How computer memory works - Kanawat Senanan

Translator: Chanchai Tasujai Reviewer: Panaya Hasitabhan

In many ways, our memories make us who we are,

ในหลายแง่มุม ความจำทำให้เราเป็นเราอย่างในทุกวันนี้

helping us remember our past,

ช่วยให้เราจดจำอดีต

learn and retain skills,

เรียนรู้ และสะสมความรู้ต่าง ๆ ไว้ได้

and plan for the future.

และวางแผนอนาคตได้อีกด้วย

And for the computers that often act as extensions of ourselves,

สำหรับคอมพิวเตอร์ที่ได้กลายเป็น ส่วนต่อขยายชีวิตคนเรา

memory plays much the same role,

ความจำของมันก็ทำหน้าที่คล้ายความจำของมนุษย์

whether it's a two-hour movie,

ไม่ว่าจะเป็นภาพยนตร์ที่ยาว 2 ชั่วโมง

a two-word text file,

หรือไฟล์ที่มีคำอยู่เพียง 2 คำ

or the instructions for opening either,

หรือคำสั่งให้เปิดนู้นเปิดนี่ สิ่งต่าง ๆ

everything in a computer's memory takes the form of basic units called bits,

ในความจำของคอมพิวเตอร์นั้น เก็บอยู่ในรูปแบบพื้นฐานที่เรียกว่า บิต (bit)

or binary digits.

หรือรหัสเลขฐาน 2

Each of these is stored in a memory cell

แต่ละบิตจะถูกเก็บไว้ในเซลล์ความจำ

that can switch between two states for two possible values,

ที่สามารถสับเปลี่ยนได้ระหว่าง 2 สถานะ

0 and 1.

สำหรับค่าที่เป็นได้ 2 ค่า คือ 0 และ 1

Files and programs consist of millions of these bits,

ไฟล์และโปรแกรมต่าง ๆ ประกอบไปด้วย พวกบิตเหล่านี้เป็นจำนวนล้าน ๆ

all processed in the central processing unit,

ที่ถูกคำนวณในส่วนคำนวณกลาง

or CPU,

หรือ CPU

that acts as the computer's brain.

ที่ทำหน้าที่เป็นเหมือนสมองของคอมพิวเตอร์

And as the number of bits needing to be processed grows exponentially,

และเมื่อจำนวนบิตที่ต้องถูกประมวลผลนั้น โตขึ้นอย่างรวดเร็ว

computer designers face a constant struggle

นักออกแบบคอมพิวเตอร์จึงต้องเจอกับปัญหาอยู่เสมอ

between size, cost, and speed.

ทั้งเรื่องของขนาด ราคา และความเร็ว

Like us, computers have short-term memory for immediate tasks,

ในเรื่องความจำคอมพิวเตอร์ก็ไม่ต่างกับคน ในเรื่องที่มีความจำระยะสั้นสำหรับงานที่ต้องทำทันที

and long-term memory for more permanent storage.

และความจำระยะยาวสำหรับจัดเก็บสิ่งที่จะอยู่ถาวร

When you run a program,

เมื่อคุณเปิดโปรแกรมสักโปรแกรมขึ้นมาใช้

your operating system allocates area within the short-term memory

ระบบปฏิบัติการก็จะเข้าไปใช้งาน

for performing those instructions.

ในส่วนของความจำระยะสั้น

For example, when you press a key in a word processor,

เช่น เมื่อคุณกดปุ่มสักปุ่มในโปรแกรม Word

the CPU will access one of these locations to retrieve bits of data.

CPU ก็จะเข้าไปในบริเวณที่ว่านี้ เพื่อนำบิตของข้อมูลมาใช้

It could also modify them, or create new ones.

ซึ่งมันสามารถที่จะปรับใช้อันเดิม หรือสร้างบิตใหม่ขึ้นมา

The time this takes is known as the memory's latency.

เราจะเรียกช่วงเวลานี้ว่า ค่าความหน่วงเวลาของหน่วยความจำ

And because program instructions must be processed quickly and continuously,

และเนื่องจากคำสั่งโปรแกรมที่ต้องถูก ประมวลผลอย่างรวดเร็วและต่อเนื่อง

all locations within the short-term memory can be accessed in any order,

พื้นที่ต่าง ๆ ในส่วนของหน่วยความจำระยะสั้น จึงถูกเข้าถึงได้แบบไม่มีลำดับก่อนหลังใด ๆ

hence the name random access memory.

เราจึงเรียกมันว่า ความจำเข้าถึงแบบสุ่มหรือ R.A.M.

The most common type of RAM is dynamic RAM, or DRAM.

ชนิดของ R.A.M. ที่พบเห็นบ่อยที่สุด คือ R.A.M.พลวัต หรือ D.R.A.M.

There, each memory cell consists of a tiny transistor and a capacitor

ที่นั่นเองที่เซลล์ความจำแต่ละตัวประกอบไปด้วย ทรานซิสเตอร์ขนาดเล็ก

that store electrical charges,

และตัวเก็บประจุไฟฟ้า

a 0 when there's no charge, or a 1 when charged.

ซึ่งจะเป็น 0 เมื่อไม่มีการชาร์จ และเป็น 1 เมื่อชาร์จแล้ว

Such memory is called dynamic

เราเรียกความจำแบบนี้ว่า ไดนามิก หรือ พลวัต

because it only holds charges briefly before they leak away,

เพราะว่ามันจะคงความชาร์จไว้ ได้แค่แป๊บเดียวก่อนที่ประจุจะรั่วออกไป

requiring periodic recharging to retain data.

ทำให้ต้องทำการชาร์จอยู่เรื่อย ๆ เพื่อเก็บข้อมูลไว้ได้ต่อเนื่อง

But even its low latency of 100 nanoseconds

อย่างไรก็ตามค่าความหน่วงเวลาที่ต่ำมาก ถึง 100 นาโนวินาที

is too long for modern CPUs,

ก็ยังยาวนานเกินไปสำหรับ CPU รุ่นใหม่ ๆ

so there's also a small, high-speed internal memory cache

คอมพิวเตอร์จึงมีแคชความจำภายใน ที่เป็น high-speed และมีขนาดเล็ก

made from static RAM.

ซึ่งทำมาจาก R.A.M.สถิต หรือ S.R.A.M.

That's usually made up of six interlocked transistors

ที่มักจะประกอบไปด้วยทรานซิสเตอร์ 6 ตัว

which don't need refreshing.

ที่เชื่อมกันและไม่ต้องทำการรีเฟรช

SRAM is the fastest memory in a computer system,

S.R.A.M. คือความจำที่เร็วที่สุดในระบบคอมพิวเตอร์

but also the most expensive,

แต่ก็แพงที่สุดเช่นกัน

and takes up three times more space than DRAM.

และยังกินความจุถึง 3 เท่าของ D.R.A.M.

But RAM and cache can only hold data as long as they're powered.

แต่ว่า R.A.M. และแคชสามารถจดจำข้อมูลได้ ตอนที่มันเพาเวอร์เท่านั้น

For data to remain once the device is turned off,

เพราะฉะนั้นเพื่อให้ข้อมูลยังคงอยู่ หลังจากที่คุณปิดเครื่อง

it must be transferred into a long-term storage device,

เครื่องมือเหล่านั้นจะต้องย้ายไปที่ เครื่องมือจัดเก็บระยะยาว

which comes in three major types.

ซึ่งมีให้เลือก 3 แบบด้วยกัน

In magnetic storage, which is the cheapest,

การเก็บแบบแม่เหล็กจะมีราคาถูกที่สุด

data is stored as a magnetic pattern on a spinning disc coated with magnetic film.

ข้อมูลจะถูกเก็บในรูปแบบแม่เหล็ก ที่มีจานหมุนที่เคลือบด้วยฟิล์มแม่เหล็ก

But because the disc must rotate to where the data is located

แต่เนื่องจากแผ่นดิสก์จะต้องหมุนไปยัง ที่ที่ข้อมูลถูกเก็บเอาไว้

in order to be read,

เพื่อจะอ่านข้อมูลนั้น ๆ

the latency for such drives is 100,000 times slower than that of DRAM.

ค่าความหน่วงเวลาจึงมากกว่า D.R.A.M. ถึง 100,000 เท่า

On the other hand, optical-based storage like DVD and Blu-ray

ส่วนการเก็บในรูปแบบจานแสงอย่าง DVD และ Blu-ray

also uses spinning discs,

แม้จะยังใช้จานหมุน

but with a reflective coating.

แต่ก็จะมีโค้ชสะท้อนทับอีกชั้นหนึ่ง

Bits are encoded as light and dark spots using a dye that can be read by a laser.

บิตจะถูกใส่รหัสเป็นสว่างกับมืด โดยใช้สีย้อมที่อ่านได้ด้วยเลเซอร์

While optical storage media are cheap and removable,

แม้ว่าการเก็บแบบจานแสงราคาจะถูกและเคลื่อนย้ายได้

they have even slower latencies than magnetic storage

แต่พวกมันมีค่าหน่วงเวลาที่มากกว่า การเก็บในรูปแบบแม่เหล็กเสียอีก

and lower capacity as well.

แล้วก็มีความจุน้อยกว่าอีกด้วย

Finally, the newest and fastest types of long-term storage are solid-state drives,

ชนิดสุดท้ายคือ SSD ซึ่งเป็นการเก็บความจำระยะยาว ชนิดที่ใหม่สุดและเร็วสุด

like flash sticks.

ซึ่งคล้ายกับ USB drive นั่นเอง

These have no moving parts,

SSD จะไม่มีส่วนไหนเคลื่อนที่เลย

instead using floating gate transistors

เพราะว่าใช้ทรานซิสเตอร์แบบเกตลอย หรือ FG

that store bits by trapping or removing electrical charges

ที่จัดเก็บบิตด้วยการปล่อยหรือดึงประจุไฟฟ้า ภายในโครงสร้างภายใน

within their specially designed internal structures.

ที่ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะ

So how reliable are these billions of bits?

และบิตจำนวนพันล้านพวกนี้เชื่อถือได้แค่ไหนกัน

We tend to think of computer memory as stable and permanent,

พวกเรามักจะชอบคิดว่าความจำเหล่านี้จะมั่นคงและถาวร

but it actually degrades fairly quickly.

แต่จริง ๆ แล้ว ความจำเหล่านั้นเสื่อมลงค่อนข้างเร็ว

The heat generated from a device and its environment

ความร้อนจากตัวอุปกรณ์และสิ่งแวดล้อม

will eventually demagnetize hard drives,

จะค่อย ๆ ขจัดแม่เหล็กออกไปจากจานหมุน

degrade the dye in optical media,

ลดประสิทธิภาพสีย้อมบนจานแสง

and cause charge leakage in floating gates.

และก่อให้เกิดการรั่วของประจุในเกตลอย SSD

Solid-state drives also have an additional weakness.

สำหรับ SSD นั้น จะยังมีจุดอ่อนเพิ่มอีก 1 ข้อ

Repeatedly writing to floating gate transistors corrodes them,

การเขียนข้อมูลทับบนทรานซิสเตอร์แบบเกตลอยนั้น

eventually rendering them useless.

จะกัดกร่อนมันไปเรื่อย ๆ จนในที่สุดก็จะอ่านข้อมูลต่อไปไม่ได้

With data on most current storage media

โดยเหตุที่ข้อมูลบนตัวเก็บข้อมูลในความจำปัจจุบันนั้น

having less than a ten-year life expectancy,

มีอายุอยู่ได้ไม่ถึง 10 ปี

scientists are working to exploit the physical properties of materials

นักวิทยาศาสตร์จึงกำลังหาวิธี ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางกายภาพของวัตถุ

down to the quantum level

ลงมาถึงระดับควอนตัม

in the hopes of making memory devices faster,

โดยหวังจะให้อุปกรณ์เหล่านี้ทำงานเร็วขึ้น

smaller,

ขนาดเล็กลง

and more durable.

และคงทนกว่าเดิม

For now, immortality remains out of reach, for humans and computers alike.

แต่ว่าตอนนี้ความเป็นอมตะนั้นดูเป็นเรื่องไกลตัวเหลือเกิน ไม่ว่าจะกลับมวลมนุษย์หรือคอมพิวเตอร์