RAM

Kişisel bilgisayarlarda ana bellek olarak kullanılan, PC2-5300U sınıfından bir DDR2 SDRAM bellek modülü. Modül, alt kenarındaki temas uçlarıyla anakarttaki yuvaya takılır.

Rastgele erişimli bellek (İngilizce: random-access memory, RAM), adres konumlarından herhangi birine istenen sırayla ve her konum için benzer bir erişim süresiyle ulaşılabilen bellektir. JEDEC'in tanımına göre RAM'de bütün verilere, verinin bellekteki yerinden bağımsız olarak, esasen aynı sürede erişilir; terim gündelik kullanımda ise sınırsız sayıda yeniden yazılabilen, okuma ve yazma süreleri birbirine yakın bir okuma-yazma belleğini anlatır. Bu özellik RAM'i, veriye yalnızca belirli bir noktadan ya da belirli bir sırayla ulaşılabilen eski bellek ortamlarından ayırır. Örneğin ilk bilgisayarlarda kullanılan gecikme hattı belleklerinde bitler sürekli dolaşan bir akış oluşturuyor ve yalnızca tek bir noktada erişilebiliyordu.

Çağdaş bilgisayarlarda iki RAM türü yan yana kullanılır. Ana bellek, her biti tek bir transistör ve tek bir sığaçta saklayan devingen RAM (DRAM) yongalarından kurulur; işlemcinin önbellekleri ise her biti altı transistörlü bir devrede tutan, daha hızlı ama birim bit başına çok daha pahalı durağan RAM (SRAM) ile yapılır.:5-7 İki tür de uçucudur, başka bir deyişle güç kesildiğinde içeriklerini kaybeder. Bunun yanında, bilgiyi manyetik, ferroelektrik ya da direnç değişimine dayalı yollarla saklayan ve güç kesildiğinde de koruyan kalıcı RAM türleri geliştirilmiştir.:2201

Bilgisayarların ilk yıllarında ana bellek olarak gecikme hatları, katot ışınlı tüpler ve dönen manyetik tamburlar kullanıldı. 1953'te Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nün (MIT) Whirlwind bilgisayarıyla başlayan manyetik çekirdek bellek dönemi 1970'lere dek sürdü. Yarı iletken RAM 1960'larda hızlı yardımcı bellekler için ortaya çıktı, 1970'te piyasaya sürülen Intel 1103 ile ana bellekte çekirdeğin yerini almaya başladı ve 1980 dolaylarında baskın teknoloji oldu. Bugünkü DRAM'in temelindeki tek transistörlü bellek hücresinin patenti 1968'de IBM'den Robert H. Dennard'a verilmiştir. Kişisel bilgisayarlarda ve sunucularda RAM yongaları anakarta takılan bellek modülleri hâlinde kullanılır; bu modüllerin elektriksel ve mekanik özellikleri JEDEC standartlarıyla tanımlanır.:7 İşlemci hızı ile bellek hızı arasındaki açığın büyümesi bellek duvarı adıyla anılan bir başarım sorununa, DRAM hücrelerinin fiziksel özellikleri de soğuk başlatma saldırısı ve satır darbeleme gibi güvenlik açıklarına yol açmıştır.:45:361

Tarihçe

Gecikme hatları ve Williams-Kilburn tüpü

Computer History Museum'da sergilenen ve Manchester Mark I bilgisayarında kullanılan bir Williams-Kilburn tüpü. Tüp, bitleri katot ışınlı ekranın yüzeyinde noktalar olarak saklıyordu.

İkinci Dünya Savaşı'ndaki radar çalışmaları, beklenmedik bir yan ürün olarak bilgisayar belleğinde kullanılan gecikme hatlarını doğurdu. Gecikme hattı belleği (İngilizce: delay-line memory) veri bitlerini ses dalgalarına çevirir, onları bir ortamın içinden geçirir ve öbür uçta yeniden elektrik sinyaline dönüştürür; bitler bilgisayar onları değiştirene dek bu döngüde dolaşır. Cıva doldurulmuş tüplerin iki ucunda bitleri üreten ve alan dönüştürücüler vardı. Manyetostriktif gecikme hatlarında ise bir elektromıknatıs uzun bir teli bir yöne ya da öbür yöne burarak birleri ve sıfırları temsil ediyordu. Maurice Wilkes'in tasarladığı ve programı bellekte saklayan ilk bilgisayarlardan biri olan EDSAC, cıvalı gecikme hattı belleği kullanıyordu. UNIVAC I'in gecikme hattı belleğindeki her cıva tüpü doldurulduğunda 360 kilograma yakın ağırlıktaydı. Bu belleklerin hepsinde bit akışı sürekli dolaşır ve yalnızca tek bir noktada erişilebilirdi.

Erken rastgele erişimli belleklerden biri katot ışınlı tüple yapıldı. Frederic C. Williams, 1946'da MIT'de katot ışınlı tüplerle veri saklama denemelerini görmüştü ve onun bu alandaki çalışmaları da savaş dönemindeki radar araştırmalarından doğdu. 1947'de denenen Williams-Kilburn tüpü (İngilizce: Williams-Kilburn tube), bitleri ekranın yüzeyinde noktalar olarak saklıyordu; noktalar biri, boşluklar sıfırı temsil ediyordu. Her nokta saniyenin bir kesri içinde söndüğünden tasarımda noktaları kendiliğinden yenileyen bir düzenek vardı ve bitlerin bir saniyeden kısa sürede yeniden yazılması gerekiyordu. Williams ve Kilburn'ün yaptığı bu bellek, Computer History Museum'a göre ilk yüksek hızlı ve tümüyle elektronik bellektir. Elektrostatik tüpler ekranda 512 ile 2.048 bit arasında veri tutabiliyordu. Tüp belleği Manchester Mark I'in yanı sıra IBM 701, MANIAC ve ERA 1103 bilgisayarlarında kullanıldı ve MANIAC, 1.024 adet 40 bitlik sayıyı 40 tüpte saklıyordu. Tüplerin güvenilirliği düşüktü. IBM 701'in tüp belleğinde ortalama arıza aralığı yaklaşık 15 dakikaydı ve Computer History Museum, bu teknolojinin sonunda bir çıkmaz sokak olduğunu yazar.

Tambur bellek

Aynı dönemde dönen manyetik ortamlar da ana bellek olarak kullanıldı. ABD Donanması için 1950'de yapılan ERA Atlas bilgisayarı, yüzeyi ferromanyetik bir malzemeyle kaplı, dönen bir silindir ve bu silindirin üzerinde sabit duran okuma-yazma kafaları kullanıyordu.

Manyetik çekirdek bellek

1.024 bit (128 bayt) saklayan 32 × 32'lik bir manyetik çekirdek bellek düzlemi. Tellerin kesiştiği noktalardaki küçük siyah halkalar ferrit çekirdeklerdir; her çekirdek bir bit tutar.

Manyetik çekirdek bellekte her bir küçük manyetik halka bir bit saklar ve halkanın mıknatıslanma yönü 0'ı ya da 1'i temsil eder. Halkaların içinden geçen teller, mıknatıslanmayı hem algılayabilir hem de değiştirebilir. Çekirdek bellek için Frederick Viehe 1947'de, Harvard'dan fizikçi An Wang 1949'da, RCA'dan Jan Rajchman 1950'de ve MIT'den Jay Forrester 1951'de patent başvurusunda bulundu. Forrester, çekirdek belleğe bilginin nasıl yazılıp okunacağını belirleyen ve "eş akım" (İngilizce: coincident current) diye anılan yöntemi geliştirdi. Wang 1955'te patent haklarını IBM'e 500.000 dolara sattı; IBM 1964'te Forrester'ın patentinin hakları için MIT'ye 13 milyon dolar ödedi. Forrester'ın bu yöntem üzerine tuttuğu 1949 tarihli notlar ilk güvenilir yüksek hızlı rastgele erişimli belleğe giden yolu açtı.

MIT'nin Whirlwind bilgisayarı önce katot ışınlı tüp belleğe göre tasarlanmıştı; bu belleğin yavaşlığı ve güvenilmezliği Forrester'ı çekirdeğe yöneltti ve Whirlwind 1953'te çekirdek bellek kullanan ilk bilgisayar oldu. İlk çekirdeklerin çapı 1/16 inçti, bunlara 5 mikrosaniyede erişilebiliyordu ve bit başına maliyetleri yaklaşık 1 dolardı; sonraki çekirdekler hem küçüldü hem hızlandı hem de ucuzladı. Üretim ince bir el işçiliği gerektiriyordu. İnce teller küçük deliklerin içinden çoğunlukla kadın işçilerce, mikroskop altında geçiriliyordu. Computer History Museum'a göre çekirdek bellek 1953'ten sonra rakip teknolojileri hızla saf dışı bıraktı ve 1970'lere dek ana bellek teknolojisi olarak kaldı. Ferrit çekirdek dizileri 1970'lerin ortasına kadar bit başına en düşük maliyeti sunan RAM teknolojisiydi.

Yarı iletken durağan RAM

Yarı iletken bellekler önce hız gerektiren küçük yardımcı bellekler için kullanıldı. Fairchild Semiconductor'dan Robert Norman'ın yarı iletken durağan RAM tasarımı için 5 Mart 1963'te yaptığı patent başvurusu 9 Şubat 1971'de kabul edildi ve IBM bu tasarımı sonradan kendi bellek hücresinde kullandı. 1965'te IBM'den Ben Agusta ile Paul Castrucci, IBM System/360 Model 95 için 16 bitlik SP95 belleğini geliştirdi. Transitron'da Tom Longo'nun yönettiği bir ekip 1966'da Honeywell Model 4200 mini bilgisayarı için 16 bitlik TTL belleği TMC3162'yi yaptı; bu yonga başka üreticilerin de yaygın olarak ürettiği ilk yarı iletken RAM oldu. Fairchild'da John Schmidt 1964'te 64 bitlik, p kanallı bir MOS durağan RAM tasarlamıştı.

İlk büyük kurulumlar 1970'lerin başında geldi. Fairchild'ın 256 bitlik TTL yongası, ILLIAC IV için Nisan 1970'te teslim edilen yarı iletken ana bellekte kullanıldı. IBM'in East Fishkill tesisinde üretilen 128 bitlik aygıt, 1971'de teslim edilen ve IBM'in yarı iletken ana belleğe sahip ilk ticari bilgisayarı olan System/370 Model 145'e girdi. Computer History Museum'un zaman çizelgesine göre Model 145, aynı veriyi çekirdek belleğin kapladığı yerin yarısında saklıyordu. Çift kutuplu transistör teknolojisi daha hızlı bilgisayarlar yapmaya olanak verdi, ancak düşük maliyetli ana belleği yaygın kullanıma açan MOS teknolojisi oldu.

Devingen RAM ve Intel 1103

1970'te piyasaya çıkan 1.024 bitlik Intel 1103 DRAM yongasının bir örneği. Yonga, ana bellekte manyetik çekirdeğe ciddi biçimde rakip olan ilk yarı iletken bellektir.

Bilgiyi sığaçlardaki yükte tutan ve bu yüzden belirli aralıklarla yenilenmesi gereken devingen bellekler 1960'ların sonunda ortaya çıktı. General Microelectronics'ten Joel Karp devingen bir saatleme düzeni geliştirdi; Lee Boysel bu düzenle Fairchild'da 1968'de 256 bitlik, Four Phase Systems'te 1969'da 1.024 ve 2.048 bitlik DRAM'ler yaptı. Bu yongalar ve Advanced Memory Systems'in AMS6001'i gibi rakipleri, bit başına dört ile altı transistör kullanıyordu. Honeywell'den Bill Regitz üç transistörlü bir hücre önerdi ve Karp bu hücreyi Intel'in p kanallı silisyum kapılı sürecinde gerçekleştirdi. Ted Hoff'un önerdiği iyileştirmelerle Bob Abbott'un tasarladığı ve Bob Reed'in hatalarını ayıkladığı yonga, 1.024 bitlik Intel 1103 oldu. 1103 önceki aygıtlardan çok daha hızlıydı, bit başına yaklaşık 1 sente satılıyordu ve 1970'ten sonra bilgisayarların ana belleğinde manyetik çekirdeğin yerini hızla aldı. Computer History Museum'un zaman çizelgesi bu yongayı manyetik çekirdeğin sonunun başlangıcı ve ticari DRAM'in başlangıcı olarak niteler.

Bugünkü DRAM'lerin hücre yapısı IBM'de doğdu. Robert H. Dennard'ın 14 Temmuz 1967'de başvurduğu ve 4 Haziran 1968'de verilen "alan etkili transistörlü bellek" (İngilizce: Field-effect transistor memory) patentinde anlatılan uygulamalardan birinde her hücre, tek bir alan etkili transistör ve tek bir sığaçtan oluşur. Transistörün kapısı sözcük hattına, kaynağı bit hattına, savağı da sığacın bir ucuna bağlanır; bilgi sığaç transistör üzerinden doldurularak yazılır, boşaltılarak okunur. IBM'in kendi tarihçesine göre Dennard düşünceyi 1966'da bulmuştu; o güne dek kullanılan tasarım bir bit için altı transistör gerektiriyordu, Dennard'ınki ise bir transistör ve biti pozitif ya da negatif yük olarak saklayan bir sığaç kullanıyordu. Yük küçük enerji miktarlarıyla tekrar tekrar yenilendiği için bellek "devingen" diye adlandırıldı. Dennard bu buluşla 2013 Kyoto Ödülü'nü ve ABD Ulusal Teknoloji Madalyası'nı aldı.

Süreç ve hücre de sonraki yıllarda değişti. Cogar'dan Walter Krolikowski 1970'te daha hızlı bir n kanallı DRAM tanımladı ve bu süreci ilk benimseyen IBM oldu (1972, System/370 Model 158). Mostek'ten Robert Proebsting'in iyon aşılamayla üretilen dirençlerle güç tüketimini ve kırmık alanını küçülttüğü 4 Kbit'lik MK4096, 1973'te standart 16 bacaklı bir pakette çıktı. 1976'da çıkan 16 Kbit'lik MK4116 ise Dennard'ın patentli tek transistörlü hücresini Siemens'ten Karl-Ulrich Stein'ın tasarım yöntemleriyle birlikte kullandı. Bu hücre, on yıl bitmeden Japon ve ABD'li üreticilerin 64 Kbit'lik DRAM'lerine zemin hazırladı ve yarı iletken bellek çekirdek kadar güvenilir, ondan daha ekonomik hâle geldi.

Eş zamanlı arayüz ve kapasitenin artışı

1990'lara kadar DRAM yongaları, satır ve sütun adreslerini ayrı denetim sinyalleriyle alan ve bir saate bağlı olmadan çalışan eş zamansız arayüzlerle yapılıyordu.:1135 Yongaya gelen komutları bir saat sinyaline eş zamanlı olarak alan SDRAM'in arayüzü JEDEC'te hazırlandı ve JEDEC Konseyi standardı 24 Mayıs 1993'te kabul etti.:41 SDRAM'in DRAM pazarındaki payı 1997'de yüzde 33,5'e, 1998'de yüzde 60,8'e çıktı ve tür pazarın baskın ürünü oldu.:54 Sonraki kuşaklar veriyi saat sinyalinin her iki kenarında aktaran DDR SDRAM ailesiyle sürdü; JEDEC, DDR belirtimini 2000'de, DDR3'ü 2007'de, DDR4'ü 2012'de, DDR5'i ise 2020'de yayımladı.

Bu süre boyunca yonga başına bit sayısı büyük ölçüde arttı. 1970'teki 1.024 bitlik Intel 1103'ten sonra 4 Kbit'lik ve 16 Kbit'lik yongalar geldi. JEDEC'in Kasım 2025'te yayımladığı JESD79-5D, 8 Gbit ile 32 Gbit arası DDR5 yongalarını kapsar. Bu, 1103'ten 32 Gbit'lik bir yongaya kadar yonga başına bit sayısının otuz milyon kattan fazla arttığı anlamına gelir.

RAM teknolojilerinin gelişiminden örnekler
YılTeknolojiÖrnekKapasite ve özellik
1947Williams-Kilburn tüpüManchester Mark I, IBM 701, MANIACTüp başına 512-2.048 bit; noktalar bir saniyeden kısa sürede yenilenmeli
1949Cıvalı gecikme hattıEDSAC, UNIVAC IBitlere tek noktadan erişilir
1950Manyetik tamburERA AtlasDönen silindir, sabit okuma-yazma kafaları
1953Manyetik çekirdekMIT WhirlwindÇekirdek başına 1 bit; 5 µs erişim, bit başına yaklaşık 1 dolar
1964MOS durağan RAMFairchild (John Schmidt)64 bit, p kanallı MOS
1966TTL durağan RAMTransitron TMC316216 bit
1970MOS devingen RAMIntel 11031.024 bit, üç transistörlü hücre, bit başına yaklaşık 1 sent
1973MOS devingen RAMMostek MK40964 Kbit, 16 bacaklı paket
1976MOS devingen RAMMostek MK411616 Kbit, tek transistörlü hücre
2020DDR5 SDRAMJESD79-5Yonga başına 8-32 Gbit (JESD79-5D)

Bellek hücresi ve dizi yapısı

Durağan RAM hücresi

Altı MOSFET'ten oluşan durağan RAM hücresi. Ortadaki dört transistör (M1-M4) birbirine çapraz bağlı iki evirici oluşturur; M5 ve M6 erişim transistörleridir ve hücreyi sözcük hattı (WL) açıldığında iki bit hattına (BL) bağlar.

Durağan RAM hücresinin çekirdeği, birbirine çapraz bağlı iki evirici oluşturan dört transistördür. Bu devrenin 0'ı ve 1'i temsil eden iki kararlı durumu vardır ve besleme gerilimi sürdükçe durum korunur. Hücreye erişmek için sözcük hattı (İngilizce: word line) etkinleştirilir; bu durumda hücrenin durumu, birbirinin tümleyeni olan iki bit hattında (İngilizce: bit line) hemen okunabilir hâle gelir. Hücreye yazarken önce bit hatları istenen değerlere getirilir, sonra sözcük hattı etkinleştirilir; dışarıdaki sürücüler hücrenin dört transistöründen güçlü olduğundan eski durumun üzerine yazılır. Böylece bir hücre altı transistör gerektirir, durumunu korumak için sürekli güç ister, okunduğu anda veriyi verir ve yenileme çevrimine gereksinim duymaz. Dört transistörlü türleri de vardır, ancak bunların başka sakıncaları bulunmaktadır.:5

Devingen RAM hücresi

Devingen RAM hücresi yapıca durağan hücreden çok daha yalındır ve yalnızca bir transistör ile bir sığaçtan oluşur. Hücrenin durumu sığaçta tutulur, transistör ise bu duruma erişimi denetler. Okumak için erişim hattı etkinleştirilir ve sığaçtaki yüke göre veri hattından akım akar ya da akmaz; yazmak için veri hattı uygun değere getirilir ve erişim hattı, sığacı dolduracak ya da boşaltacak kadar uzun bir süre açık tutulur.:5

Bu yalınlığın birkaç bedeli vardır. Okuma sığacı boşalttığından her okumadan sonra sığacın yeniden doldurulması gerekir; bu iş, algılama yükseltecinin çıkışı sığaca geri verilerek kendiliğinden yapılır, ama ek enerji ve zaman ister. Çok sayıda hücreyi bir yongaya sığdırmak için sığaçların sığası femtofarad düzeyinde ya da daha küçük tutulur ve tam dolu bir sığaç yalnızca birkaç on bin elektron taşır. Sığacın direnci yüksek olsa da yük kısa sürede sızar. Bu sızıntı yüzünden hücrenin sürekli yenilenmesi gerekir; çoğu DRAM yongasında yenileme 64 milisaniyede bir yapılır ve yenileme sırasında belleğe erişilemez.:5-6 Hücreden gelen yük çok küçük olduğundan veri hattı, saklanan değeri 1 sayılması gereken bütün yük aralığında 0'dan ayırt edebilen bir algılama yükseltecine (İngilizce: sense amplifier) bağlanır.:6 Sığacın dolup boşalması anlık olmadığından DRAM'in hızı da durağan RAM'den düşüktür. Buna karşılık bir DRAM hücresinin kapladığı alan bir SRAM hücresininkinden kat kat küçüktür ve hücrenin düzenli yapısı hücreleri kırmık üzerinde sık dizmeyi kolaylaştırır.:6

Dizi, kod çözücüler ve satır ara belleği

4 × 4'lük bir DRAM dizisinde okuma. Satır adresi bir sözcük hattını seçer, o satırdaki bütün hücrelerin içeriği bit hatlarındaki algılama yükselteçlerine gelir ve sütun adresi bunlardan birini çıkışa gönderir.

Bellek hücreleri satırlar ve sütunlar hâlinde bir dizi oluşturacak biçimde düzenlenir. Sözcük hatları yatay doğrultuda bir satırın bütün hücrelerine, bit hatları ise dikey doğrultuda bir sütunun bütün hücrelerine bağlanır ve her hücre bir sözcük hattıyla bir bit hattının kesiştiği noktada durur.:362 Program bir bellek konumunu sanal adresle seçer, işlemci bu adresi fiziksel adrese çevirir ve bellek denetleyicisi o adrese karşılık gelen RAM yongasını seçer. Yongadaki tek tek hücreleri seçmek için fiziksel adresin bir bölümü adres hatlarıyla yongaya gönderilir.:6 Her konum için ayrı bir hat kullanmak olanaksızdır; 4 GB'lık bir bellek için 232 hat gerekirdi. Bu yüzden adres ikili bir sayı olarak gönderilir ve yonganın içinde bir kod çözücü ile çözülür; N girişli bir kod çözücünün 2N çıkışı vardır. 1 Gbit'lik bir yongayı tek bir kod çözücüyle adreslemek 30 adres hattı ve 230 seçme hattı gerektirir ve kod çözücünün boyutu giriş sayısıyla üstel olarak büyür.:6

Dizi düzeni bu sorunu küçültür. Satır adresini çözen kod çözücü bütün bir satırın sözcük hattını seçer; okuma sırasında o satırdaki bütün hücrelerin içeriği sütun çoklayıcısına gelir ve sütun adresinin seçtiği veri yonganın veri bacağına gönderilir. Aynı işlem birçok DRAM yongasında koşut olarak yapılarak yolun veri genişliği kadar bit elde edilir.:7 Çoğu DRAM'de adres bacakları ayrıca satır ve sütun bileşenleri arasında çoklanır. Adres iki parça hâlinde gönderilir, önce satır sonra sütun seçilir ve böylece dışarıdaki adres hattı sayısı yarıya iner.:7 Bunun nedeni, ilk DRAM'lerde üretim maliyetini büyük ölçüde paketin bacak sayısının belirlemesi ve bu kısıtın standart parça kullanma isteğiyle uzun süre etkili kalmasıdır.:1134-1135 Eş zamansız DRAM'lerde adresin iki parçası satır adresi örnekleme (İngilizce: row address strobe, RAS) ve sütun adresi örnekleme (İngilizce: column address strobe, CAS) sinyalleriyle yongaya alınır.:1135 SDRAM bu çoklamayı korur; örneğin Micron'un 256 Mbit'lik SDRAM yongasında aynı adres girişleri ACTIVE komutu sırasında satır adresi, READ ya da WRITE komutu sırasında sütun adresi olarak örneklenir.:9

Bir satırı açmadan önce bankadaki bütün bit hatları besleme geriliminin yarısına getirilir. Satırın sözcük hattı yükseltildiğinde satırdaki bütün sığaçlar kendi bit hatlarına bağlanır ve yük sığaçla bit hattı arasında paylaşılır; algılama yükselteci bit hattındaki küçük gerilim değişimini sezip büyütür ve hattı tam besleme gerilimine ya da sıfıra sürer.:61 Bit hattının kendi sığası hücre sığacından çok büyük olduğu için bu değişim küçüktür ve sığaçtaki yük azaldıkça daha da küçülür.:62 Her bankadaki algılama yükselteci sırasına satır ara belleği (İngilizce: row buffer) denir.:2 Açık satırın içeriği burada durduğu sürece aynı satırdaki başka sütunlara yeni bir satır açmadan ulaşılabilir; Rixner ve arkadaşlarının deyişiyle satır ara belleği bir önbellek gibi çalışır.:129 Aynı yazarlar bu nedenle çağdaş DRAM'leri her konuma eşit sürede erişilen aygıtlar olarak değil, banka, satır ve sütun boyutları olan üç boyutlu aygıtlar olarak niteler; aynı satırdaki farklı sütunlara art arda erişimle aynı bankadaki farklı satırlara art arda erişim arasında bant genişliği bakımından yaklaşık bir büyüklük mertebesi fark vardır.:128

RAM türleri

Adlandırma ve salt okunur bellekle ilişkisi

JEDEC'in tanımlarında RAM ayrımı erişim düzenine dayanır. Durağan rastgele erişimli bellek de devingen rastgele erişimli bellek de adres konumlarından herhangi birine istenen sırayla ve her konum için benzer erişim süresiyle ulaşılmasına izin veren belleklerdir, ilki durağan, ikincisi devingen bir bellek olarak tanımlanır. Aynı sözlük, terimin yaygın kullanımda okuma-yazma belleğini anlattığını da not eder. Salt okunur bellek (ROM) ise içeriği olağan çalışmada değiştirilmeyip yalnızca okunması amaçlanan bellektir ve başka bir nitelik verilmedikçe ROM'un içeriği belleğin yapısıyla belirlenir. Bu tanımlarda RAM ile ROM'u birbirinden ayıran, erişim düzeninden çok içeriğin olağan çalışmada değiştirilip değiştirilemeyeceğidir.

İkinci bir ayrım, güç kesildiğinde verinin akıbetiyle ilgilidir. JEDEC, güç verilmediğinde içeriği kaybolan belleğe uçucu bellek (İngilizce: volatile memory), içeriğini koruyan belleğe kalıcı bellek (İngilizce: nonvolatile memory) der. SRAM ve DRAM uçucudur; MRAM, FeRAM, faz değiştiren bellek ve ReRAM ise kalıcı RAM türleridir.

Durağan RAM (SRAM)

Durağan RAM (İngilizce: static random-access memory, SRAM), her biti altı transistörlü bir hücrede tutar ve yenileme gerektirmez. Aynı işlevi DRAM'den çok daha hızlı yerine getirir; ancak hem üretimi hem kullanımı DRAM'den çok daha pahalıdır.:5 Bu yüzden çağdaş bilgisayarlarda SRAM, işlemcinin önbelleklerinde ve kırmık üzerindeki, bağlantıları kısa ve tümüyle işlemci tasarımcısının denetiminde olan yapılarda kullanılır. SRAM'in hızı, üzerine harcanan çabaya göre işlemci çekirdeğinden biraz yavaş olmaktan bir ya da iki büyüklük mertebesi yavaş olmaya dek değişir.:7 Daha yavaş ve daha az güç harcayan SRAM türleri de vardır; bunlar arayüzleri DRAM'inkinden yalın olduğu için bir sisteme daha kolay katılabilir.:5

Devingen RAM (DRAM)

Devingen RAM (İngilizce: dynamic random-access memory, DRAM), her biti bir transistör ve bir sığaçtan oluşan bir hücrede saklar; sığaçtaki yük sızdığı için hücrelerin düzenli aralıklarla yenilenmesi gerekir.:5-6 Hücresinin küçüklüğü ve bunun getirdiği maliyet farkı nedeniyle, ağ yönlendiricileri gibi özel donanımlar dışında bilgisayarların ana belleği DRAM'den kurulur.:6 DRAM yongalarının içi birbirinden bağımsız çalışabilen bankalara (İngilizce: bank) bölünür; Micron'un SDRAM modüllerinde bir bankadaki satır kapatılırken öteki bankalardan birine erişilerek bu süre gizlenir.:2 Banka sayısı sonraki kuşaklarda arttı. DDR4'te bankalar banka gruplarına ayrıldı (x4 ve x8 yongalarda dört grupta 16 banka); DDR5'te x4 ve x8 yongalarda banka sayısı 32'ye çıktı.:1

SDRAM ve DDR kuşakları

SDRAM, dış arayüzü bir saat sinyaline eş zamanlı çalışan DRAM türüdür. ABD Federal Ticaret Komisyonu'nun 2006 tarihli kararı, o tarihe dek geçen on yılda üretilen DRAM'lerin çoğunun, işlemcinin belirli bir sürede işleyebileceği buyruk sayısını artırmak için sistem saatine eş zamanlı yapıldığını ve bu tasarımın önceki eş zamansız DRAM'lerden ayırmak için SDRAM diye adlandırıldığını kaydeder.:7 Micron'un 256 Mbit'lik SDRAM yongasında tek bir okuma ya da yazma komutu, 1, 2, 4 ya da 8 sözcükten ya da bütün bir sayfadan oluşan ardışık bir aktarım başlatabilir.:1 Intel'in 1996'da hazırladığı PC SDRAM belirtimi ve ona dayanan PC66, PC100 ve PC133 sınıfları, kişisel bilgisayarlarda farklı üreticilerin parçalarını birbiriyle uyumlu kılan ortak bir tanım sağladı.:153-154 64 bitlik bir PC100 modülü, her saat çevriminde 8 bayt aktararak saniyede 800 MB'a ulaşır.

DDR ailesinin her kuşağı bir öncekinin standardından türetilmiştir. Kuşaklar boyunca yinelenen fikir, bellek dizisinin kendisini hızlandırmak yerine dizinin her iç erişimde daha geniş bir veri öbeği okuyup yazmasıdır. Bu yönteme önceden getirme (İngilizce: prefetch) denir. DDR'nin 2n önceden getirmesinde iç yol dış yolun iki katı genişliktedir ve iç sütun erişim sıklığı dış aktarım hızının yarısına iner.:3 Önceden getirme genişliği DDR2'de 4n'ye, DDR3 ve DDR4'te 8n'ye, DDR5'te 16n'ye çıktı.:9:12:34:5 Böylece dış arayüzün veri hızı kuşaktan kuşağa katlanırken dizinin kendi çalışma hızı aynı aralıkta kalabildi. Gecikme ise saat çevrimi olarak büyürken nanosaniye olarak pek değişmedi. Micron'un yongalarında DDR3-1066'nın CAS gecikmesi 7 çevrim ve 13,1 ns iken DDR4-3200'ünki 22 çevrim ve 13,75 ns'dir.:1:2 JEDEC'e göre bir sonraki kuşak DDR6, JEDEC'in JC-42 komitesinde geliştirilmektedir.

SDR SDRAM ve DDR kuşaklarının karşılaştırması
KuşakJEDEC standardıVeri hızı (MT/s)Besleme gerilimi (V)Önceden getirmeMasaüstü modülde bacak
SDR SDRAMJEDEC (1993):4166-167:13,3:1yok:2168:7
DDR SDRAMJESD79 (2000)266-400:12,5:12n:1184
DDR2 SDRAMJESD79-2400-1.066:11,8:14n:1240
DDR3 SDRAMJESD79-3 (2007)800-2.133:11,5:18n:1240
DDR4 SDRAMJESD79-4 (2012)1.600-3.2001,2:18n:1288
DDR5 SDRAMJESD79-5 (2020)3.200-6.400:51,1:516n:5288

DDR5 bellek alt sistemini de değiştirdi. JEDEC'e göre DDR5 modülünde birbirinden bağımsız iki alt kanal vardır. Standart ayrıca yongada hata düzeltme kodunu ve sistem yönetim yolu için I3C'yi getirmiş, gerilim düzenleyicisini de anakarttan modülün üzerine taşımıştır. Micron'a göre her alt kanal 32 veri biti ile 8 hata düzeltme bitinden oluşur ve 16'lık ardışık aktarım, tipik bir önbellek satırı olan 64 baytı modülün yalnızca yarısını kullanarak taşır.:4

Grafik, düşük güçlü ve yüksek bant genişlikli türler

Ana belleğin yanında, özel kullanımlar için tasarlanmış DRAM aileleri de vardır. Grafik işlemcilerinde kullanılan GDDR türleri JEDEC'te ayrı standartlarla tanımlanır; örneğin JESD212C.01 GDDR5 standardı 512 Mbit ile 8 Gbit arası, 32 bit genişliğinde yongaları kapsar. JEDEC'in tarihçesine göre 2000'li yıllarda akıllı telefon ve tablet satışlarındaki hızlı artış, daha küçük ve daha az güç harcayan belleklere yönelik çalışmaları hızlandırdı ve bu dönemde düşük güçlü DDR (LPDDR) standardı yayımlandı. Nisan 2009'da yayımlanan LPDDR2, arayüz gerilimini 1,8 V'tan 1,2 V'a indirdi; JEDEC'e göre bu, benzer yoğunluk ve başarımda güç tüketimini yüzde 50'den fazla azaltacaktı.

Yüksek bant genişlikli bellek (İngilizce: High Bandwidth Memory, HBM), DRAM kırmıklarını üst üste yığar ve onları silisyumun içinden geçen dikey bağlantılarla birleştirir. JEDEC'in tanımına göre HBM, ana işlem kırmığına sıkı biçimde bağlıdır ve yüksek hızı düşük güçle sağlamak için çok geniş bir arayüz kullanır; JESD235 standardında her kanal, çift veri hızında çalışan 128 bitlik bir yola sahiptir. Ocak 2016'daki JESD235A güncellemesine göre HBM, her DRAM yığınında sekiz bağımsız kanala bölünmüş 1.024 bit genişliğinde bir arayüz üzerinden aygıt başına 8 GB'a dek kapasite ve saniyede 256 GB'a dek bant genişliği sağlar.

Kalıcı RAM türleri

Güç kesildiğinde içeriğini koruyan ve yine de her bite rastgele erişime izin veren bellekler için birkaç fiziksel ilke kullanılır.

Manyetorezistif RAM (İngilizce: magnetoresistive random-access memory, MRAM), bilgiyi iki manyetik katman ile bunların arasındaki ince bir yalıtkan tünel engelinden oluşan bir yapıda saklar. Katmanlardan birinin mıknatıslanma yönü sabit tutulur, ötekininki değiştirilerek veri yazılır; iki katmanın yönleri aynıyken tünel direnci en düşük, zıtken en yüksek olur ve hücrenin 0 ya da 1 tuttuğu bu dirençten anlaşılır. Freescale Semiconductor'ın Temmuz 2006'da duyurduğu 4 Mbit'lik MR2A16A, Electronic Design'a göre ticari olarak satışa sunulan ilk MRAM'dir. 16 bitlik 256K sözcük olarak düzenlenen yonganın okuma ve yazma çevrimi 35 ns'dir. Üretici, MRAM'in SRAM'e yakın başarımı flaş belleğin kalıcılığıyla birleştirdiğini ve yonganın pille beslenen SRAM'in yerini alabileceğini belirtiyordu.

Ferroelektrik RAM (İngilizce: ferroelectric random-access memory, FeRAM ya da FRAM), DRAM'e benzer bir hücrede sığacın yalıtkanı olarak ferroelektrik etki gösteren bir seramik kullanır. Texas Instruments'ın teknik raporuna göre bu malzeme kurşun zirkonat titanattır (PZT) ve bilgi, kristaldeki zirkonyum ve oksijen atomlarının oluşturduğu elektrik dipolünün yönünde saklanır. Bir elektrik alanı uygulandığında dipoller alan yönünde dizilir ve bir kutuplanma oluşur; alan kaldırıldıktan sonra da kutuplanma korunur. Rapora göre FRAM, DRAM'e benzer biçimde her bite okuma ve yazma için rastgele erişime izin verir ve EEPROM ya da flaş belleğin tersine özel bir yazma dizisi ya da daha yüksek bir programlama gerilimi gerektirmez.

Faz değiştiren bellek (İngilizce: phase-change memory, PCM), kalkojenit bir malzemenin kristal ve amorf evreleri arasındaki büyük direnç farkını kullanır; kristal evrenin direnci düşük, amorf evreninki yüksektir. Hücreyi amorf evreye geçirmek için programlanan bölge kısa süreli büyük bir akım darbesiyle eritilip hızla soğutulur. Hücreyi kristal evreye döndürmek için orta büyüklükte bir akım darbesi malzemeyi kristalleşme sıcaklığı ile erime sıcaklığı arasında, kristalleşmeye yetecek kadar tutar. Okuma, hücrenin durumunu bozmayacak kadar küçük bir akımla direnç ölçülerek yapılır.:2202-2203 Wong ve arkadaşlarına göre PCM'in özellikleri en çok DRAM ile flaş belleğinkilere yaklaşır.:2201

Direnç değiştiren bellek (İngilizce: resistive random-access memory, ReRAM ya da RRAM), ikili metal oksitlerde görülen direnç anahtarlamasına dayanan bir bellek türüdür ve öncelikle kalıcı bellek uygulamaları için araştırılmaktadır.

Başlıca RAM türlerinde bilginin saklanma biçimi
TürBilgiyi saklayan büyüklükGüç kesildiğindeYenileme
SRAMÇapraz bağlı iki eviricinin durumuKaybolurGerekmez:5
DRAMSığaçtaki elektrik yüküKaybolurGerekir (çoğu yongada 64 ms):5-6
MRAMManyetik katmanların göreli mıknatıslanma yönüne bağlı dirençKorunurGerekmez
FeRAMFerroelektrik sığacın kutuplanmasıKorunurGerekmez
PCMKalkojenitin evresine bağlı dirençKorunurGerekmez:2201-2203
ReRAMMetal oksit katmanın direnciKorunurGerekmez

Bellek hiyerarşisindeki yeri

1990'ların başında işlemci tasarımcıları çekirdeğin saat sıklığını hızla yükseltirken bellek yolunun sıklığı ve RAM yongalarının başarımı aynı oranda artmadı. Daha hızlı RAM yapmak olanaksız değildir, ama ekonomik değildir; işlemci çekirdeği kadar hızlı bir RAM, herhangi bir DRAM'den büyüklük mertebeleriyle daha pahalıdır.:13 Bu yüzden bilgisayarlarda büyük miktarda DRAM'in yanına az miktarda hızlı SRAM konur. Bu SRAM işletim sisteminin ya da kullanıcının yönettiği ayrı bir adres bölgesi olarak değil, işlemcinin kendiliğinden kullandığı bir önbellek olarak çalışır ve ana bellekteki, yakında kullanılması beklenen verilerin geçici kopyalarını tutar. Bu düzen, program kodunda ve veride zamanda yerellik ve alanda yerellik bulunmasıyla işe yarar. Kısa sürede aynı kod ya da veri yeniden kullanılır ve kullanılan veri çoğu zaman bellekte yakın konumlardadır.:13-14 Ulrich Drepper'ın deneyimine göre iş istasyonlarında önbellek boyutu ana belleğin aşağı yukarı binde biri kadar olmuştur.:14

Bellek hiyerarşisinin katmanları arasındaki fark büyüktür. Intel'in Pentium M için verdiği erişim süreleri, bir yazmaç için en çok 1, birinci düzey veri önbelleği için yaklaşık 3, ikinci düzey önbellek için yaklaşık 14, ana bellek için ise yaklaşık 240 işlemci çevrimidir.:16

Sanal bellek

Ana bellek ile ikincil bellek arasında da benzer bir ilişki kurulur. Tom Kilburn'ün Manchester'daki ekibi 1962'de Atlas bilgisayarında sanal belleği geliştirdi ve bu, zaman paylaşımlı kullanımı olanaklı kıldı. Kilburn ve arkadaşları Atlas'ın bellek düzenini aynı yıl "One-Level Storage System" başlıklı makalede anlattı. Çağdaş sistemlerde çalışma kümesi RAM'e sığmadığında onun bir bölümü sabit disklerde tutulur; ancak bu disklere erişim DRAM'e erişimden bile büyüklük mertebeleriyle yavaştır.:13 İşletim sisteminin bu amaçla ayırdığı disk bölgesine takas alanı denir.

Bellek modülleri

30 bacaklı ve 72 bacaklı SIMM bellek modülleri. Kartın bir kenarındaki temas uçları anakarttaki yuvaya oturur.

Kişisel bilgisayarlarda ve sunucularda RAM yongaları tek tek değil, bir baskı devre kartına dizilmiş bellek modülleri hâlinde kullanılır. Modül, birkaç yongayı ortak adres, komut ve saat sinyallerine bağlayarak bellek denetleyicisinin beklediği veri genişliğini oluşturur.:7 Modüllerin bacak sayısı, kart ölçüleri ve çentik yerleri belirli boyut standartlarıyla tanımlanır ve her bellek kuşağı kendi modül türünü getirir.:11, 17

SIMM

SIMM (İngilizce: single in-line memory module), DIMM'den daha eski bir modül türüdür. Micron'un 1997 tarihli veri sayfasındaki 72 bacaklı SIMM'ler JEDEC'in ve sektörün standart bacak dizilimine uyar, 4 MB ve 8 MB sığadadır, 32 bit genişliğinde düzenlenmiştir, tek bir +5 V besleme ile çalışır ve hızlı sayfa kipli (FPM) ya da EDO DRAM yongaları taşır. Modül 16 ms içinde 1.024 yenileme çevrimi ister.:1 IBM'den Timothy J. Dell'in 1997 tarihli raporuna göre ilk ECC'li sunucular, 72/64'lük ECC sözcüğünü oluşturmak için sıradan eşlikli SIMM'leri çiftler hâlinde kullanıyordu.:6

DIMM ve SO-DIMM

Masaüstü bilgisayarlarda ve sunucularda kullanılan SDRAM modülü DIMM (İngilizce: dual in-line memory module) biçimindedir. Intel'in Şubat 1998 tarihli belirtimi 168 bacaklı, 3,3 V ile çalışan, 64 ya da 72 bit genişliğinde yazmaçsız SDRAM DIMM'lerini tanımlar ve JEDEC'in Aralık 1996'daki komite toplantısında tanımlanan modülü büyük ölçüde izler.:7 Kartın uzunluğu 133,37 mm'dir.:11 Temas kenarında açılan iki çentikten biri modülün yazmaçsız olduğunu, öteki 3,3 V ile çalıştığını gösterir; çentiklerin yeri böylece modülün türüne ilişkin bilgiyi mekanik olarak taşır.:17 72 bit genişliğindeki modüller, 64 bitlik veriye ek olarak 8 bitlik denetim bilgisi taşır ve hata düzeltme kodu kullanan sistemler içindir.:8 Dizüstü bilgisayarlar için daha küçük olan SO-DIMM (İngilizce: small outline dual in-line memory module) SDR SDRAM döneminde 144 bacaklıydı.:5:1

Kuşaklara göre bellek modüllerinin bacak sayıları (DDR ve sonrası JEDEC modül kayıtlarından)
KuşakMasaüstü ve sunucu DIMM'iDizüstü SO-DIMM'i
SDR SDRAM168:7144:5
DDR184200
DDR2240200
DDR3240204
DDR4288260
DDR5288262

Modülün üzerindeki elektronik de kuşaklarla değişti. Micron'un 2021 tarihli istemci modülü raporuna göre güç yönetimi geleneksel olarak anakart üzerinde yapılırken DDR5 modüllerinde gerilim düzenlemesini modülün üzerindeki bir güç yönetimi yongası (İngilizce: power management integrated circuit, PMIC) yapar.:2

Konnektöre bastırılarak bağlanan modüller

JEDEC, Aralık 2023'te yayımladığı JESD318 standardında, kenarı yuvaya geçirilmek yerine karttaki bir konnektöre bastırılarak bağlanan yeni bir modül türünü tanımladı. Standart, aynı belgede hem DDR5 hem de LPDDR5/5X yongalı modüllerin elektriksel ve mekanik gereklerini kapsar. JEDEC'e göre DDR5'li modüller başarım odaklı dizüstü bilgisayarlar ile ana akım masaüstü bilgisayarlar, LPDDR5/5X'li modüller ise daha geniş bir dizüstü yelpazesi ve bazı sunucu pazarları içindir. İki türde konnektör tasarımı ortaktır, ama bacak dizilimleri farklıdır ve yanlış modülün takılmasını önlemek için bağlanma biçimleri bilerek farklı tutulmuştur. Standart tek kanallı ve çift kanallı modüller tanımlar; çift kanallı konnektör boyuna ikiye bölünerek iki tek kanallı konnektöre çevrilebilir ve iki yarı modülleri farklı yüksekliklerde, biri 2,85 mm'de, öteki 7,5 mm'de taşıyabilir.

Güvenilirlik

Yumuşak ve kalıcı hatalar

DRAM'de bellek hatası, bir ya da birkaç bitin en son yazılan değerden farklı okunmasıdır. Yumuşak hatalar (İngilizce: soft error) bitleri rastgele bozar ama kalıcı fiziksel hasar bırakmaz; kalıcı hatalar (İngilizce: hard error) ise fiziksel bir kusurdan doğar ve bitleri yinelenebilir biçimde bozar.:193 JEDEC'in tanımına göre yumuşak hata, aygıtın olağan işlevlerinden biri ya da birkaçı yerine getirilerek düzeltilebilen bir hatadır ve düzeltmeden sonra aygıt yine olağan biçimde çalıştığı için "yumuşak" diye adlandırılır. Dell'in raporuna göre silisyumdaki ve metal bağlantılardaki fiziksel kusurlar çoğunlukla kalıcı hatalara, DRAM'in alfa parçacıklarına ve kozmik ışınlara duyarlılığı ise yumuşak hatalara yol açar.:6 Alfa parçacıklarının devingen belleklerde yol açtığı yumuşak hatalar, T. C. May ile M. H. Woods'un 1979 tarihli makalesinin konusudur.

Bianca Schroeder, Eduardo Pinheiro ve Wolf-Dietrich Weber'in Google'ın sunucu filosunda Ocak 2006 ile Haziran 2008 arasında topladıkları verilere göre makinelerin yaklaşık üçte biri ve DIMM'lerin yüzde 8'inden fazlası yılda en az bir düzeltilebilen hata görür. Yıllık düzeltilemeyen hata oranı makine başına yüzde 1,3, DIMM başına yüzde 0,22'dir.:194-195, 203 Yazarlar sahadaki hatalara yumuşak hataların değil kalıcı hataların egemen olduğu sonucuna varır.:193 Vilas Sridharan ile Dean Liberty'nin 2012 tarihli çalışması da DRAM arızalarında kalıcı arızaların ağır bastığını ve DRAM'lerin bütün bir satırı ya da sütunu etkileyen büyük çok bitli arızalara açık olduğunu bildirir.

Eşlik biti ve hata düzeltme kodları

Kişisel bilgisayar belleklerinde hataları algılamak için uzun süre eşlik biti kullanıldı; Dell'e göre eşlik bitleri genellikle tek veri uçlu ya da dört CAS girişli özel DRAM yongalarında tutuluyordu.:6 Richard Hamming 1950'de hataları algılamanın yanında düzeltmeye de olanak veren kodları tanımladı. Dell'in raporu, kişisel bilgisayar sunucularında hata düzeltme kodunun (İngilizce: error-correcting code, ECC) yaygınlaşmasını yolun 8 bayta genişlemesine bağlar. 8 baytlık bir sözcükte hem eşlik hem de tek hatayı düzelten ECC yalnızca 8 ek bit ister ve ECC denetim bitleri veri yongalarıyla aynı türde yongalarda tutulabildiği için ECC'li bir bellek eşlikli bir bellekten ucuza gelir.:6 Sıradan sunucularda kullanılan kod, tek bitlik hatayı düzeltip çift bitlik hatayı algılayan SECDED türündedir ve çok bitlik hataları düzeltemez.:194 ECC'nin bir bedeli de vardır. Sözcükten küçük bir yazmada denetleyici önce bütün sözcüğü okur, gerekli baytları değiştirir, denetim bitlerini yeniden üretir ve sözcüğü geri yazar; Dell'e göre bu okuma-değiştirme-yazma işlemi kötü tasarlanırsa en kötü durumda yüzde 20'ye varan yavaşlamaya yol açabilir.:6-7 Kim ve arkadaşlarına göre ECC'li modüller fazladan yongaları yüzünden yüzde 12,5 sığa bedeli taşır ve tüketici sistemlerinde seyrektir.:368

Tek bir yongadaki arıza bir ECC sözcüğünde birden fazla biti bozarsa tek hata düzelten kod onu düzeltemez. Dell'in raporu bütün bir yongadaki arızayı düzeltebilen kodlara "chipkill-correct ECC" der.:2, 7 Google'ın sunucularını inceleyen çalışmaya göre bu ailedeki bir kod yan yana dört biti düzeltebilir ve böylece bütünüyle bozulmuş dört bitlik bir yongayı atlatabilir; chipkill kullanan platformlarda düzeltilemeyen hata oranı SECDED kullananlara göre 4 ile 10 kat düşüktür.:194, 203 Sridharan ile Liberty'ye göre chipkill, DRAM hatalarından doğan düğüm arızası oranını 36 kattan fazla düşürür.

DDR5 ile birlikte hata düzeltme yonganın kendisine de taşındı. Micron'a göre DDR5'teki yongada ECC (İngilizce: on-die ECC), her 128 veri bitine 8 denetim biti ekleyen tek hata düzelten bir koddur ve hata denetimi ile hata tarama işlevlerini de taşır.:5-6 Hata düzeltme kodlu sunucu modüllerinde ise iki alt kanalın her birinde 32 veri bitine ek olarak 8 ECC biti vardır.:4

Bellek duvarı

William A. Wulf ile Sally A. McKee, 1995'te yayımladıkları kısa makalede işlemci ile DRAM başarımı arasındaki açığın sonuçlarını inceledi. Yazarlar işlemci başarımının yılda yüzde 80, DRAM hızının ise yılda yüzde 7 arttığını varsaydı. Ortalama bellek erişim süresini önbellekte bulma olasılığına göre önbellek ve DRAM erişim sürelerinin ağırlıklı toplamı olarak yazdılar ve önbelleği kusursuz kabul edip yalnızca zorunlu bulamamaların, onların da yüzde 1 ya da daha azının kaldığını varsaydılar. Bu varsayımlarla bile sistem hızına bellek başarımının egemen olacağını ve incelenen senaryolarda bu durumun on ile on iki yıl içinde bir "duvara" dayanacağını gösterdiler.

Güvenlik

Soğuk başlatma saldırısı

DRAM'deki veri güç kesildiği anda kaybolmaz. J. Alex Halderman ve arkadaşlarının 2008 tarihli çalışması, çoğu bilgisayarda kullanılan DRAM'lerin güç kesildikten sonra oda sıcaklığında ve anakarttan çıkarıldıklarında bile içeriklerini birkaç saniye koruduğunu gösterdi. Yazarlar bu kalıntıyı kullanarak disk şifreleme sistemlerinin anahtarlarını ele geçiren saldırılar kurdu ve BitLocker, TrueCrypt ve FileVault'u bu yolla aştı.:45 Saldırının üç türü vardır. En yalını makineyi yeniden başlatıp küçük bir programla belleğin kopyasını almaktır; ikincisi gücü kısa bir süre kesip işletim sistemine belleği silme fırsatı vermeden yeniden açmak, üçüncüsü bellek modüllerini saldırganın hazırladığı başka bir bilgisayara taşımaktır.:46

Olağan çalışma sıcaklığında (25,5-44,1 °C) yapılan ölçümlerde verinin tümüyle kaybolması en hızlı makinede yaklaşık 2,5 saniye, en yavaşında ortalama 35 saniye sürdü.:48 Yazarlar ters çevrilmiş basınçlı hava spreyini yongalara püskürterek yaklaşık −50 °C'lik yüzey sıcaklıklarına indi ve bu sıcaklıkta güç kesildikten 10 dakika sonra bile bitlerin genellikle yüzde 1'inden azının bozulduğunu buldu.:46 Sıvı azotta 60 dakika tutulan bir modülde bozulma yüzde 0,17'de kaldı.:46, 49 Hücreler, kablolama biçimlerine göre 0 ya da 1 olan bir taban durumuna doğru ve büyük ölçüde öngörülebilir bir sırayla bozulur. Yazarlara göre ECC'li DRAM'ler de bu kalıntı etkisine açıktır.:49

Satır darbeleme

Yoongu Kim, Onur Mutlu ve arkadaşlarının 2014 tarihli çalışması, DRAM'de aynı satırın tekrar tekrar etkinleştirilmesinin yakındaki satırlardaki verileri bozduğunu gösterdi. Yazarlar üç büyük üreticinin 129 DDR3 modülünü inceledi ve bunların 110'unda hata oluşturdu; 2012 ve 2013'te üretilen modüllerin hepsi bu soruna açıktı. Çalışmaya göre bir hata oluşturmak için 139 bin erişim yeterlidir ve 1.700 hücreden biri bu hataya duyarlı olabilir. Kök neden, bir satırın sözcük hattının tekrar tekrar açılıp kapanmasıdır; bu durum hücreler arasındaki bağlaşımı artırır ve yakındaki satırlardaki yükün daha hızlı sızmasına yol açar. Yazarlar sorunu Intel ve AMD işlemcili sistemlerde, kullanıcı düzeyinde çalışan bir programla gösterdi.:361

Pietro Frigo ve arkadaşlarının 2020 tarihli çalışması, DRAM üreticilerinin satır darbelemeye çözüm olarak sunduğu hedefli satır yenilemenin (İngilizce: Target Row Refresh, TRR) tek bir düzenek olmadığını, bu ad altında DRAM yongalarının içinde çalışan farklı çözümlerin toplandığını gösterdi. İncelenen 42 DDR4 modülünde bilinen darbeleme türleri sonuç vermedi; ancak 19'a varan satırın birlikte darbelendiği çok satırlı darbeleme, üç büyük üreticinin modüllerinden 13'ünde bit değeri değişimine yol açtı.:747 JEDEC, Nisan 2024'te yayımladığı JESD79-5C ile DDR5'e satır başına etkinleştirme sayımı (İngilizce: Per-Row Activation Counting, PRAC) adlı bir düzenek ekledi. PRAC etkinleştirmeleri sözcük hattı düzeyinde sayar ve aşırı sayıda etkinleştirme saptadığında sistemden önlem alması için zaman ister.

RAM disk

RAM'in bir bölümü, bir disk gibi kullanılan bir dosya sistemine ya da blok aygıtına ayrılabilir. Bu düzene RAM disk denir. Linux çekirdeğinin belgelerine göre tmpfs dosya sistemi bütün dosyalarını sanal bellekte tutar ve sabit diskte hiçbir dosya oluşturmaz; bir tmpfs bağlantısı kaldırıldığında içinde saklanan her şey kaybolur. tmpfs, gerekmeyen sayfaları takas alanına çıkarabilir; daha yalın olan ramfs ise takas alanını kullanmaz. Aynı belgeler, fiziksel RAM'de bir disk gibi davranan blok aygıtları (RAM diskler) kurmak için ayrı bir sürücünün kullanılabildiğini de belirtir.

Ayrıca bakınız

Kaynakça

  1. 1 2 "random-access memory (RAM)". JEDEC Dictionary of Terms (İngilizce). JEDEC. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  2. 1 2 3 4 5 6 "Delay Lines". Revolution: The First 2000 Years of Computing (İngilizce). Computer History Museum. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Drepper, Ulrich (21 Kasım 2007). "What Every Programmer Should Know About Memory" (PDF). Version 1.0 (İngilizce). Red Hat, Inc. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  4. 1 2 "volatile memory". JEDEC Dictionary of Terms (İngilizce). JEDEC. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  5. 1 2 3 "4-Mbit Device Is First Commercially Available MRAM" (İngilizce). Electronic Design. 20 Temmuz 2006. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  6. 1 2 3 "Low-Power FRAM Microcontrollers and Their Applications". Teknik rapor SLAA502A (İngilizce). Texas Instruments. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  7. 1 2 3 4 Wong, H.-S. Philip; Raoux, Simone; Kim, SangBum; Liang, Jiale; Reifenberg, John P.; Rajendran, Bipin (2010). "Phase Change Memory" (PDF). Proceedings of the IEEE (İngilizce). 98 (12): 2201-2227. doi:10.1109/JPROC.2010.20700505 Kasım 2026.
  8. 1 2 3 4 5 "Magnetic Core Memory". Revolution: The First 2000 Years of Computing (İngilizce). Computer History Museum. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  9. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 "Memory & Storage". Timeline of Computer History (İngilizce). Computer History Museum. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  10. 1 2 3 4 5 6 "1966: Semiconductor RAMs Serve High-speed Storage Needs". The Silicon Engine (İngilizce). Computer History Museum. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  11. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 "1970: MOS Dynamic RAM Competes with Magnetic Core Memory on Price". The Silicon Engine (İngilizce). Computer History Museum. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  12. 1 2 "Main Memory: The Winners". Revolution: The First 2000 Years of Computing (İngilizce). Computer History Museum. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  13. 1 2 Dennard, Robert H. (4 Haziran 1968). "Field-effect transistor memory". ABD patenti 3.387.286 (başvuru 14 Temmuz 1967) (İngilizce). Google Patents. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  14. 1 2 3 "Dynamic random-access memory (DRAM)". IBM Heritage (İngilizce). IBM. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  15. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 "PC SDRAM Unbuffered DIMM Specification" (PDF). Revision 1.0 (İngilizce). Intel Corporation. Şubat 1998. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  16. 1 2 3 4 5 6 7 8 "Memory Module Design File Registrations". JC-45 (İngilizce). JEDEC. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  17. 1 2 Wulf, Wm. A.; McKee, Sally A. (1995). "Hitting the Memory Wall: Implications of the Obvious". ACM SIGARCH Computer Architecture News (İngilizce). 23 (1): 20-24. doi:10.1145/216585.216588.
  18. 1 2 3 4 5 6 7 Halderman, J. Alex; Schoen, Seth D.; Heninger, Nadia; Clarkson, William; Paul, William; Calandrino, Joseph A. (2008). "Lest We Remember: Cold Boot Attacks on Encryption Keys" (PDF). Proceedings of the 17th USENIX Security Symposium (İngilizce): 45-602 Kasım 2026.
  19. 1 2 3 4 Kim, Yoongu; Daly, Ross; Kim, Jeremie; Fallin, Chris; Lee, Ji Hye; Lee, Donghyuk (2014). "Flipping Bits in Memory Without Accessing Them: An Experimental Study of DRAM Disturbance Errors". 2014 ACM/IEEE 41st International Symposium on Computer Architecture (ISCA) (İngilizce): 361-372. doi:10.1109/ISCA.2014.6853210.
  20. 1 2 3 "Williams-Kilburn Tubes". Revolution: The First 2000 Years of Computing (İngilizce). Computer History Museum. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  21. 1 2 3 Cuppu, Vinodh; Jacob, Bruce; Davis, Brian; Mudge, Trevor (2001). "High-Performance DRAMs in Workstation Environments" (PDF). IEEE Transactions on Computers (İngilizce). 50 (11): 1133-1153. doi:10.1109/12.9664912 Kasım 2026.
  22. 1 2 3 Harbour, Pamela Jones (31 Temmuz 2006). "In the Matter of Rambus, Inc., Docket No. 9302: Opinion of the Commission (Public Record Version)" (PDF) (İngilizce). Federal Trade Commission. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  23. 1 2 McGuire, Stephen J. (23 Şubat 2004). "In the Matter of Rambus Inc., Docket No. 9302: Initial Decision" (PDF) (İngilizce). Federal Trade Commission. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  24. 1 2 3 "JEDEC History: 2000s" (İngilizce). JEDEC. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  25. 1 2 "Publication of JEDEC DDR3 SDRAM Standard". Basın bülteni (İngilizce). JEDEC. 26 Haziran 2007. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  26. 1 2 3 "JEDEC Announces Publication of DDR4 Standard". Basın bülteni (İngilizce). JEDEC. 25 Eylül 2012. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  27. 1 2 3 4 5 "JEDEC Publishes New DDR5 Standard for Advancing Next-Generation High Performance Computing Systems". Basın bülteni (İngilizce). JEDEC. 14 Temmuz 2020. Erişim tarihi: 5 Ekim 2026.
  28. 1 2 "DDR5 SDRAM". JESD79-5D, Version 1.41 (İngilizce). JEDEC. Kasım 2025. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  29. ↑ "256Mb: x4, x8, x16 SDRAM" (PDF). Veri sayfası, Rev. E (İngilizce). Micron Technology. Mart 2002. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  30. 1 2 Liu, Jamie; Jaiyen, Ben; Kim, Yoongu; Wilkerson, Chris; Mutlu, Onur (2013). "An Experimental Study of Data Retention Behavior in Modern DRAM Devices: Implications for Retention Time Profiling Mechanisms" (PDF). Proceedings of the 40th Annual International Symposium on Computer Architecture (ISCA) (İngilizce): 60-71. doi:10.1145/2485922.24859282 Kasım 2026.
  31. ↑ Liu, Jamie; Jaiyen, Ben; Veras, Richard; Mutlu, Onur (2012). "RAIDR: Retention-Aware Intelligent DRAM Refresh" (PDF). 2012 39th Annual International Symposium on Computer Architecture (ISCA) (İngilizce): 1-12. doi:10.1109/ISCA.2012.62370012 Kasım 2026.
  32. 1 2 Rixner, Scott; Dally, William J.; Kapasi, Ujval J.; Mattson, Peter; Owens, John D. (2000). "Memory Access Scheduling" (PDF). Proceedings of the 27th Annual International Symposium on Computer Architecture (ISCA) (İngilizce): 128-138. doi:10.1145/339647.3396682 Kasım 2026.
  33. ↑ "static random-access memory (SRAM)". JEDEC Dictionary of Terms (İngilizce). JEDEC. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  34. ↑ "dynamic random-access memory (DRAM)". JEDEC Dictionary of Terms (İngilizce). JEDEC. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  35. ↑ "read-only memory (ROM)". JEDEC Dictionary of Terms (İngilizce). JEDEC. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  36. ↑ "nonvolatile memory". JEDEC Dictionary of Terms (İngilizce). JEDEC. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  37. ↑ "4, 8, 16 Meg x 64 SDRAM DIMMs, MT4LSDT464A, MT4LSDT864A, MT4LSDT1664A" (PDF). Veri sayfası, Rev. 4/00a (İngilizce). Micron Technology. Nisan 2000. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  38. 1 2 3 4 5 "4Gb: x4, x8, x16 DDR4 SDRAM" (PDF). Veri sayfası, Rev. J (İngilizce). Micron Technology. Temmuz 2017. 10 Şubat 2018 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  39. 1 2 3 "256Mb: x4, x8, x16 SDRAM" (PDF). Veri sayfası, Rev. W (İngilizce). Micron Technology. Mayıs 2015. 2 Ocak 2016 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  40. 1 2 3 "General DDR SDRAM Functionality" (PDF). Teknik not TN-46-05, Rev. A (İngilizce). Micron Technology. Temmuz 2001. 11 Aralık 2015 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  41. 1 2 3 4 "1Gb: x4, x8, x16 DDR2 SDRAM" (PDF). Veri sayfası, Rev. AA (İngilizce). Micron Technology. Temmuz 2014. 9 Şubat 2015 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  42. 1 2 3 4 5 "4Gb: x4, x8, x16 DDR3 SDRAM" (PDF). Veri sayfası, Rev. N (İngilizce). Micron Technology. Aralık 2014. 4 Şubat 2016 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  43. 1 2 3 4 5 6 7 Schlachter, Scott; Drake, Brian (2019). "Introducing Micron DDR5 SDRAM: More Than a Generational Update" (PDF). Teknik rapor (İngilizce). Micron Technology. Erişim tarihi: 5 Ekim 2026.
  44. ↑ "Main Memory: DDR SDRAM, HBM" (İngilizce). JEDEC. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  45. 1 2 "1Gb: x4, x8, x16 DDR SDRAM" (PDF). Veri sayfası, Rev. J (İngilizce). Micron Technology. Temmuz 2011. 18 Ağustos 2017 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  46. ↑ "GDDR5 SGRAM Standard". JESD212C.01 (İngilizce). JEDEC. Ocak 2023. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  47. ↑ "JEDEC Announces Publication of LPDDR2 Standard for Low Power Memory Devices". Basın bülteni (İngilizce). JEDEC. 2 Nisan 2009. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  48. ↑ "SK hynix Announces Development of HBM3 DRAM" (İngilizce). SK hynix Newsroom. 20 Ekim 2021. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  49. 1 2 "JEDEC Updates Groundbreaking High Bandwidth Memory (HBM) Standard". Basın bülteni (İngilizce). JEDEC. 12 Ocak 2016. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  50. ↑ "High Bandwidth Memory (HBM) DRAM". JESD235D (İngilizce). JEDEC. Mart 2021. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  51. 1 2 Yoda, Hiroaki; Kishi, Tatsuya; Miyamoto, Junichi (7 Mart 2006). "Magnetic random access memory". ABD patenti 7.009.873, Toshiba (İngilizce). Google Patents. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  52. 1 2 Wong, H.-S. Philip; Lee, Heng-Yuan; Yu, Shimeng; Chen, Yu-Sheng; Wu, Yi; Chen, Pang-Shiu (2012). "Metal-Oxide RRAM". Proceedings of the IEEE (İngilizce). 100 (6): 1951-1970. doi:10.1109/JPROC.2012.2190369.
  53. ↑ Kilburn, T.; Edwards, D. B. G.; Lanigan, M. J.; Sumner, F. H. (1962). "One-Level Storage System". IRE Transactions on Electronic Computers (İngilizce). EC-11 (2): 223-235. doi:10.1109/TEC.1962.5219356.
  54. ↑ "1, 2 Meg x 32 DRAM SIMMs (MT8D132, MT16D232)" (PDF). Veri sayfası, Rev. 3/97 (İngilizce). Micron Technology. 1997. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  55. 1 2 3 4 5 6 Dell, Timothy J. (19 Kasım 1997). "A White Paper on the Benefits of Chipkill-Correct ECC for PC Server Main Memory" (PDF) (İngilizce). IBM Microelectronics Division. 23 Eylül 2015 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  56. 1 2 "PC SDRAM Serial Presence Detect (SPD) Specification" (PDF). Revision 1.2B (İngilizce). Intel Corporation. Kasım 1999. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  57. ↑ "64MB, 128MB, 256MB (x64, DR) 144-Pin SDRAM SODIMM" (PDF). Veri sayfası, Rev. C (İngilizce). Micron Technology. Haziran 2004. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  58. ↑ "Micron DDR5: Client Module Features" (PDF). Teknik rapor, Rev. A (İngilizce). Micron Technology. Ekim 2021. Erişim tarihi: 5 Ekim 2026.
  59. ↑ "JEDEC Publishes New CAMM2 Memory Module Standard". Basın bülteni (İngilizce). JEDEC. 5 Aralık 2023. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  60. 1 2 3 4 5 Schroeder, Bianca; Pinheiro, Eduardo; Weber, Wolf-Dietrich (2009). "DRAM Errors in the Wild: A Large-Scale Field Study". Proceedings of the Eleventh International Joint Conference on Measurement and Modeling of Computer Systems (SIGMETRICS/Performance '09) (İngilizce): 193-204. doi:10.1145/1555349.1555372.
  61. ↑ "soft error". JEDEC Dictionary of Terms (İngilizce). JEDEC. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.
  62. ↑ May, T. C.; Woods, M. H. (1979). "Alpha-particle-induced soft errors in dynamic memories". IEEE Transactions on Electron Devices (İngilizce). 26 (1): 2-9. doi:10.1109/T-ED.1979.19370.
  63. 1 2 Sridharan, Vilas; Liberty, Dean (2012). "A Study of DRAM Failures in the Field". Proceedings of the International Conference on High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis (SC12) (İngilizce): 1-11. doi:10.1109/SC.2012.132 Kasım 2026.
  64. ↑ Hamming, R. W. (1950). "Error Detecting and Error Correcting Codes". Bell System Technical Journal (İngilizce). 29 (2): 147-160. doi:10.1002/j.1538-7305.1950.tb00463.x.
  65. ↑ Frigo, Pietro; Vannacci, Emanuele; Hassan, Hasan; van der Veen, Victor; Mutlu, Onur; Giuffrida, Cristiano (2020). "TRRespass: Exploiting the Many Sides of Target Row Refresh" (PDF). 2020 IEEE Symposium on Security and Privacy (SP) (İngilizce): 747-762. doi:10.1109/SP40000.2020.000902 Kasım 2026.
  66. ↑ "JEDEC Updates JESD79-5C DDR5 SDRAM Standard: Elevating Performance and Security for Next-Gen Technologies". Basın bülteni (İngilizce). JEDEC. 17 Nisan 2024. Erişim tarihi: 2 Kasım 2026.
  67. ↑ "Tmpfs" (İngilizce). The Linux Kernel documentation. Erişim tarihi: 5 Kasım 2026.