ذاكرة الحاسوب

أتاح اختراع ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة ( MOSFET ) الاستخدام العملي لترانزستورات أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة (MOS) كعناصر تخزين في خلايا الذاكرة . طُوِّرت ذاكرة MOS على يد جون شميدت في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات عام 1964. ^{[ 12 ]} بالإضافة إلى الأداء العالي، كانت ذاكرة أشباه الموصلات MOS أرخص وأقل استهلاكًا للطاقة من ذاكرة النواة المغناطيسية. ^{[ 13 ]} في عام 1965، اقترح ج. وود و ر. بول من المؤسسة الملكية للرادار أنظمة تخزين رقمية تستخدم خلايا ذاكرة CMOS (أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة التكميلية)، بالإضافة إلى أجهزة طاقة MOSFET لإمداد الطاقة ، والوصلات المتقاطعة المُبدَّلة، والمفاتيح، وتخزين خط التأخير . ^{[ 14 ]} مكّن تطوير تقنية الدوائر المتكاملة لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة ذات البوابة السيليكونية (MOS IC) على يد فيديريكو فاجين في شركة فيرتشايلد عام 1968 من إنتاج رقائق ذاكرة MOS . ^{[ 15 ]} قامت شركة IBM بتسويق ذاكرة NMOS في أوائل سبعينيات القرن العشرين. ^{[ 16 ]} تفوقت ذاكرة MOS على ذاكرة النواة المغناطيسية لتصبح تقنية الذاكرة السائدة في أوائل سبعينيات القرن العشرين. ^{[ 13 ]}

يُعدّ كلٌّ من ذاكرة الوصول العشوائي المتطايرة (RAM) وذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM) وذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) النوعين الرئيسيين . اخترع روبرت نورمان ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة ثنائية القطب في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات عام 1963، ^{[ 9 ]} وتلاه تطوير ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة بتقنية أشباه الموصلات المعدنية (MOS) على يد جون شميدت في شركة فيرتشايلد عام 1964. ^{[ 13 ]} أصبحت ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة بديلاً لذاكرة النواة المغناطيسية، ولكنها تتطلب ستة ترانزستورات لكل بت من البيانات. ^{[ 17 ]} بدأ الاستخدام التجاري لذاكرة الوصول العشوائي الثابتة عام 1965، عندما طرحت شركة IBM شريحة SP95 SRAM لجهاز System/360 Model 95. ^{[ 9 ]}

قدمت شركة توشيبا خلايا ذاكرة DRAM ثنائية القطبية لحاسبتها الإلكترونية توسكال BC-1411 عام 1965. ^{[ 18 ] [ 19 ]} ورغم أنها قدمت أداءً محسّنًا، إلا أن ذاكرة DRAM ثنائية القطبية لم تستطع منافسة السعر المنخفض لذاكرة النواة المغناطيسية التي كانت سائدة آنذاك. ^{[ 20 ]} تُعد تقنية MOS أساس ذاكرة DRAM الحديثة. في عام 1966، كان روبرت هـ. دينارد يعمل في مركز أبحاث توماس ج. واتسون التابع لشركة IBM على ذاكرة MOS. أثناء دراسته لخصائص تقنية MOS، وجد أنه من الممكن تصنيع مكثفات ، وأن تخزين الشحنة أو عدم وجودها على مكثف MOS يمكن أن يمثل 1 و0 في البت، بينما يتحكم ترانزستور MOS في كتابة الشحنة على المكثف. أدى هذا إلى تطويره خلية ذاكرة DRAM أحادية الترانزستور. ^{[ 17 ]} في عام 1967، قدم دينارد براءة اختراع لخلية ذاكرة DRAM أحادية الترانزستور تعتمد على تقنية MOS. ^{[ 21 ]} أدى ذلك إلى ظهور أول شريحة دارة متكاملة تجارية لذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM)، وهي شريحة إنتل 1103 في أكتوبر 1970. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} ظهرت ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية المتزامنة (SDRAM) لاحقًا مع شريحة سامسونج KM48SL2000 في عام 1992. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

يُستخدم مصطلح الذاكرة أيضًا للإشارة إلى الذاكرة غير المتطايرة، بما في ذلك ذاكرة القراءة فقط (ROM) وصولًا إلى ذاكرة الفلاش الحديثة . وقد اخترع وين تسينغ تشاو ذاكرة القراءة فقط القابلة للبرمجة (PROM) عام 1956، أثناء عمله في قسم أرما التابع لشركة بوش أرما الأمريكية. ^{[ 27 ] [ 28 ]} في عام 1967، اقترح داوون كانغ وسيمون سزي من مختبرات بيل إمكانية استخدام البوابة العائمة لجهاز أشباه الموصلات MOS كخلية لذاكرة القراءة فقط القابلة لإعادة البرمجة (ROM)، مما أدى إلى اختراع دوف فروهمان من شركة إنتل لذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح (EPROM) في عام 1971. ^{[ 29 ]} تم تطوير ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح كهربائياً ( EEPROM ) بواسطة ياسوو تاروي، ويوتاكا هاياشي، وكيوكو ناغا في المختبر الكهروتقني في عام 1972. ^{[ 30 ]} تم اختراع ذاكرة الفلاش بواسطة فوجيو ماسوكا في شركة توشيبا في أوائل الثمانينيات. ^{[ 31 ] [ 32 ]} قدم ماسوكا وزملاؤه اختراع ذاكرة فلاش NOR في عام 1984، ^{[ 33 ]} ثم ذاكرة فلاش NAND في عام 1987. ^{[ 34 ]} قامت شركة توشيبا بتسويق ذاكرة فلاش NAND في عام 1987. ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}

لقد أتاحت التطورات في التكنولوجيا واقتصاديات الحجم ما يسمىأجهزة كمبيوتر ذات ذاكرة كبيرة جدًا (VLM). ^{[ 37 ]}

الذاكرة المتطايرة هي ذاكرة حاسوب تتطلب طاقةً للحفاظ على المعلومات المخزنة. معظم أنواع الذاكرة المتطايرة الحديثة المصنوعة من أشباه الموصلات هي إما ذاكرة وصول عشوائي ثابتة (SRAM) أو ذاكرة وصول عشوائي ديناميكية (DRAM). ^{[ أ ]} تهيمن ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) على ذاكرة أنظمة أجهزة الكمبيوتر المكتبية. تُستخدم ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM) لذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية (CPU ). كما توجد ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM) في الأنظمة المدمجة الصغيرة التي تتطلب ذاكرةً قليلة.

تحتفظ ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM) بمحتوياتها طالما أن الطاقة موصولة، وقد تستخدم واجهة أبسط، ولكنها عادةً ما تستخدم ستة ترانزستورات لكل بت . أما ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) فهي أكثر تعقيدًا من حيث التوصيل والتحكم، وتحتاج إلى دورات تحديث منتظمة لمنع فقدان محتوياتها، ولكنها تستخدم ترانزستورًا واحدًا ومكثفًا واحدًا فقط لكل بت، مما يسمح لها بالوصول إلى كثافات أعلى بكثير وتكاليف أقل بكثير لكل بت. ^{[ 2 ] [ 23 ] [ 37 ]}

تستطيع الذاكرة غير المتطايرة الاحتفاظ بالمعلومات المخزنة حتى في حالة انقطاع التيار الكهربائي. ومن أمثلة الذاكرة غير المتطايرة: ذاكرة القراءة فقط ، وذاكرة الفلاش ، ومعظم أنواع أجهزة التخزين المغناطيسية للحاسوب (مثل محركات الأقراص الصلبة ، والأقراص المرنة ، والأشرطة المغناطيسية )، والأقراص الضوئية ، وطرق التخزين الحاسوبية القديمة مثل الأسطوانة المغناطيسية ، والشريط الورقي ، والبطاقات المثقبة . ^{[ 37 ]}

تشمل تقنيات الذاكرة غير المتطايرة قيد التطوير ذاكرة الوصول العشوائي الكهروإجهادية ، وخلايا التمعدن القابلة للبرمجة ، وذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية ذات عزم نقل الدوران ، وSONOS ، وذاكرة الوصول العشوائي المقاومة ، وذاكرة مضمار السباق ، وذاكرة Nano-RAM ، و 3D XPoint ، وذاكرة الألف دودة .

يُصنّف نوع ثالث من الذاكرة ضمن فئة الذاكرة شبه المتطايرة . يُستخدم هذا المصطلح لوصف ذاكرة تتمتع بفترة صلاحية محدودة بعد انقطاع التيار الكهربائي، ولكن البيانات تُفقد في النهاية. يتمثل الهدف الرئيسي من استخدام الذاكرة شبه المتطايرة في توفير الأداء العالي والمتانة المرتبطة بالذاكرة المتطايرة، مع توفير بعض مزايا الذاكرة غير المتطايرة.

على سبيل المثال، تتعرض بعض أنواع الذاكرة غير المتطايرة للتلف عند الكتابة عليها. تتميز الخلية المتآكلة بزيادة في التطاير، ولكنها تستمر في العمل. وبالتالي، يمكن توجيه مواقع البيانات التي تُكتب عليها البيانات بشكل متكرر لاستخدام الدوائر المتآكلة. طالما يتم تحديث الموقع خلال فترة احتفاظ معروفة، تظل البيانات صالحة. بعد فترة من عدم التحديث، تُنسخ القيمة إلى دائرة أقل تآكلًا ذات فترة احتفاظ أطول. تتيح الكتابة أولًا إلى المنطقة المتآكلة معدل كتابة عاليًا مع تجنب تآكل الدوائر غير المتآكلة. ^{[ 38 ]}

كمثال ثانٍ، يمكن جعل ذاكرة STT-RAM غير متطايرة عن طريق بناء خلايا كبيرة، لكن ذلك يزيد من تكلفة البت الواحد ومتطلبات الطاقة ويقلل من سرعة الكتابة. استخدام خلايا صغيرة يُحسّن التكلفة والطاقة والسرعة، ولكنه يؤدي إلى سلوك شبه متطاير. في بعض التطبيقات، يمكن إدارة زيادة التطاير لتوفير العديد من مزايا الذاكرة غير المتطايرة، على سبيل المثال عن طريق فصل الطاقة مع إجبار الذاكرة على الاستيقاظ قبل فقدان البيانات؛ أو عن طريق تخزين البيانات للقراءة فقط مؤقتًا والتخلص من البيانات المخزنة مؤقتًا إذا تجاوز وقت انقطاع الطاقة عتبة عدم التطاير. ^{[ 39 ]}

يُستخدم مصطلح "شبه متطاير" أيضًا لوصف سلوك شبه متطاير مُشتق من أنواع ذاكرة أخرى، مثل ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة غير المتطايرة (nvSRAM) ، التي تجمع بين ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM) وذاكرة غير متطايرة على نفس الشريحة ، حيث تقوم إشارة خارجية بنسخ البيانات من الذاكرة المتطايرة إلى الذاكرة غير المتطايرة، ولكن إذا انقطع التيار الكهربائي قبل اكتمال النسخ، تُفقد البيانات. مثال آخر هو ذاكرة الوصول العشوائي المدعومة ببطارية ، والتي تستخدم بطارية خارجية لتزويد جهاز الذاكرة بالطاقة في حالة انقطاع التيار الكهربائي الخارجي. إذا انقطع التيار الكهربائي لفترة طويلة، فقد تنفد البطارية، مما يؤدي إلى فقدان البيانات. ^{[ 37 ]}

يُعد سوء إدارة الذاكرة سببًا شائعًا للأخطاء والثغرات الأمنية، بما في ذلك الأنواع التالية:

• يحدث تسرب الذاكرة عندما يطلب برنامجٌ ما ذاكرةً من نظام التشغيل ولا يُعيدها بعد الانتهاء من استخدامها. سيحتاج البرنامج المصاب بهذا الخلل تدريجيًا إلى المزيد والمزيد من الذاكرة حتى يتوقف عن العمل عند نفادها من نظام التشغيل.
• يحدث خطأ تجزئة الذاكرة عندما يحاول برنامج الوصول إلى ذاكرة لا يملك صلاحية الوصول إليها. وعادةً ما يقوم نظام التشغيل بإنهاء البرنامج الذي يفعل ذلك.
• يحدث تجاوز سعة المخزن المؤقت عندما يكتب برنامج بيانات إلى نهاية المساحة المخصصة له، ثم يستمر في كتابة بيانات أخرى إلى ذاكرة مخصصة لأغراض أخرى. قد يؤدي ذلك إلى سلوك غير منتظم للبرنامج، بما في ذلك أخطاء في الوصول إلى الذاكرة، ونتائج غير صحيحة، وتعطل البرنامج، أو اختراق أمن النظام. ولذلك، تُعد هذه الثغرات أساسًا للعديد من نقاط الضعف البرمجية، ويمكن استغلالها بشكل ضار.

الذاكرة الافتراضية هي نظام يُدير فيه نظام التشغيل الذاكرة الفعلية ، عادةً بمساعدة وحدة إدارة الذاكرة ، وهي جزء من العديد من وحدات المعالجة المركزية الحديثة . يسمح هذا النظام باستخدام أنواع متعددة من الذاكرة. على سبيل المثال، يمكن تخزين بعض البيانات في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) بينما تُخزن بيانات أخرى على القرص الصلب (مثل ملف التبديل )، ما يُشكل امتدادًا لتسلسل ذاكرة التخزين المؤقت . يوفر هذا النظام العديد من المزايا، إذ لم يعد مبرمجو الحاسوب بحاجة للقلق بشأن مكان تخزين بياناتهم فعليًا أو ما إذا كان جهاز المستخدم يمتلك ذاكرة كافية. يقوم نظام التشغيل بوضع البيانات المستخدمة بكثرة في ذاكرة الوصول العشوائي، وهي أسرع بكثير من الأقراص الصلبة. عندما لا تكون سعة ذاكرة الوصول العشوائي كافية لتشغيل جميع البرامج الحالية، قد يؤدي ذلك إلى قضاء الحاسوب وقتًا أطول في نقل البيانات من ذاكرة الوصول العشوائي إلى القرص الصلب والعودة منه بدلًا من إنجاز المهام؛ وهذا ما يُعرف بالتبديل المُفرط .

الذاكرة المحمية هي نظام يُخصص فيه لكل برنامج مساحة ذاكرة محددة، ويُمنع من تجاوز هذه المساحة. إذا اكتشف نظام التشغيل محاولة برنامج ما تعديل ذاكرة لا تخصه، يتم إنهاء البرنامج (أو تقييده أو إعادة توجيهه). بهذه الطريقة، يتعطل البرنامج المخالف فقط، ولا تتأثر البرامج الأخرى بهذا السلوك غير المقصود (سواء كان عرضيًا أم متعمدًا). ​​يُعزز استخدام الذاكرة المحمية بشكل كبير موثوقية وأمان نظام الحاسوب.

بدون حماية الذاكرة، قد يؤدي خطأ برمجي في أحد البرامج إلى تغيير الذاكرة التي يستخدمها برنامج آخر. وهذا بدوره سيؤدي إلى تشغيل البرنامج الآخر على ذاكرة تالفة، ما ينتج عنه نتائج غير متوقعة. في حال تلف ذاكرة نظام التشغيل، قد يتعطل نظام الحاسوب بالكامل ويحتاج إلى إعادة تشغيل . أحيانًا، تقوم البرامج بتغيير الذاكرة التي تستخدمها برامج أخرى عمدًا. تفعل ذلك الفيروسات والبرامج الضارة للسيطرة على أجهزة الحاسوب. وقد تستخدمها أيضًا برامج أخرى، مثل برامج تصحيح الأخطاء ، بشكل غير ضار، وذلك لإضافة نقاط توقف أو نقاط ربط.