那些關於電腦中記憶單元的事
文\謝明翰
前言
你知道什麼是電腦的記憶單元，它是什麼，又扮演什麼角色嗎? 在電腦蓬勃發展的世界裡，我們常常看到有很強大的運算單元(CPU)以及繪圖運算單元(GPU)不斷推陳出新，卻時常忽略記憶體扮演著不可或缺的重要角色，沒有記憶體，再強大的處理器都發揮不了作用。那就讓我們來介紹電腦記憶單元是什麼、它的種類，以及電腦記憶單元與處理器的關係。
記憶體與處理器不可分割的關係
首先，可以將「電腦」類比成我們的「大腦」，想像我們大腦如何運作的方式，例如: 1+2=3；我們會先記下數字「1」和數字「2」，並且判斷「+」這個動作後，產生「3」的結果，並記錄下來，完成整項加法過程。電腦中「記錄數字的地方」如同是我們大腦中儲存記憶的地方，電腦「運作加法的地方」也就是運算單元(CPU)。因此，在這簡單的加法過程中，我們能稍微理解記憶體與處理器的關係。
不過，我們所認知的「記憶」似乎並非如此簡單，我們時常需要記憶單字、地址，或是更複雜的「回憶」，這些「記憶」聽起來更複雜，如同我們手機相簿裡的照片或是影像，甚至是我們銀行帳戶裡的資料，這些重要且複雜的訊息或是資料需要被更永久與安全地儲存，不像前述的加法例子一樣，我們隨意取得兩組一串數字去運作一般。
因此，電腦中的「記憶」如同我們的大腦一般，也分為永久記憶以及暫時記憶。實際上，他們稱作「揮發性記憶體」以及「非揮發性記憶體」。至於，我們應該把資料放在哪種記憶單元上，是根據資料被處裡的頻率，例如，加數以及被加數，因為不久後就要被運算，因此要放在速度較快的暫存記憶單元上；我們的相片或是影片，被呈現的頻率並不高，因此會被放在速度較慢的「非揮發性記憶體」內保存，通常為硬碟(Hard Drive)。如圖一所示，如果我們需要呈現影像時，會將資料從硬碟中取出，放置速度較快的揮發性記憶體(DRAM->快取Cache)後，進一步地，將影像資料一筆筆放到CPU裡更快的暫存器(Register)處理。
接下來就讓我們來窺探「電腦中的記憶單元」是什麼吧。
什麼是儲存單元
記憶體種類
依照儲存持久度，可以分成「揮發性記憶體」以及「非揮發性記憶體」。依照快與慢與記憶容量區分，我們可以有以下種類，如圖二:
由此圖可見，記憶單元分成兩區，「暫存區」與「永久的儲存區」。在暫存區中，由慢到快、容量由高到低分類，分別是記憶體(RAM)到CPU暫存器(CPU Register)；具永久儲存特性的記憶單元，同樣的分類，則是ROM、固態硬碟、傳統硬碟。
揮發性記憶體
揮發性記憶體，顧名思義，資料會隨著電源不供應而消失。乍聽之下，我們也許會認為此類記憶體沒有優勢，因為當機器關機以後，我的資料就消失了。其實則不然，事實上，非揮發記憶體最大的優勢在於「存取速度快」，適合處理器處理資料時，快速地取得資料並處理，進一步地，使工作效率提升。
揮發性記憶體依速度與容量區分成，暫存器(register)、快取(Cache)、記憶體(RAM)。RAM大致上為十億位元(GB, Gigabytes)等級，快取大概為百萬位元等級(MB, Megabytes)，暫存器則是2的冪次方位元等級(e.g., 64bits、32bits)。
通常一個處理器晶片裡，通常會包含數個暫存器與快取。不包含記憶體的原因是，記憶體容量較大，佔據的面積較大；相對而言，快取與暫存器因為容量小，因此佔據的面積也較小，能夠被涵蓋在處理器晶片裡；除此之外，有快取與暫存器的處理器架構裡，在運算效率上，有著比沒有快取以及暫存器的處理器來的高許多。如圖三:
通常非揮發記憶體單元是由迴授電路搭配兩個電晶體所組成，以快取為例，如圖四所示:
藉由電路迴授方式，將資料鎖在迴路裡，達到儲存的功能。因為電晶體需要通電才能運作，所以當電源關閉以後，此記憶單元不再具備儲存的功能。
非揮發性記憶體
非揮發性記憶體意味著資料不會消失，原理也非常多樣。因此，此種記憶體的種類相當多元。能透過可通電與否、電荷數量、磁場方向和電阻大小等等方式來達成永久記憶的效果。
如圖五的傳統硬碟，它則是透過磁針，改變在磁盤上的磁場排列，來儲存資料。固態硬碟是近年來熱銷的消費性硬碟，其運作方式是透過強電場將電荷困在電晶體的電容結構裡，如圖六，透過測量電容結構裡的電荷數目，來決定資料儲存的型態。
除此之外，還有一種很特別的記憶體－ROM(Read Only Memory)，ROM則是在製造前先決定電晶體是否能夠導通的組合，來決定資料的內容，也因為在製造前就已經決定好資料內容，所以無法改寫內容，只能讀取。
結語
在說明電腦中的記憶體單元後，我們了解到各種記憶體的用途，RAM是非揮發性記憶體主要負責暫存，硬碟為非揮發性記憶體，主要負責儲存資料。除此之外，DIY PC會多一份記憶體(RAM)的零件，以及每當我們選購電腦時，時常出現RAM的記憶體容量規格，因為它扮演著緩衝區的角色，也因為容量較其他非揮發性記憶體還大，因次它龐大的面積需要被獨立出來。希望在這篇文章中，能帶領你對於電腦世界有更進一步的了解。
