Физика компьютерной памяти: как именно хранятся данные в SRAM, DRAM, SSD и HDD?

• Обзор канала "Физика с Юрием Ткачевым".  

• Обсуждение полупроводниковых полевых транзисторов и логических схем.  

• Введение в тему памяти в компьютерах.  

• Память состоит из ячеек, каждая из которых хранит один бит данных.  

• Ячейка может хранить либо ноль, либо единицу.  

• Логические схемы могут создавать ячейки памяти.  

• Использование логической схемы "или" для создания ячейки памяти.  

• Схема "или" пропускает ток, если напряжение есть хотя бы на одном входе.  

• Модификация схемы для запоминания сигнала.  

• Ячейка не поддерживает перезапись данных.  

• Необходимость усовершенствования схемы для перезаписи.  

• Использование двух схем "или" и двух схем "не" для создания SR-триггера.  

• Запись единицы в ячейку с помощью схемы "или-не".  

• Запись нуля в ячейку с помощью схемы "не".  

• Энергозависимость схемы и необходимость внешнего питания.  

• Перезапись единицы в ноль с помощью сигнала на вход "сбросить".  

• Блокировка ячейки после перезаписи.  

• SR-триггеры как пример транзисторной памяти.  

• Высокая скорость работы, но необходимость большого количества транзисторов.  

• Экономическая нецелесообразность использования только полупроводниковой памяти.  

• Применение полупроводниковой памяти в регистрах и кэше процессора.  

• Использование одного транзистора и конденсатора для создания ячейки памяти.  

• Конденсатор накапливает заряд и может служить источником питания.  

• Оперативная память как основная часть данных в компьютере.  

• Конденсаторы могут отбирать или отдавать энергию в зависимости от напряжения в цепи.  

• Запоминающая ячейка состоит из конденсатора и транзистора, соединенных контактами.  

• Один контакт управляет транзистором, другой используется для чтения и записи данных.  

• Заряженный конденсатор означает единицу, разряженный — ноль.  

• Для чтения данных используется напряжение ниже напряжения заряженного конденсатора.  

• Заряженный конденсатор отдает заряд, разряженный — забирает.  

• Для записи единицы подается напряжение 1.2 вольта, для записи нуля — нулевое напряжение.  

• Конденсаторы теряют заряд со временем, поэтому требуется процедура обновления.  

• Обновление включает дозаправку заряженных конденсаторов и разрядку разряженных.  

• DRAM требует постоянного обновления, что делает ее динамической.  

• SRAM не требует обновления и называется статической.  

• DRAM дешевле и имеет большую плотность записи, но медленнее.  

• DRAM используется для больших объемов данных, SRAM — для быстрых операций.  

• DRAM потребляет больше энергии, но дешевле.  

• SRAM требует постоянного питания, но данные сохраняются при выключении.  

• Энергонезависимая память используется для долговременного хранения данных.  

• Основные технологии: магнитные носители, твердотельные накопители и оптические диски.  

• Жесткие диски HDD используют магнитные пластины для хранения данных.  

• Информация хранится на магнитных пластинах с дорожками.  

• Запись данных осуществляется намагничиванием ячеек.  

• Магнитный поток между соседними ячейками используется для записи данных.  

• Использование сверхчувствительных головок и технологии термомагнитной записи AHIR.  

• AHIR увеличивает плотность записи данных и емкость жестких дисков.  

• Первые жесткие диски от IBM весили около тонны и могли хранить 5 МБ данных.  

• Современные диски могут вмещать десятки терабайт данных и имеют скромные размеры.  

• Жесткие диски обладают высокой плотностью записи и энергонезависимостью.  

• Жесткие диски работают медленнее, чем DRAM и RAM.  

• Процессор сначала подгружает данные из жесткого диска в оперативную память, а затем записывает их обратно.  

• Энергонезависимая память нужна не только для хранения данных пользователя, но и для работы процессора.  

• Изначально использовалась ROM, но она была неудобна для перезаписи данных.  

• Появились PROM и EPROM, которые можно было стирать и перезаписывать.  

• Флеш-память вытеснила все предыдущие технологии энергонезависимой памяти.  

• Она конкурирует с жесткими дисками и оптическими дисками.  

• Флеш-память использует полевые транзисторы с плавающим затвором.  

• Полевые транзисторы управляются напряжением, создавая проводящий канал.  

• В плавающем затворе могут находиться электроны, которые влияют на проводимость.  

• Электроны в плавающем затворе меняют состояние ячейки памяти.  

• Запись данных происходит через туннельный эффект, позволяя электронам туннелировать в плавающий затвор.  

• Чтение данных происходит через проверку тока, что указывает на наличие или отсутствие электронов в плавающем затворе.  

• Флеш-память энергонезависима и имеет высокую плотность записи.  

• Запись данных требует значительных затрат электроэнергии и повреждает слой изолятора.  

• Флеш-память используется для долговременного хранения данных, включая флешки, карты памяти и SSD диски.  

• Открытие способа записывать в память одной ячейки больше одного бита.  

• Флеш-ячейка с нулем отличается от ячейки с единицей количеством электронов в плавающем затворе.  

• Возможность измерения количества электронов в плавающем затворе с помощью напряжения на основном затворе транзистора.  

• Разные напряжения открывают транзистор, указывая на количество электронов в плавающем затворе.  

• Ячейка может хранить числа от нуля до трех, увеличивая емкость вдвое.  

• Такие ячейки называются многоуровневыми или MLC.  

• Увеличение шага изменения напряжения для дальнейшего увеличения емкости.  

• Трехуровневые ячейки TLC хранят три бита данных, четырехуровневые QLC — четыре бита.  

• Увеличение емкости снижает скорость работы, увеличивает энергопотребление и вероятность ошибок.  

• Достижение плотности записи, сопоставимой с жесткими дисками.  

• SSD опережают жесткие диски по быстродействию и отсутствию движущихся частей.  

• Ограниченный срок службы SSD и их самоповреждение при записи.  

• Жесткие диски остаются дешевле на единицу объема хранения.  

• Формирование четырехуровневой иерархии данных: регистры и кэш-память на RAM, оперативная память на DRAM, системный диск на SSD, рабочий диск на HDD.  

• Переход к рассказу о новых технологиях памяти будет отложен до следующего выпуска.  

• Призыв подписаться на канал для получения обновлений о новых технологиях.