種不需要永久儲存的任務，再加上電路設計簡單又可以快速開關的特性，讓它成為各種電子裝置的一大標配，深深影響電腦運算的效能呢！

Flash：可以留住電的記憶體

雖然 RAM 速度很快很好用，我們還是需要斷電後資料仍然存在的記憶體，於是，鼎鼎大名的施敏博士當年發明出了可以儲存電荷來記憶的 Flash「快閃記憶體」，可說是大大地影響後來半導體發展。

延伸閱讀：《臺灣的半導體教父–施敏》

Flash 的結構是由基本的電晶體變形而來：在原本 Gate 的下方再安插一層 Gate，其中這層Gate 上下還包裹著絕緣物質，如此一來，在較高電壓下，電晶體打開時，下方 Channel 的電流就會流到這層 gate 裡面，這時如果斷電，即使整顆電晶體已經沒有電流流過了，剛剛跑到 gate裡面的電子因為上下都有絕緣層的關係，被困在 gate 裡面，因此我們就能利用這層 gate 裡是否有電荷來判斷 0 或 1。

如果以水龍頭來想像的話，就好像在原本開關下再加入一層氣室，當開關打開水流過時，會有部分的水流入氣室內，即使後來沒有水流，這些氣室的水依然留著，我們就可以用「氣室內是否有水」來判斷是 0 是 1，因此，這種特性使得 Flash 快閃記憶體又稱為「非揮發性記憶體」。

Flash 快閃記憶體由於其結構簡單、容易生產的優勢，被廣泛使用在筆電中，如果各位去買筆電，一定會有被賣場人員推薦升級成 SSD 硬碟的經驗，SSD 就是運用快閃記憶體製成的硬碟，相較於傳統機械式、像黑膠唱片那樣還要用到一個大磁盤來寫入的 HDD 硬碟，SSD 在原理上只需要簡單充放電荷即可完成資料的寫入讀出，具有更輕薄、節能、耐用且讀寫速度快的優點。