Jak funguje počítačová paměť - Kanawat Senanan

Celou lekci sledujte na: http://ed.ted.com/lessons/how-computer-memory-works-kanawat-senanan

V mnohých ohledech nás naše vzpomínky dělají těmi, kdo jsme, pomáhají nám pamatovat si minulost, učit se a udržet dovednosti a plánovat budoucnost. A pro počítače, které jsou často naší prodlouženou rukou, hraje paměť velmi podobnou roli. Kanawat Senanan vysvětluje, jak funguje počítačová paměť.

Lekce: Kanawat Senanan, animace: TED-Ed

V mnohých ohledech nás naše vzpomínky
dělají těmi, kdo jsme,

pomáhají nám vzpomenout si na minulost,

naučit se a udržet si dovednosti,

a plánovat budoucnost.

A pro počítače, jež jsou často
naší prodlouženou rukou,

má paměť stejnou roli.

Ať je to dvouhodinový film,

soubor se dvěma slovy,

nebo příkazy k otevření,

všechno v počítačové paměti
má formu základních jednotek zvaných bity,

nebo binární číslice.

Každý z nich je uložen v paměťové buňce,

která může přepínat mezi dvěma stavy
pro dvě možné hodnoty,

0 a 1.

Soubory a programy se stávají
z miliónů těchto bitů,

zpracovaných v mikroprocesoru,

nebo-li CPU,

jenž zastává úlohu mozku počítače.

A jak množství bitů potřebných
ke zpracování exponenciálně roste,

počítačoví designeři čelí neustálému boji

mezi velikostí, cenou a rychlostí.

Jako my, mají počítače krátkodobou paměť
pro okamžité úkoly

a dlouhodobou paměť
pro trvalejší ukládání.

Když běží program,

váš operační systém přiděluje prostor
v krátkodobé paměti

k vykonání jeho instrukcí.

Například když stisknete klávesu
v textovém programu,

CPU přistoupí k jednomu z těchto umístění
pro získání bitů těchto dat.

Může je také měnit
nebo tvořit nové.

Čas, který je k tomu zapotřebí,
je znám jako paměťová latence.

A protože instrukce programu musí být
zpracovávány rychle a souvisle,

všechna umístění v krátkodobé paměti
mohou být přístupná v jakémkoliv pořadí.

Odtud pochází název
"paměť s náhodným přístupem", nebo-li RAM.

Nejběžnější typ RAM
je dynamická RAM nebo-li DRAM.

V ní je každá paměťová buňka složena
z malinkého tranzistoru a kondenzátoru,

jenž uchovává elektrické náboje,

0 - když zde není žádný náboj,
nebo 1 - když je nabitý.

Takové paměti se říká dynamická,

protože drží náboje pouze chviličku,
než utečou pryč,

což vyžaduje pravidelné nabíjení
k udržení dat.

Avšak i její nízká latence,
100 nanosekund,

je příliš dlouhá pro moderní CPU,

a proto je zde také malá
vysokorychlostní vnitřní paměť cache,

tvořená statickou RAM.

Ta je obvykle vyrobena
ze šesti propojených tranzistorů,

jež nepotřebují obnovování.

SRAM je nejrychlejší pamětí
v počítačovém systému,

ale také tou nejdražší,

a zabírá třikrát více místa
než DRAM.

Ale RAM a cache mohou udržovat data
pouze pokud jsou napájeny.

Pro udržení dat,
když je zařízení vypnuté,

se musí přenést
do dlouhodobého úložiště,

které má tři hlavní druhy.

V magnetickém úložišti,
jež je nejlevnější,

jsou data ukládána jako magnetické vzorce
na otočný disk pokrytý magnetickým filmem.

Ale protože se disk musí otáčet tam,
kde jsou data uložena,

aby je mohl přečíst,

latence této mechaniky je 100 000 krát
pomalejší než u DRAM.

Na druhou stranu optická úložiště
jako DVD nebo Blu-ray

také úžívají otáčecí disk,

avšak s reflexní vrstvou.

Bity jsou zakódovány jako světlé a tmavé
skvrny barvivem, které umí přečíst laser.

Zatímco jsou optická úložiště levná
a odnímatelná,

mají dokonce delší latenci
než magnetická úložiště

a stejně tak nižší kapacitu.

Nakonec nejnovějším a nejrychlejším typem
dlouhodobé paměti jsou elektronická média,

jako flash disk.

Ty nemají žádné pohyblivé části,

ale používají tranzistory
s plovoucím hradlem,

jež uchovávají bity zachycením
či odstraněním elektrických nábojů

v jejich speciálně navržené
vnitřní struktuře.

Takže jak spolehlivé
jsou tyto miliardy bitů?

Máme tendenci si představovat
paměť počítače jako stabilní a trvalou,

ve skutečnosti se však
znehodnocuje docela rychle.

Teplo vytvářené zařízením a jeho okolím

může nakonec odmagnetizovat pevné disky,

znehodnotit barvivo v optických médiích

a způsobit únik náboje
v plovoucích hradlech.

Elektronická média
mají také další slabost.

Opakovaný zápis způsobuje narušování
tranzistorů s plovoucím hradlem,

jež se nakonec stanou nepoužitelnými.

S daty na nejaktuálnějších
paměťových médiích,

s očekávanou
méně než desetiletou životností,

vědci pracují na využití
fyzických vlastností materiálů

až na kvantové úrovni,

a to v naději, že vytvoří
paměťové zařízení rychlejší,

menší

a trvanlivější.

Prozatím zůstává nesmrtelnost
mimo dosah lidí, stejně jako počítačů.