چگونه طراحان سیستم با ایجاد تعادل بین SRAM، DRAM و حافظه فلش NAND از افت سرعت پردازش جلوگیری می‌کنند

طراحان سیستمی که نسل بعدی پردازنده‌ها را طراحی می‌کنند، با محدودیت شدید فضای سیلیکونی روبه‌رو هستند. آن‌ها دقیقاً تصمیم می‌گیرند که چه مقدار فضا به حافظه پنهان روی تراشه، حافظه خارجی و ذخیره‌سازی دائمی اختصاص یابد تا بین سرعت پردازش و هزینه تولید تعادل ایجاد کنند.

فرصت بعدی آن‌ها برای تغییر این تعادل با ورود فناوری ساخت ۲ نانومتری فرا می‌رسد که نیازمند محاسبه مجدد این است که چه مقدار حافظه سریع می‌تواند از نظر فیزیکی روی یک تراشه واحد جای بگیرد. هر میلی‌متر از سیلیکون که به ذخیره‌سازی اختصاص می‌یابد، یک میلی‌متر از هسته‌های پردازشی کم می‌کند؛ موضوعی که سلسله‌مراتب حافظه را به یکی از بحث‌برانگیزترین جنبه‌های طراحی تراشه‌های مدرن تبدیل کرده است.[5]

برای هر کسی که در حال پیکربندی یک سرور، اسمبل کردن یک ورک‌استیشن یا صرفاً درک دلیل کندی یک دستگاه است، نکته کاربردی بسیار ساده است. خریداران باید برای کارهای حساس به تأخیر مانند گیمینگ یا معاملات فرکانس بالا، حافظه پنهان روی تراشه (SRAM) را در اولویت قرار دهند؛ برای مجموعه داده‌های بزرگ و مجازی‌سازی، حافظه اصلی (DRAM) را به حداکثر برسانند؛ و برای ظرفیت انبوه، صرفاً به فضای ذخیره‌سازی NVMe (فلش NAND) تکیه کنند.

درک نحوه تعامل این سه نوع حافظه مجزا نشان می‌دهد که چرا صرفاً اضافه کردن یک هارد دیسک بزرگ‌تر، به‌ندرت مشکل سیستمی را که از اساس کند است، حل می‌کند.[5]

سلسله‌مراتب حافظه به این دلیل وجود دارد که هیچ فناوری نیمه‌هادی واحدی نمی‌تواند هم‌زمان سریع، متراکم و ارزان باشد. یک پردازنده مدرن با سرعت میلیاردها چرخه در ثانیه کار می‌کند و برای پر نگه داشتن مسیرهای اجرایی خود، به داده‌ها به‌صورت لحظه‌ای نیاز دارد. اگر پردازنده منتظر رسیدن داده‌ها بماند، پردازش کاملاً متوقف می‌شود.

برای جلوگیری از این افت سرعت، طراحان انواع حافظه را لایه‌بندی می‌کنند؛ سریع‌ترین و گران‌ترین حافظه را در نزدیک‌ترین فاصله به هسته‌های پردازنده و کندترین و ارزان‌ترین حافظه را در دورترین فاصله قرار می‌دهند. همان‌طور که در برنامه درسی OpenCourseWare دانشگاه ام‌آی‌تی اشاره شده است، این ساختار تضمین می‌کند که سیستم با سرعتِ سریع‌ترین حافظه کار کند، در حالی که ظرفیتِ ارزان‌ترین حافظه را نیز ارائه می‌دهد.[2][3]

حافظه دسترسی تصادفی ایستا (SRAM) در بالاترین نقطه این سلسله‌مراتب قرار دارد. SRAM که مستقیماً در قالب حافظه پنهان L1، L2 و L3 درون تراشه پردازنده ساخته می‌شود، از یک مدار فلیپ‌فلاپ پیچیده استفاده می‌کند (که معمولاً به شش ترانزیستور مجزا برای هر بیت نیاز دارد) تا داده‌ها را بدون نیاز به تازه‌سازی مداوم الکتریکی نگه دارد.

این طراحی پایدار و همیشه آماده، به SRAM اجازه می‌دهد تا داده‌ها را در یک تا دو نانوثانیه تحویل دهد که کاملاً با سرعت کلاک فوق‌العاده بالای پردازنده مطابقت دارد. وقتی پردازنده فوراً به یک دستورالعمل نیاز دارد، SRAM تنها فناوری قادر به ارائه آن بدون ایجاد تأخیر است.[2]

با این حال، این طراحی شش ترانزیستوری فضای فیزیکی عظیمی را روی ویفر سیلیکونی اشغال می‌کند. SRAM فوق‌العاده سریع است، اما تراکم بسیار پایینی دارد و تولید آن در مقیاس انبوه به‌شدت گران تمام می‌شود.

یک پردازنده دسکتاپ مدرن ممکن است تنها ۳۲ تا ۹۶ مگابایت حافظه پنهان L3 داشته باشد، اما همین ظرفیت ناچیز می‌تواند بیش از نیمی از مساحت کل تراشه را اشغال کند. گسترش بیشتر ظرفیت SRAM نیازمند بزرگ‌تر کردن فیزیکی کل پردازنده است که این امر تعداد تراشه‌های تولیدی در هر ویفر را به‌شدت کاهش داده و هزینه‌های مصرف‌کننده را به سطوح غیرقابل‌تحملی می‌رساند.[1]

وقتی پردازنده نمی‌تواند داده‌های مورد نیاز خود را در حافظه پنهان SRAM پیدا کند (وضعیتی که به عنوان نقص حافظه پنهان شناخته می‌شود)، به سراغ حافظه اصلی می‌رود که با استفاده از حافظه دسترسی تصادفی پویا (DRAM) ساخته شده است. بر اساس گزارش شبکه تحقیقاتی SPEAR ITN، حافظه DRAM با جفت کردن یک ترانزیستور دسترسی منفرد با یک خازن ذخیره‌سازی منفرد، جایگزینی «پرتراکم و کم‌هزینه» ارائه می‌دهد.

از آنجا که این حافظه به جای شش ترانزیستور تنها به یک ترانزیستور در هر بیت نیاز دارد، تولیدکنندگان می‌توانند حافظه بسیار بیشتری را در همان فضای فیزیکی جای دهند و به یک کامپیوتر دسکتاپ استاندارد اجازه دهند تا ۳۲ تا ۶۴ گیگابایت ظرفیت را با قیمتی مقرون‌به‌صرفه در خود جای دهد.[3]

بهای این تراکم بالا، افت شدید در تأخیر است. از آنجا که خازن‌های میکروسکوپی بار الکتریکی را نشت می‌دهند، DRAM باید هزاران بار در ثانیه به‌طور مداوم تازه‌سازی شود تا فقط داده‌های خود را حفظ کند.

این چرخه تازه‌سازی مداوم، همراه با فاصله فیزیکی که سیگنال باید از سوکت پردازنده تا اسلات‌های حافظه مادربرد طی کند، تأخیر دسترسی DRAM را به ۵۰ تا ۱۰۰ نانوثانیه می‌رساند. این حافظه تقریباً ۵۰ برابر کندتر از SRAM است و پردازنده را مجبور می‌کند تا صدها چرخه کلاک را در حالت بیکار بماند و منتظر رسیدن داده‌های درخواستی باشد.[2][3]

هر دو حافظه SRAM و DRAM یک محدودیت اساسی مشترک دارند که مانع از استفاده آن‌ها به عنوان فضای ذخیره‌سازی دائمی می‌شود: آن‌ها کاملاً فرار هستند. به محض قطع شدن منبع تغذیه، فلیپ‌فلاپ‌ها بازنشانی شده و خازن‌ها تخلیه می‌شوند و تمام داده‌های ذخیره‌شده فوراً پاک می‌گردند. برای حفظ سیستم‌عامل، برنامه‌ها و فایل‌های کاربر هنگام خاموش شدن دستگاه، سیستم به یک راه‌حل غیرفرار در پایه این سلسله‌مراتب نیاز دارد. بدون این پایه دائمی، کامپیوتر مجبور است با هر بار روشن شدن، سیستم‌عامل خود را از ابتدا نصب کند.[1]

حافظه فلش NAND این نقش ذخیره‌سازی دائمی را پر می‌کند و به عنوان پایه و اساس درایوهای حالت جامد (SSD) مدرن، فلش درایوهای USB و حافظه دستگاه‌های موبایل عمل می‌کند. برخلاف رم‌های فرار، فلش NAND از ترانزیستورهای تخصصی گیت شناور یا تله بار استفاده می‌کند که الکترون‌ها را به‌طور فیزیکی درون یک لایه نیمه‌هادی ایزوله به دام می‌اندازند تا داده‌های باینری را نشان دهند.

از آنجا که این الکترون‌ها حتی در صورت قطع کامل جریان الکتریکی به‌طور ایمن در دام باقی می‌مانند، فلش NAND وضعیت خود را تا مدت نامحدودی حفظ می‌کند و فضای ذخیره‌سازی پایدار و قابل‌اعتمادی را که برای ایمن نگه داشتن داده‌ها در طول چرخه‌های قطع برق و راه‌اندازی مجدد سیستم لازم است، فراهم می‌کند.[1]

تولیدکنندگان با روی هم چیدن عمودی این سلول‌های حافظه در ساختارهای پیچیده سه‌بعدی (که گاهی ارتفاع آن‌ها به بیش از ۲۰۰ لایه می‌رسد)، به تراکم داده عظیمی دست می‌یابند و اجازه می‌دهند چندین ترابایت فضای ذخیره‌سازی در درایوی به اندازه یک آدامس خرسی جای بگیرد. بهای اجتناب‌ناپذیر این تراکم، سرعت است.

دسترسی به داده‌ها در فلش NAND ده‌ها میکروثانیه طول می‌کشد که آن را هزاران بار کندتر از DRAM و میلیون‌ها بار کندتر از SRAM می‌کند. اگر پردازنده بخواهد برنامه‌ای را مستقیماً از روی فلش NAND اجرا کند، سیستم در حین انتظار برای داده‌ها کاملاً متوقف خواهد شد.[1][4]

کنترلر حافظه سیستم به عنوان هدایت‌کننده ترافیک پرسرعت در سراسر این سلسله‌مراتب عمل می‌کند. این کنترلر از الگوریتم‌های پیچیده‌ای برای پیش‌بینی داده‌های بعدی مورد نیاز پردازنده استفاده می‌کند؛ داده‌ها را از فلش کند NAND بیرون می‌کشد، در حافظه جادار DRAM بارگذاری می‌کند و در نهایت، تنها چند میلی‌ثانیه قبل از درخواست واقعی پردازنده، آن‌ها را در حافظه پنهان فوق‌سریع SRAM قرار می‌دهد. وقتی این پیش‌خوانیِ پیش‌بینانه به‌درستی کار کند، کاربر سرعت لحظه‌ای SRAM را در ترکیب با ظرفیت عظیم و پایدار فلش NAND تجربه می‌کند.[2][3]

محققان به‌طور فعال در حال توسعه فناوری‌های نوظهور حافظه غیرفرار (NVM) مانند رم مقاومت مغناطیسی (MRAM) و حافظه تغییر فاز (PCM) هستند تا شکاف عملکردی عظیم بین سرعت DRAM و پایداری NAND را پر کنند.

با این حال، تحلیل سال ۲۰۲۰ پلتفرم ریسرچ‌گیت از تراشه‌های حافظه نوظهور نشان می‌دهد که اگرچه این گزینه‌های غیرفرار جدید وجود دارند، اما هنوز برای رسیدن به تراکم و مقرون‌به‌صرفه بودن NAND سنتی با چالش‌های قابل‌توجهی روبه‌رو هستند. تا زمانی که تکنیک‌های تولید به‌طور چشمگیری بهبود نیابند، این جایگزین‌ها به جای لوازم الکترونیکی مصرفی جریان اصلی، محدود به کاربردهای صنعتی خاص و سرورهای سازمانی تخصصی باقی می‌مانند.[4]

تا زمانی که یک فناوری حافظه جهانی آن‌قدر بالغ شود که بتواند هم‌زمان جایگزین هر سه سطح شود، این تقسیم کار دقیق همچنان پایه و اساس مهندسی کامپیوتر باقی خواهد ماند. طراحان سیستم به ایجاد تعادل بین سرعت فوق‌العاده SRAM، ظرفیت مقرون‌به‌صرفه DRAM و تراکم پایدار فلش NAND ادامه خواهند داد تا پردازنده‌ها را تغذیه کرده و داده‌ها را ایمن نگه دارند. دستاوردهای عملکردی در دهه آینده، به همان اندازه که به افزایش سرعت خام خود پردازنده بستگی دارد، به مدیریت ترافیک بین این انواع حافظه نیز وابسته خواهد بود.[5]