الذاكرة الداخلية

بسم الله الرحمن الرحيم.

بعد أن تحدثنا عن الكاش في المقال السابق، سننهي اليوم موضوعات الذاكرة ليكتمل عندنا فهم واضح لمواضيع الذاكرة عموماً — دون الدخول في الـ External Memory، فهي تفيد أكثر من يتعامل مع العتاد مباشرة أكثر مما تفيد العاملين على البرمجيات.

الذاكرة الداخلية (Internal Memory)

الذاكرة الداخلية تعرف أيضاً بالذاكرة الرئيسية Main Memory:

هي تمثل طبقات الذاكرة الأقرب والأسرع إلى المعالج، وتستخدم لتخزين البيانات والتعليمات التي تكون قيد المعالجة، وتمتاز بقدرتها على الوصول العشوائي السريع أثناء التشغيل. وتشمل المسجلات Registers والكاش Cache وذاكرة RAM وROM.

شكل (1): موقع الذاكرة الداخلية

شكل (2): مكوّنات الذاكرة الداخلية

الذاكرة الرئيسية بأشباه الموصلات (Semiconductor Main Memory)

تشير ذاكرة أشباه الموصلات الرئيسية إلى شرائح الذاكرة الفعلية (مثل شريحة DRAM الخارجية) المستعملة كوحدة ذاكرة رئيسية لنظام التشغيل. وهي ذاكرة مصنوعة بتقنية أشباه الموصلات Semiconductor.

شكل (3): شريحة الذاكرة الرئيسية

قبل البدء: الترانزستور والمكثف

قبل الشرح لا بد أن نعرف الترانزستور والمكثف لفهم ما بعدهما بشكل صحيح. الموضوع خارج عن محورنا لكن نظرة سطحية كافية:

الترانزستور: أحد أهم المكونات الإلكترونية الحديثة:

شكل (4): رمز الترانزستور

وتكمن أهميته في قدرته على أداء وظيفتين رئيسيتين:

1. التضخيم (Amplification): يعمل على تكبير الإشارات الكهربائية الضعيفة (مثل إشارات الصوت في الميكروفون أو إشارات الراديو). هذه الوظيفة لا تهمّنا كثيراً هنا؛ فأهميتها أكبر للعاملين في مجال الاتصالات.
2. التبديل (Switching) — وهذا ما يجب أن نفهمه: يعمل كمفتاح إلكتروني يتحكم في مرور التيار في الدائرة (تشغيل/إيقاف). عند تطبيق جهد صغير على أحد أطرافه (البوابة Gate في MOSFET أو القاعدة Base في BJT) يمرر الترانزستور تياراً كبيراً بين طرفيه الآخرين أو يقطعه. يمكنك التوسع أكثر ومعرفة أنواع الترانزستورات.

المكثف (Capacitor): باختصار وظيفته تخزين الطاقة الكهربائية على شكل شحنة لفترة مؤقتة، والتحكم في تدفق التيار بحسب تردد الإشارة — وكأنه بطارية صغيرة تخزن وتحرر الطاقة لحظياً:

شكل (5): المكثف

الآن نبدأ: ما هي DRAM وSRAM؟

الذاكرة الديناميكية (Dynamic RAM – DRAM): نوع من الذواكر العشوائية الناقلة لأشباه الموصلات Semiconductor RAM، حيث يُخزن كل بت من البيانات في خلية ذاكرة مكونة من ترانزيستور ومكثف:

شكل (6): خلية DRAM

يمكن شحن المكثف أو تفريغه لتمثيل القيمة الثنائية (0 أو 1). لكن هناك مشكلة: الشحنة الكهربائية تتسرب مع مرور الوقت! لذلك يجب إعادة شحنها (Refresh) دورياً للحفاظ على البيانات. ولذلك تعد DRAM ذاكرة متطايرة Volatile تفقد بياناتها عند انقطاع الطاقة.

وبفضل بساطة خلية DRAM — مكثف وترانزيستور فقط — يمكن صناعة مليارات الخلايا على رقاقة واحدة، مما يؤدي إلى كثافة عالية وتكلفة منخفضة لكل بت.

الذاكرة الساكنة (Static RAM – SRAM): تستخدم خلايا ذاكرة تعتمد على دوائر القفل (Flip-Flops) المكونة من 4 إلى 6 ترانزيستورات لتخزين البت:

شكل (7): خلية SRAM

تحافظ خلية SRAM على بياناتها ما دامت الطاقة موصولة دون الحاجة إلى تحديث دوري، ولهذا فهي سريعة جداً بالمقارنة مع DRAM. لكن استخدام عدد كبير من الترانزستورات لكل خلية يعني كثافة أقل وسعراً أغلى. لذلك تستخدم SRAM في تطبيقات الأداء العالي مثل الكاش Cache والمسجلات Registers، بينما تشغل DRAM مكان الذاكرة الرئيسية Primary Memory (RAM):

شكل (8): مواقع SRAM

وهذه مقارنة بين SRAM وDRAM:

شكل (9): مقارنة SRAM وDRAM

الذواكر التي شرحناها أعلاه كلها ذواكر متطايرة Volatile.

الذواكر غير المتطايرة (Non-Volatile Memory)

تشمل هذه الفئة كل تقنيات الذاكرة التي تحتفظ بالبيانات دون طاقة — بخلاف DRAM وSRAM.

Flash Memory: الذاكرة الوميضية ذاكرة غير متطايرة Non-Volatile على شكل شرائح، يمكن مسحها وبرمجتها كهربائياً، وتحافظ على البيانات بدون طاقة:

شكل (10): أنواع الذاكرة الوميضية

تنقسم إلى نوعين اشتُق اسمهما من البوابات المنطقية نفسها:

• NOR Flash: يتيح وصولاً عشوائياً سريعاً إلى العناوين الفردية، مما يجعله مناسباً لتخزين الكود القابل للتنفيذ في الأنظمة المضمنة Embedded Systems.
• NAND Flash: يعتمد على قراءة وكتابة كتل بيانات (صفحات Pages) متتابعة بسرعة عالية.

وتستخدم Flash Memory في فلاشات USB وبطاقات SD وأقراص SSD. وزمن قراءتها أسرع من شريحة EEPROM التقليدية، لكن عمليات الكتابة والمسح لديها تبقى أبطأ من القراءة بكثير.

Ferroelectric RAM – FRAM:

شكل (11): خلية FRAM

تعتمد على مواد فريزوكهربائية Ferroelectric تشبه بنيتها DRAM (مكثف + ترانزيستور)، لكنها تستخدم طبقة بلورية خاصة من أكاسيد المعادن (مثل PZT — تيتانات زركونات الرصاص). هذه الطبقة تحتفظ باستقطابها الكهربائي بعد إزالة المجال المسبب له، ولهذا تحافظ FRAM على بياناتها بدون طاقة، ولديها زمن كتابة سريع جداً وعمر كتابة ضخم يبلغ في التقارير المنشورة ما بين 10¹⁰ و10¹⁴ دورة كتابة. وتستخدم عادة في التطبيقات التي تحتاج كتابات متكررة وموثوقة: البطاقات الذكية، عدادات الطاقة، الأجهزة الطبية، والتحكم الصناعي.

Resistive RAM – ReRAM:

شكل (12): خلية ReRAM

تعمل على تغيير مقاومة طبقة أكسيد صلبة (مثل أكسيد المعادن) عبر توليد شواغر أوكسجينية Oxygen Vacancies تحت تأثير المجال الكهربائي. كل خلية تعمل كسلوك مقاومة متغيرة تمثل إما 0 أو 1. هذه التقنية لا تزال في مراحل التطوير — حتى تاريخ هذا المقال.

تقنيات MRAM وPCM

Magnetoresistive RAM – MRAM:

شكل (13): خلية MRAM

تخزن خلية MRAM البتات في عناصر مغناطيسية تسمى الوصلات النفقية المغناطيسية (MTJ). تتكون الخلية من طبقتين مغناطيسيتين يفصل بينهما طبقة عازلة رقيقة: اتجاه المجال المغناطيسي للطبقة الثابتة يبقى ثابتاً، أما الطبقة الأخرى (الحرة Free Layer) فيمكن قلب مجالها بواسطة تيار أو مجال مغناطيسي خارجي.

ويُستدل على البت بقياس مقاومة الوصلة: إذا كان اتجاه الطبقتين متوازياً تنخفض المقاومة (‘1’)، وإذا كان متعاكساً ترتفع (‘0’). تجمع MRAM بين سرعة SRAM وكثافة DRAM وتتميز بأنها غير متطايرة.

كما أنها تتحمل كتابات هائلة — تريليونات الدورات (10¹² فأكثر) — دون تلف يذكر. تستخدم MRAM في تطبيقات مخصصة مثل معدات الفضاء والأنظمة الصناعية وذواكر الوسائط Buffers. وبخلاف الفلاش، تستطيع MRAM الكتابة بشكل عشوائي دون الحاجة إلى مسح صفحة كاملة، مما يجعل أداءها أفضل في العمليات المتكررة.

Phase-Change Memory – PCM:

شكل (14): خلية PCM

تُخزن البيانات في طبقات زجاج الكالكوجينيد Chalcogenide. تنتقل الخلية حرارياً بين حالة بلورية منخفضة المقاومة (‘1’) وحالة غير بلورية عالية المقاومة (‘0’) من خلال تمرير نبضة تيار تولد الحرارة اللازمة لتغيير الطور.

تتميز PCM بأنها غير متطايرة ولها زمن قراءة أسرع من فلاش NAND الكلاسيكي، لكنها تحتاج طاقة أكبر للكتابة بسبب التغيير الحراري. ومن أشهر محاولاتها التجارية مشروع Intel/Micron (Optane أو 3D XPoint).

مصفوفات الذاكرة (Memory Arrays)

كيف يكون تصميم الذواكر الرقمية وماذا تحتوي؟

تعتمد كل أنواع الذواكر الرقمية على مصفوفات من الخلايا Cells منظمة في صفوف وأعمدة. تحتوي شريحة الذاكرة النموذجية (مثل SRAM وDRAM) على:

• خلية ذاكرة في كل تقاطع صف/عمود.
• مفكك العناوين (Address Decoder) لاختيار الصف المراد قراءته.
• مشغلات الكتابة (Write Drivers) لكتابة البيانات.
• مكبرات الاستشعار (Sense Amplifiers) لقياس إشارة الخلية.

وعند تصنيع الذواكر تُبنى هذه المصفوفات ضمن تقنيات CMOS متقدمة، كما تتجه الصناعة إلى التكديس ثلاثي الأبعاد لزيادة السعة — مثالاً ذلك ذاكرة HBM (High-Bandwidth Memory) المصنوعة من عدة طبقات من رقائق DRAM مرصوفة فوق بعضها البعض.

ما المطلوب منك من هذا المقال؟

هذا المقال يبني لديك معرفة عامة بالذاكرة الداخلية. ركز جيداً على SRAM وDRAM وFlash مع فهم تقديري للتقنيات الباقية — فنحن نسعى لبناء جيل قادر على تعلم كل شيء، ويبدأ التعلم من فهم التقنيات الأساسية للحاسب.

وسيتم نشر مقالات عن الأنظمة الرقمية Digital Systems ستساعدك كثيراً على فهم هذه التقنيات بإذن الله.

اسأل الله أن يبارك لنا في علمنا وعملنا، ولا تنسونا من صالح دعائكم.