Le tecnologie di memoria si differenziano per velocità, costo, consumi, capacità e volatilità. Ogni tipo è utilizzato in uno specifico livello della gerarchia della memoria, a seconda delle esigenze del sistema: prestazioni, costo o persistenza dei dati.
SRAM (STATIC RANDOM ACCESS MEMORY)
Caratteristiche
- Volatile: i dati si perdono senza alimentazione
- Alta velocità: accesso molto rapido
- Nessun refresh: mantiene i dati finché alimentata
- Costosa: elevato costo per bit
- Consumo energetico elevato
Uso tipico
Utilizzata per cache di livello L1, L2, L3 e nei registri interni a microcontrollori embedded.
Funzionamento
Ogni bit è immagazzinato usando un flip-flop (tipicamente 6 transistor), che mantiene stabile il valore logico (0 o 1) senza necessità di aggiornamenti periodici.
DRAM (DYNAMIC RANDOM ACCESS MEMORY)
Caratteristiche
- Volatile
- Media velocità
- Necessita di refresh periodico
- Alta densità: più bit per chip rispetto alla SRAM
- Più economica della SRAM
Uso tipico
Usata come memoria principale (RAM) nei computer e come Interfacciata tramite bus di memoria ad alta larghezza di banda (es. DDR4, DDR5)
Funzionamento
Ogni bit è rappresentato da un condensatore + transistor: Il condensatore trattiene la carica (0 o 1) per un tempo limitato È necessario rinfrescare i dati costantemente (~ogni 64 ms)
FLASH (SSD)
Caratteristiche
- Non volatile: i dati restano anche senza alimentazione
- Velocità intermedia tra DRAM e disco
- Accesso a blocchi, non byte a byte
- Cancellazione limitata: numero finito di cicli di scrittura
- Nessun refresh necessario
Uso tipico
SSD (Solid State Drive) Firmware (BIOS, bootloader) Schede SD, USB flash drive
Funzionamento
I bit sono memorizzati tramite cariche elettriche intrappolate in un gate flottante all’interno di un transistor MOSFET modificato.
MEMORIA A DISCO (HDD)
Caratteristiche
- Non volatile
- Molto lenta: tempi di accesso nell’ordine dei millisecondi
- Economica
- Elevatissima capacità
- Parte meccanica: piatti rotanti e testine mobili
Uso tipico
Memoria di massa per sistemi desktop/server Archiviazione di dati freddi (accesso infrequente)
Funzionamento
Elementi meccanici:
- Piatti (platters): dischi rigidi rivestiti di materiale magnetico montati sullo stesso asse che ruotano tutti insieme.
- Motore di rotazione (spindle motor): motore dell’asse che fa ruotare tutti i dischi uniformemente a velocità costante (es. 5.400, 7.200, 10.000 RPM)
- Braccio attuatore (actuator arm): struttura meccanica mobile che sposta radialmente le testine sul disco.
- Attuatore a bobina (voice coil actuator): sistema elettromagnetico che muove i bracci tutti insieme (il movimento dei bracci non è indipendente) con estrema precisione.
- Testine di lettura/scrittura: dispositivi elettromagnetici microscopici, montati all’estremità del braccio attuatore, che leggono e scrivono i dati magnetizzando o rilevando la magnetizzazione della superficie dei dischi, senza contatto fisico diretto (distanza di pochi nanometri).
Composizione di un platter:
Superficie magnetica: ogni piatto ha due superfici (superiore e inferiore) e ogni superficie è divisa logicamente in:
- Tracce (tracks): cerchi concentrici a un raggio fisso dal centro.
- Settori (sectors): suddivisioni angolari delle tracce e unità minime di lettura/scrittura (tipicamente 512 B o 4 KB).
- Cilindri: le tracce con stesso raggio su superfici diverse formano un cilindro, per spostarsi tra tracce dello stesso cilindro basta selezionare una testina diversa (non richiede seek), infatti come abbiamo detto le testine si muovono tutte insieme.
N.B. La capacità totale di memoria di un hard disk corrisponde a C = H · T · S · B dove: H è il numero di superfici, T il numero di tracce per superficie, S il numero di settori per traccia e B il numero di byte per settore.
Posizionamento del dato:
Il tempo di lettura/scrittura (DTT) di un dato è dato da 3 azioni:
- Seek time (ST): il braccio si muove fino al cilindro corretto
- Rotational latency (ROT): attesa che il settore desiderato passi sotto la testina
- Transfer time (TT): lettura/scrittura effettiva del dato