ประวัติศาสตร์ RAM: ที่มา การสร้าง การใช้งาน และรุ่นต่าง ๆ ตั้งแต่แกนแม่เหล็กถึง DDR5

ทุกครั้งที่คุณเปิดโปรแกรม เปิดเว็บหลายแท็บ หรือเล่นเกม ระบบจะต้องเก็บข้อมูลชั่วคราวไว้ที่หน่วยความจำ เมื่อโปรแกรมทำงานเสร็จหรือเครื่องถูกปิด ข้อมูลส่วนนั้นจะหายไป หน่วยความจำชนิดนี้คือ RAM (Random Access Memory) ซึ่งเป็นหนึ่งในส่วนประกอบที่กำหนดความลื่นไหลของคอมพิวเตอร์มาตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน บทความนี้เล่าว่า RAM เริ่มต้นอย่างไร ทำงานอย่างไร ถูกพัฒนาเป็นรุ่นต่าง ๆ ได้อย่างไร และควรเลือกใช้แบบไหนในงานจริง

RAM คืออะไร และต่างจากพื้นที่เก็บข้อมูลอย่างไร

RAM คือหน่วยความจำที่ซีพียูอ่านและเขียนได้โดยตรงและรวดเร็ว ไม่ว่าข้อมูลจะอยู่ที่ตำแหน่งใดในหน่วยความจำ เวลาที่ใช้ในการเข้าถึงแทบเท่ากัน คำว่า "Random Access" หมายถึงความสามารถนี้ ตรงข้ามกับเทปแม่เหล็กที่ต้องหมุนไปหาตำแหน่งที่ต้องการทีละส่วน

ควรแยก RAM ออกจากพื้นที่เก็บข้อมูล (Storage) เช่น ฮาร์ดดิสก์หรือ SSD RAM เร็วกว่ามากแต่เก็บข้อมูลได้เฉพาะตอนมีไฟ ส่วน Storage ช้ากว่าแต่เก็บข้อมูลถาวร เปรียบได้ว่า RAM คือโต๊ะทำงาน ที่ให้วางงานที่กำลังทำได้มาก ส่วน Storage คือตู้เอกสาร ที่เก็บของไว้ได้นานแต่หยิบออกมาช้ากว่า

ยุคแรก: หลอดรังสี หน่วงเวลาด้วยปรอท และแกนแม่เหล็ก

ก่อนจะมีชิปหน่วยความจำ คอมพิวเตอร์ยุคแรกต้องคิดวิธีเก็บข้อมูลด้วยกลไกอื่น ในปี 1948 เครื่อง Small-Scale Experimental Machine ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ใช้ Williams tube ซึ่งเป็นหลอดรังสีแคโทดที่เก็บบิตเป็นจุดประจุบนจอ หน่วยความจำแบบนี้เร็วแต่ไม่เสถียร เพราะประจุจะจางและต้องรีเฟรชอยู่เสมอ

อีกวิธีหนึ่งคือ Mercury delay line ซึ่งส่งสัญญาณผ่านท่อปรอท ข้อมูลจะวนซ้ำไปเรื่อย ๆ จนกว่าจะถูกอ่าน เครื่องอย่าง EDSAC ในอังกฤษและ UNIVAC ในสหรัฐอเมริกาใช้วิธีนี้ แต่การรอให้ข้อมูลวนกลับมาทำให้การเข้าถึงช้า

วิธีที่ได้รับความนิยมที่สุดคือหน่วยความจำแกนแม่เหล็ก (Magnetic core memory) พัฒนาขึ้นที่ MIT ในช่วงต้นทศวรรษ 1950 สำหรับเครื่อง Whirlwind โดยมี Jay Forrester เป็นหัวหน้าทีม หน่วยความจำประกอบด้วยวงแหวนเฟอร์ไรต์ขนาดเล็กนับพันวงที่ร้อยด้วยสายไฟ แต่ละวงเก็บหนึ่งบิตโดยสนามแม่เหล็กหมุนไปทางซ้ายหรือขวา ข้อดีคือไม่ลบข้อมูลเมื่อไฟดับ ซึ่งเป็นเหตุผลที่แกนแม่เหล็กถูกใช้ต่อมาอีกหลายสิบปี แม้ว่าการผลิตจะต้องใช้แรงงานประณีตและมีต้นทุนสูง คำว่า "core" ยังติดปากคนเทคนิคมาจนปัจจุบัน ทั้งที่ไม่มีแกนแม่เหล็กอยู่ในคอมพิวเตอร์แล้ว

จากทรานซิสเตอร์สู่ชิป DRAM

เมื่อทรานซิสเตอร์และวงจรรวมเริ่มแพร่หลายในทศวรรษ 1960 ความคิดที่จะเก็บข้อมูลบนชิปซิลิคอนก็ตามมา ในปี 1966 Robert Dennard ที่ IBM คิดแนวคิด DRAM (Dynamic RAM) ขึ้น โดยเก็บแต่ละบิตเป็นประจุในตัวเก็บประจุขนาดเล็กคู่กับทรานซิสเตอร์หนึ่งตัว วิธีนี้ประหยัดพื้นที่มาก แต่ประจุจะรั่วไหลไปเรื่อย ๆ จึงต้องรีเฟรชข้อมูลเป็นระยะ ซึ่งเป็นที่มาของคำว่า "Dynamic"

ชิป DRAM ตัวแรกที่วางขายจริงคือ Intel 1103 ออกในปี 1970 ความจุ 1 กิโลบิต ราคาและความน่าเชื่อถือดีขึ้นจนแกนแม่เหล็กเริ่มถูกแทนที่ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 บริษัทอย่าง Mostek ก็ตามมาด้วยชิปที่ความจุสูงขึ้น เช่น MK4096 ขนาด 4 กิโลบิต ในปี 1973 และ MK4116 ขนาด 16 กิโลบิต ในปี 1977 ซึ่งกลายเป็นชิปมาตรฐานของคอมพิวเตอร์รุ่นแรก ๆ จำนวนมาก

นอกจาก DRAM ยังมี SRAM (Static RAM) ที่ใช้ทรานซิสเตอร์เก็บข้อมูลโดยไม่ต้องรีเฟรช ทำให้เร็วกว่าและใช้ไฟน้อยกว่าเมื่ออยู่ในสถานะคงที่ แต่ใช้ทรานซิสเตอร์มากกว่าต่อบิต จึงแพงและจุได้น้อย SRAM จึงถูกใช้เป็นแคชของซีพียู ส่วน DRAM ถูกใช้เป็นหน่วยความจำหลักของระบบ

ยุคพีซีแรก: จาก 16 กิโลไบต์ถึงหลายเมกะไบต์

IBM PC ในปี 1981 มาพร้อมหน่วยความจำพื้นฐาน 16 หรือ 64 กิโลไบต์ บนเมนบอร์ดที่บัดกรีชิป DRAM ทีละตัว เพราะการขยายความจำในยุคแรกต้องใช้ชิปหลายตัววางเรียงบนบอร์ด ผู้ใช้ที่ต้องการเพิ่มความจุต้องถอดและใส่ชิปด้วยตนเอง

ในช่วงกลางทศวรรษ 1980 เกิดแนวคิดโมดูลที่รวมชิปหลายตัวไว้บนแผงเล็ก ๆ เรียกว่า SIMM (Single In-line Memory Module) รุ่นแรกเป็น 30 ขา ซึ่งทำให้การติดตั้งง่ายขึ้นมาก ต่อมาในกลางทศวรรษ 1990 SIMM 72 ขาเข้ามาแทนที่ โดยมีความกว้างบัส 32 บิต ซึ่งเหมาะกับซีพียูยุค 486 และ Pentium

ยุคนั้นความจุยังน้อย คอมพิวเตอร์ที่มี 4 เมกะไบต์ถือว่าพอใช้ Windows 95 ที่ออกในปี 1995 แนะนำให้มีอย่างน้อย 8 เมกะไบต์ และในทางปฏิบัติหลายเครื่องต้องการมากกว่านั้น นี่คือเหตุผลที่ผู้ใช้ทั่วไปเริ่มให้ความสำคัญกับจำนวน RAM ในเครื่องมากขึ้นเรื่อย ๆ

SDRAM: ทำงานตามสัญญาณนาฬิกา

DRAM รุ่นเดิมทำงานแบบอะซิงโครนัส คือไม่ผูกกับสัญญาณนาฬิกาของเมนบอร์ด ทำให้ซีพียูต้องรอ ในทศวรรษ 1990 เกิด FPM DRAM และ EDO DRAM ที่ปรับปรุงการอ่านให้เร็วขึ้นทีละเล็กน้อย แต่ก้าวสำคัญคือ SDRAM (Synchronous DRAM) ซึ่งผูกการทำงานกับสัญญาณนาฬิกาของระบบ ทำให้คำสั่งอ่านเขียนประสานกับการทำงานของซีพียูได้ดีขึ้น

SDRAM เริ่มเป็นที่รู้จักในต้นทศวรรษ 1990 และกลายเป็นมาตรฐานของโมดูล DIMM 168 ขาในช่วงปี 1997 โดยโมดูลแบบ DIMM ให้บัสข้อมูล 64 บิต ทำให้การขยายหน่วยความจำมีประสิทธิภาพมากกว่ารุ่นก่อน ในช่วงเดียวกัน Rambus ก็พยายามผลักดัน RDRAM ที่ Intel สนับสนุนในบางระยะ แต่ราคาสูงและการผลิตที่จำกัดทำให้ไม่ได้รับความนิยมเท่าที่คาดไว้

DDR และการเปลี่ยนแปลงทุกสองสามปี

Double Data Rate หรือ DDR คือเทคนิคที่ส่งข้อมูลทั้งขอบขาขึ้นและขาลงของสัญญาณนาฬิกา ทำให้ได้อัตราการส่งข้อมูลเป็นสองเท่าของสัญญาณเดิมโดยไม่ต้องเพิ่มความถี่นาฬิกามาก DDR SDRAM เป็นมาตรฐานที่ JEDEC ประกาศในปี 2000 และเริ่มวางขายจริงในปีเดียวกัน โดยใช้แรงดันไฟ 2.5 โวลต์

ตั้งแต่นั้นมา มาตรฐาน DDR ได้เปลี่ยนรุ่นเป็นช่วง ๆ ประมาณทุกห้าถึงเจ็ดปี แต่ละรุ่นลดแรงดันไฟเพื่อประหยัดพลังงานและลดความร้อน และเพิ่มความเร็วในการส่งข้อมูล

โมดูลของแต่ละรุ่นมีรอยบากที่ขอบต่างตำแหน่งกัน ทำให้ใส่ผิดรุ่นไม่ได้โดยทั่วไป นี่เป็นเหตุผลที่ RAM รุ่นหนึ่งจะใช้กับเมนบอร์ดอีกรุ่นไม่ได้ แม้จะดูคล้ายกันมาก

SO-DIMM, ECC และ LPDDR

แล็ปท็อปใช้โมดูลขนาดเล็กที่เรียกว่า SO-DIMM ซึ่งยาวประมาณครึ่งหนึ่งของ DIMM บนเดสก์ท็อป เพื่อให้พอดีกับตัวเครื่องที่บางลง

เซิร์ฟเวอร์และเวิร์กสเตชันที่ต้องการความเสถียรสูงใช้ RAM แบบ ECC (Error-Correcting Code) ซึ่งมีวงจรตรวจจับและแก้ไขบิตที่ผิดพลาดจากรังสีหรือสัญญาณรบกวน ไม่ว่าจะเป็นหน่วยความจำแบบ ECC หรือ Non-ECC ก็ใช้หลักการทำงานพื้นฐานเดียวกัน แต่ ECC มีชิปเพิ่มขึ้นเพื่อเก็บข้อมูลตรวจสอบ

อุปกรณ์พกพาอย่างสมาร์ตโฟนและแท็บเล็ตใช้ LPDDR (Low Power DDR) ซึ่งออกแบบให้ใช้ไฟน้อยที่สุด ทำให้แบตเตอรี่อยู่ได้นานขึ้น และติดตั้งลงบนแพ็กเกจของชิปโดยตรงในหลายกรณี ทำให้เปลี่ยนแยกต่างหากไม่ได้

หน่วยความจำกราฟิกและ HBM

การ์ดจอใช้หน่วยความจำที่ออกแบบมาเพื่อแบนด์วิดท์สูง เรียกว่า GDDR ซึ่งเริ่มจาก GDDR ยุคแรก ๆ และพัฒนาเป็น GDDR5, GDDR6, GDDR6X และ GDDR7 ตามลำดับ GDDR เน้นการส่งข้อมูลจำนวนมากต่อวินาทีมากกว่าความหน่วงต่ำ จึงเหมาะกับงานกราฟิกและการประมวลผลขนาดใหญ่

สำหรับงานปัญญาประดิษฐ์และเซิร์ฟเวอร์ประสิทธิภาพสูง ใช้ HBM (High Bandwidth Memory) ที่ซ้อนชิป DRAM หลายชั้นเป็นสแต็กและเชื่อมต่อกับตัวประมวลผลด้วยบัสกว้างมาก ทำให้ได้แบนด์วิดท์สูงกว่า GDDR ต่อพื้นที่มาก แต่ราคาและความซับซ้อนในการผลิตก็สูงกว่าเช่นกัน

ความจุและความเร็วที่เปลี่ยนไปตามเวลา

ในยุคแรก คอมพิวเตอร์ทั่วไปมีหน่วยความจำเป็นกิโลไบต์ ปัจจุบันคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลทั่วไปมีตั้งแต่ 8 ถึง 32 กิกะไบต์ และเวิร์กสเตชันหรือเซิร์ฟเวอร์อาจมีหลายร้อยกิกะไบต์ ความจุของ DRAM เพิ่มขึ้นตามกฎของการย่อขนาดทรานซิสเตอร์และเทคนิคการซ้อนชั้น แต่การลดขนาดลงทุกวันยากขึ้นและค่าใช้จ่ายสูงขึ้น ทำให้การเพิ่มความจุในแต่ละปีช้าลงกว่าช่วงแรก

ความเร็วที่ผู้ใช้เห็นส่วนใหญ่คือความถี่และเวลาหน่วง (latency) โดยเวลาหน่วงมักบอกด้วยค่า CL หรือเวลาที่ใช้ระหว่างคำสั่งกับข้อมูลพร้อมใช้ ค่า CL ที่ต่ำกว่าที่ความถี่เดียวกันจะให้การตอบสนองที่ดีกว่า ดังนั้นการดูแค่ตัวเลขความถี่อย่างเดียวจึงไม่พอ

RAM ทำงานอย่างไรในระบบ

ซีพียูไม่ได้อ่านข้อมูลจาก RAM ทุกครั้งที่ต้องการ มันมีแคชหลายระดับ (L1, L2, L3) ที่เก็บข้อมูลที่ใช้บ่อยไว้ใกล้ตัวมากกว่า เมื่อข้อมูลที่ต้องการไม่อยู่ในแคช จึงจะไปดึงจาก RAM ซึ่งช้ากว่าแคชหลายเท่า และถ้าข้อมูลไม่อยู่ใน RAM ด้วย ระบบจะใช้ Virtual memory คือส่วนหนึ่งของ Storage มาทำหน้าที่แทนชั่วคราว ซึ่งช้ากว่ามาก หากเครื่องต้องสลับข้อมูลไปมาบ่อย ๆ ก็จะรู้สึกหน่วงทันที

ระบบปฏิบัติการจัดการ RAM โดยแบ่งเป็นหน้า (page) ให้แต่ละโปรแกรม และถ้ารวมกันเกินความจุจริง ระบบจะเขียนบางหน้าลงดิสก์ชั่วคราว นี่คือเหตุผลที่การเปิดโปรแกรมมากเกินไปทำให้เครื่องช้าลง

บริษัทผู้ผลิตและความผันผวนของราคา

ตลาด DRAM ถูกครอบงำโดยผู้ผลิตไม่กี่ราย ได้แก่ Samsung, SK hynix และ Micron ตลาดนี้มีวงจรขึ้นลงของราคาอย่างชัดเจน เมื่อกำลังการผลิตล้นความต้องการ ราคาจะตกอย่างรวดเร็ว และเมื่อความต้องการสูงกว่าการผลิต ราคาก็พุ่งขึ้น นักเล่นคอมพิวเตอร์จึงมักเห็นราคา RAM เปลี่ยนแปลงมากในช่วงเวลาสั้น ๆ

วิธีเลือก RAM ให้เหมาะกับงาน

การเลือก RAM ไม่ควรดูเพียงตัวเลขความจุ แต่ควรดูหลายอย่างประกอบกัน

บทเรียนจากประวัติศาสตร์ RAM

สรุป

จากหลอดรังสีและแกนแม่เหล็กในทศวรรษ 1950 ถึงชิป DDR5 ในปัจจุบัน RAM พัฒนาจากอุปกรณ์ที่ใหญ่และแพงจนกลายเป็นส่วนประกอบมาตรฐานที่เล็ก ถูกลง และเร็วขึ้นมาก การรู้จักโครงสร้างนี้จะช่วยให้คุณเลือกและดูแลเครื่องได้ดีขึ้น และเข้าใจได้ว่าทำไมการเพิ่ม RAM บางครั้งทำให้เครื่องลื่นขึ้นมากกว่าการเปลี่ยนซีพียูเสียอีก