電腦是怎麼記住這一切的呢(上)?
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。
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。
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。
結語:
儘管 Flash 快閃記憶體有諸多好處,在被寫個幾萬次以後,因為電子一直來回穿過中間的絕緣層,容易造成結構上永久性的破壞,因此除了在電路設計上盡量優化快閃記憶體的使用次數外,人們也開始找尋別種的記憶方法。
於是,充滿創意的科學家們發現了不管是磁性、電阻大小,甚至是材料內的分子排列方式,都可以被拿來當作記億 0 與 1 的方式呢。
那麼下集我們就來告訴大家這些酷炫的特性是怎麼幫助電腦儲存資訊吧!
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