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記憶體秘密檔案
 

【作者: 黃俊義】   2003年11月05日 星期三

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從很多角度來看記憶體元件或記憶裝置這種東西,不難發現其特殊性,它是邏輯元件與感測元件之間的一種媒介,所以必須具有隨機存取的記憶功能(Random Access Memory),才能支援系統間各種運算與處理的作業;但是當作業完成後,還要具有寫入儲存的功能(Storage Device),以便把結果記錄起來,並作為下一次處理的依據,所以從長遠動態的時間性來看,儲存裝置仍是另一類型態的隨機存取媒介。


如果把記憶體分成揮發性與非揮發性兩種,固然運算處理中的系統,並不需要太考慮斷電時記憶是否揮發掉,而必須以處理的速度與容量為主要考量。但是當運作中的資料越來越龐大,越來越複雜時,非揮發性的記憶體毋寧更能發揮關鍵性的力量,例如被視為明日之星的「串流媒體」(Streaming Media)與「網格運算」(Grid Computing)技術,都應該以非揮發性記憶體來運用,才能達到較好的搭配效果,而限於目前隨機存取記憶體以非揮發性為主,因此這些應用大多以軟體技術來解決。


不過,記憶體的中介性質,從容許斷電時揮發或不揮發、暫存或不暫存,甚至唯讀或不唯讀,也更為確認其應扮演的中間性角色。對於已經消失或揮發掉的記憶或資料而言,那些無法挽回的紀錄都將成為永遠的秘密,但是從記憶體輾轉相依的動態行為中,記憶體的技術與發展,本身就是一個蘊藏無限可能的秘密。以下,筆者將以秘密檔案的陳列方式,來介紹記憶體的特殊性、媒介性與功能作用,同時也希望據此對照出記憶體未來可發展的方向。


檔案一:通用且單純的關鍵性零組件

由於記憶體的中介性質,故所發展的出來的各類裝置元件,多能通用於不同系統之間。在市場上,記憶體甚至是少數得以浮動價格來買賣的通用商品,就像黃金、玉米或石油一樣。記憶體業者的產銷結構與庫存控制,則直接影響價格的利率波動,因此,記憶體是典型的資本密集與技術密集的產業。


相對於記憶體這種系統中不可或缺的關鍵零組件,例如,邏輯元件或感測元件,都是相當專用而複雜的元件,某些狀況甚至只有一時一地的功用,市場範圍與壽命明顯小很多。其它如電源控制的元件,則是小量多樣化的產品,更需要專業性的整合能力,雖然產品壽命週期較長,但彼此間的替代性很高,業者很難把市場做大,電源元件也不能說是一種關鍵性的零組件。


我們相信記憶體在隨著系統整合的應用趨勢下,如(圖一)所示,通用與單純化的走向將越來越明顯。以半導體為主要製程的記憶體元件,則將是這一波輕薄短小系統的最大受益者,這就是記憶體的第一個秘密檔案。


《圖一 記憶體的系統整合環境》
《圖一 記憶體的系統整合環境》

檔案二:數位與類比並存的模式

紀錄或儲存資料的方式並不一定都是數位化的,過去的膠片(Film)、卡帶、唱盤或CD唱片都是以類比模式來儲存。現在是數位儲存當道的時候,類比資訊紛紛爭先恐後的進行數位化的工作,然而數位式記憶儲存也有其致命的缺點,主要是檔案一有破損就完全無用,不像類比式還可以從片段中補救或窺其梗概;另外,數位檔案也欠缺防偽的能力,複製之後固然完美無暇,但也無法辨別孰為真品,孰為複製品,這將造成許多難以預知的混亂。


當電子技術持續發展之後,微小化(奈米化)的元件將使類比訊號可以直接儲存在半導體中;同樣,類比的記憶儲存,也可以內藏數位的資料程式在其中,猶如生物的DNA密碼,便是一典型的數位與類比並存的模式,我們能夠輕易取得DNA樣本,但複製同樣DNA的生物卻必須透過重新培養與成長。


另外,在純光學或電磁上的儲存方式也是相當重要的,因為這樣就不需要透過串流媒體技術的麻煩手續,直接就可以做即時的傳訊,不必因為編碼、解碼而浪費計算資源,更不必因為頻寬的問題而造成QoS的難以控制,這就是數位與類比必須並存的道理,也是記憶體發展的第二個秘密檔案。


檔案三:主動與被動皆可的元件

以單純的資料存取來說,記憶體似乎可以界定為一種被動的元件。但這畢竟是靜態的記憶方式,很多方面不符合自然的現象,以及人們作業上的需求。有時候,我們應該讓記憶體直接引發新的作用,例如在某一時間或配合某種環境來呈現相關的資料,這聽起來好像很不可思議,但只要配合數位與類比記憶的並存發展,就很容易了解與實現。


從某一個角度來看,記憶體可能以隨機方式、先進先出方式或後進先出方式來存取,這樣便可以說具有主動的功能。如果以記憶體為主來思考,可以將類似SAN(儲存區域網路)的架構設計在記憶體元件當中,而其中就牽涉許多內部記憶的處理,所紀錄的資料早就經過複雜的推衍運用,這樣的記憶體當然既是被動元件,也是一種主動元件。


再者,如果記憶體能作類比式的發展,也就能自己產生邏輯驅動或感測分析的力量,相對於應用者而言,就可以做更多元複雜的設計,例如接收到某種訊號後,便使電流轉向,進而影響相關作業的改變。這些是在未來記憶體發展上可著力的功夫,也是記憶體第三個秘密檔案。


檔案四:邏輯與感測交互的應用

從廣義的角度來看記憶作用,訊號的有無、增減、強弱、排列與傳輸,無不是以動態暫存的形式來進行。換句話說,邏輯與感測本身就是一種「動態的記憶」,而記憶本身就會推動訊號的發射、轉換與連接,邏輯與感測只是一種記憶上「承先啟後」、「繼往開來」的作用。


因此,不論是邏輯元件或感測元件,都是已經設計好的記憶模式或行為模式;記憶體元件則是儲存已變化或變化中的資訊質量或程式作用,當然也容許未來做進一步的抹除與更改,其中隱含邏輯與感測的能力更是無庸置疑。記憶體做成邏輯元件來使用已有先例,如FPGA的可程式化邏輯晶片,便是應用記憶體的原理,將新的邏輯電路儲存到記憶體中,再加上特殊的I/O設計,便成為一顆不折不扣的邏輯元件。


至於記憶體變成感測元件的應用,也可以如FPGA的觀念來如法泡製,我們可以儲存類比電路到記憶體中,再加上特殊的I/O設計,這樣便可以產生新的感測元件,但目前並沒有看到廠商嘗試這樣的方法。然而,如果要讓記憶體達到固定的邏輯或感測功能,乃至於為了將目前的邏輯與感測狀態保存起來,非揮發性的記憶體材料則是必要的選擇,這便是記憶體的第四個秘密檔案。


檔案五:揮發與不揮發的轉換

談到揮發性與非揮發性記憶體,其主要在斷電時的記憶是否保存,或有沒有必要保存。從人性的觀點來看,當然以非揮發性的為好,至少它可以避免因為斷電而造成的風險,特別是當運作中的資料越來越龐大,也越來越複雜時,更是如此。但在經濟效益上的評估就不見得是這樣子,也許加強不斷電系統的支援更為妥當有效。


另外,從記憶體擴充性的應用來看,那麼以非揮發性記憶體組成的RAM與儲存裝置便可以做機動性的統合應用,例如隨著不同的應用程式來規劃RAM的大小與額外的儲存空間,程式大的、暫存計算需求多的,便自動擴增RAM的容量,並減少其它儲存空間。


再者,當記憶體必須權充為邏輯元件或感測元件使用時,則使用非揮發性記憶體材料才能做有效的應用。不過這方面還必須做一些特殊的搭配設計,不大可能要把存取資料為主的記憶體,說變就變成不同的功能。


在某些狀況下,我們也可能不希望在重新啟動系統時,還留有過去殘餘的資料,否則反而增添不必要的困擾,因此揮發性的記憶體材料也具有「不可抹滅」的功能。總之,不管揮發或非揮發性記憶體,只要適時適處去應用就會有意義。


當我們因為非揮發性記憶體材料的開發而增添數種應用功能時,是否想過製造另一種「半揮發性」的記憶體材料除了可以讓揮發與非揮發性記憶體做自由的轉換外,這種半揮發性的記憶體材料還可能延伸更多意想不道的作用;就如一般材料在電能傳輸上可分為導體與非導體(絕緣體),但開發出「半導體」之後,它的應用範圍就可大了,如今更成為一個不得了的產業。在揮發與非揮發性記憶體之間的半揮發性記憶體,此為記憶體的第五個秘密檔案。


結語

以上五個記憶體的秘密檔案,當資料或觀念呈現在讀者面前時就不是秘密了;但是當它以各種可能而揮發掉之後,就成為不知身藏何處的秘密檔案。不過我們也可更加肯定記憶體的特殊性與中介性的本質,它可以什麼都是,也可以什麼都不是;它可以是一種被動的存取元件,也可以是一種主動的處理元件;它可以是數位的,也可以是類比的存在;它可以是邏輯的應用,也可以是感測的應用;它可以是一種揮發性的材料,也可以是一種非揮發性的材料。總之,記憶的方法與作用,本身還有許多不為人知的秘密,業者可以發揮的空間更是無窮,本篇提供業者實務運作之外,以及創新發展之時的參考。


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