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记忆体秘密档案
 

【作者: 黃俊義】2003年11月05日 星期三

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从很多角度来看记忆体元件或记忆装置这种东西,不难发现其特殊性,它是逻辑元件与感测元件之间的一种媒介,所以必须具有随机存取的记忆功能(Random Access Memory) ,才能支援系统间各种运算与处理的作业;但是当作业完成后,还要具有写入储存的功能(Storage Device),以便把结果记录起来,并作为下一次处理的依据,所以从长远动态的时间性来看,储存装置仍是另一类型态的随机存取媒介。


如果把记忆体分成挥发性与非挥发性两种,固然运算处理中的系统,并不需要太考虑断电时记忆是否挥发掉,而必须以处理的速度与容量为主要考量。但是当运作中的资料越来越庞大,越来越复杂时,非挥发性的记忆体毋宁更能发挥关键性的力量,例如被视为明日之星的「串流媒体」(Streaming Media)与「网格运算」(Grid Computing)技术,都应该以非挥发性记忆体来运用,才能达到较好的搭配效果,而限于目前随机存取记忆体以非挥发性为主,因此这些应用大多以软体技术来解决。


不过,记忆体的中介性质,从容许断电时挥发或不挥发、暂存或不暂存,甚至唯读或不唯读,也更为确认其应扮演的中间性角色。对于已经消失或挥发掉的记忆或资料而言,那些无法挽回的纪录都将成为永远的秘密,但是从记忆体辗转相依的动态行为中,记忆体的技术与发展,本身就是一个蕴藏无限可能的秘密。以下,笔者将以秘密档案的陈列方式,来介绍记忆体的特殊性、媒介性与功能作用,同时也希望据此对照出记忆体未来可发展的方向。


档案一:通用且单纯的关键性零组件

由于记忆体的中介性质,故所发展的出来的各类装置元件,多能通用于不同系统之间。在市场上,记忆体甚至是少数得以浮动价格来买卖的通用商品,就像黄金、玉米或石油一样。记忆体业者的产销结构与库存控制,则直接影响价格的利率波动,因此,记忆体是典型的资本密集与技术密集的产业。


相对于记忆体这种系统中不可或缺的关键零组件,例如,逻辑元件或感测元件,都是相当专用而复杂的元件,某些状况甚至只有一时一地的功用,市场范围与寿命明显小很多。其它如电源控制的元件,则是小量多样化的产品,更需要专业性的整合能力,虽然产品寿命周期较长,但彼此间的替代性很高,业者很难把市场做大,电源元件也不能说是一种关键性的零组件。


我们相信记忆体在随着系统整合的应用趋势下,如(图一)所示,通用与单纯化的走向将越来越明显。以半导体为主要制程的记忆体元件,则将是这一波轻薄短小系统的最大受益者,这就是记忆体的第一个秘密档案。


《图一 内存的系统整合环境》
《图一 内存的系统整合环境》

档案二:数位与类比并存的模式

纪录或储存资料的方式并不一定都是数位化的,过去的胶片(Film)、卡带、唱盘或CD唱片都是以类比模式来储存。现在是数位储存当道的时候,类比资讯纷纷争先恐后的进行数位化的工作,然而数位式记忆储存也有其致命的缺点,主要是档案一有破损就完全无用,不像类比式还可以从片段中补救或窥其梗概;另外,数位档案也欠缺防伪的能力,复制之后固然完美无暇,但也无法辨别孰为真品,孰为复制品,这将造成许多难以预知的混乱。


当电子技术持续发展之后,微小化(奈米化)的元件将使类比讯号可以直接储存在半导体中;同样,类比的记忆储存,也可以内藏数位的资料程式在其中,犹如生物的DNA密码,便是一典型的数位与类比并存的模式,我们能够轻易取得DNA样本,但复制同样DNA的生物却必须透过重新培养与成长。


另外,在纯光学或电磁上的储存方式也是相当重要的,因为这样就不需要透过串流媒体技术的麻烦手续,直接就可以做即时的传讯,不必因为编码、解码而浪费计算资源,更不必因为频宽的问题而造成QoS的难以控制,这就是数位与类比必须并存的道理,也是记忆体发展的第二个秘密档案。


档案三:主动与被动皆可的元件

以单纯的资料存取来说,记忆体似乎可以界定为一种被动的元件。但这毕竟是静态的记忆方式,很多方面不符合自然的现象,以及人们作业上的需求。有时候,我们应该让记忆体直接引发新的作用,例如在某一时间或配合某种环境来呈现相关的资料,这听起来好像很不可思议,但只要配合数位与类比记忆的并存发展,就很容易了解与实现。


从某一个角度来看,记忆体可能以随机方式、先进先出方式或后进先出方式来存取,这样便可以说具有主动的功能。如果以记忆体为主来思考,可以将类似SAN(储存区域网路)的架构设计在记忆体元件当中,而其中就牵涉许多内部记忆的处理,所纪录的资料早就经过复杂的推衍运用,这样的记忆体当然既是被动元件,也是一种主动元件。


再者,如果记忆体能作类比式的发展,也就能自己产生逻辑驱动或感测分析的力量,相对于应用者而言,就可以做更多元复杂的设计,例如接收到某种讯号后,便使电流转向,进而影响相关作业的改变。这些是在未来记忆体发展上可着力的功夫,也是记忆体第三个秘密档案。


档案四:逻辑与感测交互的应用

从广义的角度来看记忆作用,讯号的有无、增减、强弱、排列与传输,无不是以动态暂存的形式来进行。换句话说,逻辑与感测本身就是一种「动态的记忆」,而记忆本身就会推动讯号的发射、转换与连接,逻辑与感测只是一种记忆上「承先启后」、「继往开来」的作用。


因此,不论是逻辑元件或感测元件,都是已经设计好的记忆模式或行为模式;记忆体元件则是储存已变化或变化中的资讯质量或程式作用,当然也容许未来做进一步的抹除与更改,其中隐含逻辑与感测的能力更是无庸置疑。记忆体做成逻辑元件来使用已有先例,如FPGA的可程式化逻辑晶片,便是应用记忆体的原理,将新的逻辑电路储存到记忆体中,再加上特殊的I/O设计,便成为一颗不折不扣的逻辑元件。


至于记忆体变成感测元件的应用,也可以如FPGA的观念来如法泡制,我们可以储存类比电路到记忆体中,再加上特殊的I/O设计,这样便可以产生新的感测元件,但目前并没有看到厂商尝试这样的方法。然而,如果要让记忆体达到固定的逻辑或感测功能,乃至于为了将目前的逻辑与感测状态保存起来,非挥发性的记忆体材料则是必要的选择,这便是记忆体的第四个秘密档案。


档案五:挥发与不挥发的转换

谈到挥发性与非挥发性记忆体,其主要在断电时的记忆是否保存,或有没有必要保存。从人性的观点来看,当然以非挥发性的为好,至少它可以避免因为断电而造成的风险,特别是当运作中的资料越来越庞大,也越来越复杂时,更是如此。但在经济效益上的评估就不见得是这样子,也许加强不断电系统的支援更为妥当有效。


另外,从记忆体扩充性的应用来看,那么以非挥发性记忆体组成的RAM与储存装置便可以做机动性的统合应用,例如随着不同的应用程式来规划RAM的大小与额外的储存空间,程式大的、暂存计算需求多的,便自动扩增RAM的容量,并减少其它储存空间。


再者,当记忆体必须权充为逻辑元件或感测元件使用时,则使用非挥发性记忆体材料才能做有效的应用。不过这方面还必须做一些特殊的搭配设计,不大可能要把存取资料为主的记忆体,说变就变成不同的功能。


在某些状况下,我们也可能不希望在重新启动系统时,还留有过去残余的资料,否则反而增添不必要的困扰,因此挥发性的记忆体材料也具有「不可抹灭」的功能。总之,不管挥发或非挥发性记忆体,只要适时适处去应用就会有意义。


当我们因为非挥发性记忆体材料的开发而增添数种应用功能时,是否想过制造另一种「半挥发性」的记忆体材料除了可以让挥发与非挥发性记忆体做自由的转换外,这种半挥发性的记忆体材料还可能延伸更多意想不道的作用;就如一般材料在电能传输上可分为导体与非导体(绝缘体),但开发出「半导体」之后,它的应用范围就可大了,如今更成为一个不得了的产业。在挥发与非挥发性记忆体之间的半挥发性记忆体,此为记忆体的第五个秘密档案。


结语

以上五个记忆体的秘密档案,当资料或观念呈现在读者面前时就不是秘密了;但是当它以各种可能而挥发掉之后,就成为不知身藏何处的秘密档案。不过我们也可更加肯定记忆体的特殊性与中介性的本质,它可以什么都是,也可以什么都不是;它可以是一种被动的存取元件,也可以是一种主动的处理元件;它可以是数位的,也可以是类比的存在;它可以是逻辑的应用,也可以是感测的应用;它可以是一种挥发性的材料,也可以是一种非挥发性的材料。总之,记忆的方法与作用,本身还有许多不为人知的秘密,业者可以发挥的空间更是无穷,本篇提供业者实务运作之外,以及创新发展之时的参考。


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