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.