หน่วยความจำเข้าถึงแบบสุ่ม ( RAM ; / ræm / ) เป็น ^{หน่วย}ความจำคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดหนึ่งที่สามารถอ่านและเปลี่ยนแปลงได้ตามลำดับใดก็ได้ โดยทั่วไปใช้สำหรับจัดเก็บข้อมูล การทำงาน และรหัสเครื่อง[ ^{1 ] [ 2 ]}อุปกรณ์หน่วย ความจำ เข้าถึงแบบสุ่ม ช่วยให้สามารถ อ่าน หรือเขียน ข้อมูลได้ในเวลาเกือบเท่ากันโดยไม่คำนึงถึงตำแหน่งทางกายภาพของข้อมูลภายในหน่วยความจำ ซึ่งแตกต่างจากสื่อจัดเก็บข้อมูลแบบเข้าถึงโดยตรงอื่นๆ (เช่นฮาร์ดดิสก์และเทปแม่เหล็ก ) ที่เวลาที่ใช้ในการอ่านและเขียนข้อมูลจะแตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับตำแหน่งทางกายภาพบนสื่อบันทึก เนื่องจากข้อจำกัดทางกลไก เช่น ความเร็วในการหมุนของสื่อและการเคลื่อนที่ของแขน

ในเทคโนโลยีสมัยใหม่ หน่วยความจำแบบเข้าถึงโดยสุ่ม (RAM) จะอยู่ในรูปแบบของ ชิป วงจรรวม (IC) ที่มีเซลล์หน่วยความจำMOS (โลหะ-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์) โดยปกติแล้ว RAM จะเกี่ยวข้องกับ หน่วยความจำแบบ ระเหย ซึ่งข้อมูลที่จัดเก็บไว้จะหายไปหากตัดกระแสไฟ หน่วยความจำแบบเข้าถึงโดยสุ่มแบบเซมิคอนดักเตอร์แบบระเหยหลักๆ มีสองประเภทได้แก่หน่วยความจำแบบเข้าถึงโดยสุ่มแบบคงที่ (SRAM) และหน่วยความจำแบบเข้าถึงโดยสุ่มแบบไดนามิก (DRAM)

หน่วยความจำ RAM แบบไม่ระเหยได้รับการพัฒนาขึ้นเช่นกัน^{[ 3 ]} และ หน่วยความจำแบบไม่ระเหยประเภทอื่น ๆอนุญาตให้เข้าถึงแบบสุ่มสำหรับการดำเนินการอ่าน แต่ไม่อนุญาตให้ดำเนินการเขียนหรือมีข้อจำกัดประเภทอื่น ๆ ซึ่งรวมถึงหน่วย ความจำ ROMและNOR flash ส่วน ใหญ่

การใช้ RAM แบบเซมิคอนดักเตอร์มีมาตั้งแต่ปี 1965 เมื่อ IBM เปิดตัวชิป SRAM SP95 แบบโมโนลิธิก (ชิปเดี่ยว) ขนาด 16 บิต สำหรับ คอมพิวเตอร์ System/360 รุ่น 95และToshiba ใช้เซลล์หน่วยความจำ DRAM แบบไบโพลาร์สำหรับ เครื่องคิดเลขอิเล็กทรอนิกส์ Toscal BC-1411 ขนาด 180 บิตซึ่งทั้งสองแบบใช้ทรานซิสเตอร์แบบไบโพ ลาร์ แม้ว่าจะมีความเร็วสูงกว่าหน่วยความจำแบบแกนแม่เหล็กแต่ DRAM แบบไบโพลาร์ก็ไม่สามารถแข่งขันกับราคาที่ต่ำกว่าของหน่วยความจำแบบแกนแม่เหล็กซึ่งเป็นที่นิยมในขณะนั้นได้^{[ 4 ]}ในปี 1966 ดร. โรเบิร์ต เดนเนิร์ดได้คิดค้นสถาปัตยกรรม DRAM สมัยใหม่ซึ่งมีทรานซิสเตอร์ MOS เพียงตัวเดียวต่อตัวเก็บประจุ^{[ 5 ]}ชิป IC DRAM เชิงพาณิชย์ตัวแรกคือIntel 1103 ขนาด 1K เปิดตัวในเดือนตุลาคม 1970 หน่วยความจำแบบซิงโครนัสไดนามิกแรนดอม แอ็กเซส (SDRAM) ได้ถูกนำกลับมาใช้อีกครั้งด้วย ชิป Samsung KM48SL2000 ในปี 1992

คอมพิวเตอร์ยุคแรกใช้รีเลย์ ตัวนับเชิงกล^{[ 6 ]}หรือสายหน่วงเวลาสำหรับฟังก์ชันหน่วยความจำหลัก สายหน่วงเวลาอัลตราโซนิกเป็นอุปกรณ์อนุกรมที่สามารถสร้างข้อมูลได้เฉพาะในลำดับที่เขียนเท่านั้นหน่วยความจำแบบดรัมสามารถขยายได้ในราคาที่ค่อนข้างต่ำ แต่การเรียกค้นรายการหน่วยความจำอย่างมีประสิทธิภาพต้องอาศัยความรู้เกี่ยวกับเค้าโครงทางกายภาพของดรัมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพความเร็ว สลักที่สร้างจากหลอดสุญญากาศไตรโอดและต่อมาสร้างจากทรานซิสเตอร์แบบแยก ชิ้น ถูกนำมาใช้สำหรับหน่วยความจำขนาดเล็กและเร็วขึ้น เช่นรีจิสเตอร์ รีจิสเตอร์ดังกล่าวมีขนาดค่อนข้างใหญ่และมีราคาแพงเกินไปที่จะใช้สำหรับข้อมูลจำนวนมาก โดยทั่วไปแล้ว จะมีหน่วยความจำดังกล่าว เพียงไม่กี่สิบหรือไม่กี่ร้อยบิต เท่านั้น

หน่วยความจำแบบเข้าถึงแบบสุ่มรูปแบบแรกที่ใช้งานได้จริงคือหลอดวิลเลียมส์มันเก็บข้อมูลเป็นจุดที่มีประจุไฟฟ้าบนพื้นผิวของหลอดรังสีแคโทดเนื่องจากลำแสงอิเล็กตรอนของ CRT สามารถอ่านและเขียนจุดบนหลอดได้ในลำดับใดก็ได้ หน่วยความจำจึงเป็นแบบเข้าถึงแบบสุ่ม ความจุของหลอดวิลเลียมส์มีตั้งแต่ไม่กี่ร้อยถึงประมาณหนึ่งพันบิต แต่มีขนาดเล็กกว่า เร็วกว่า และประหยัดพลังงานมากกว่าการใช้แลตช์หลอดสุญญากาศแต่ละตัว หลอดวิลเลียมส์ได้รับการพัฒนาที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ในอังกฤษ และเป็นสื่อกลางที่ใช้ในการจัดเก็บโปรแกรมอิเล็กทรอนิกส์ครั้งแรกใน คอมพิวเตอร์ แมนเชสเตอร์เบบี้ซึ่งประสบความสำเร็จในการรันโปรแกรมครั้งแรกเมื่อวันที่ 21 มิถุนายน พ.ศ. 2491 ^{[ 7 ]}อันที่จริงแล้ว แทนที่จะออกแบบหน่วยความจำหลอดวิลเลียมส์สำหรับเบบี้ เบบี้กลับเป็นเครื่องทดสอบเพื่อแสดงให้เห็นถึงความน่าเชื่อถือของหน่วยความจำ^{[ 8 ] [ 9 ]}

หน่วยความจำแกนแม่เหล็กถูกคิดค้นขึ้นในปี พ.ศ. 2490 และได้รับการพัฒนาเรื่อยมาจนถึงกลางทศวรรษ พ.ศ. 2513 มันกลายเป็นรูปแบบหน่วยความจำเข้าถึงแบบสุ่มที่แพร่หลาย โดยอาศัยอาร์เรย์ของวงแหวนแม่เหล็ก โดยการเปลี่ยนทิศทางของสนามแม่เหล็กของแต่ละวงแหวน ข้อมูลสามารถจัดเก็บได้โดยเก็บหนึ่งบิตต่อวงแหวน เนื่องจากแต่ละวงแหวนมีสายแอดเดรสหลายเส้นเพื่อเลือกและอ่านหรือเขียนข้อมูล การเข้าถึงตำแหน่งหน่วยความจำใดๆ ในลำดับใดๆ ก็เป็นไปได้ หน่วยความจำแกนแม่เหล็กเป็นรูปแบบมาตรฐานของหน่วยความจำคอมพิวเตอร์จนกระทั่งถูกแทนที่ด้วยหน่วยความจำเซมิคอนดักเตอร์ในวงจรรวม (IC) ในช่วงต้นทศวรรษ พ.ศ. 2513 ^{[ 10 ]}

ก่อนการพัฒนา วงจรหน่วย ความจำแบบอ่านอย่างเดียว (ROM) หน่วยความจำแบบเข้าถึงโดยสุ่มถาวร (หรือแบบอ่านอย่างเดียว ) มักถูกสร้างขึ้นโดยใช้ เมทริกซ์ไดโอดที่ขับเคลื่อนด้วยตัวถอดรหัสที่อยู่หรือระนาบหน่วยความจำแบบเชือกแกนที่พันเป็น พิเศษ

หน่วยความจำเซมิคอนดักเตอร์ปรากฏขึ้นในช่วงทศวรรษ 1960 ด้วยหน่วยความจำแบบไบโพลาร์ ซึ่งใช้ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์แม้ว่าจะเร็วกว่า แต่ก็ไม่สามารถแข่งขันกับราคาที่ต่ำกว่าของหน่วยความจำแกนแม่เหล็กได้^{[ 11 ]}

ในปี พ.ศ. 2490 Frosch และ Derick ได้ผลิตทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าซิลิคอนไดออกไซด์ตัวแรกที่ Bell Labs ซึ่งเป็นทรานซิสเตอร์ตัวแรกที่ขั้วระบายและขั้วแหล่งจ่ายอยู่ติดกันที่พื้นผิว^{[ 12 ]}ต่อมาในปี พ.ศ. 2503 ทีมงานได้สาธิตMOSFET ที่ใช้งานได้จริง ที่ Bell Labs ^{[ 13 ] [ 14 ]}ซึ่งนำไปสู่การพัฒนา หน่วยความจำ โลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOS) โดย John Schmidt ที่Fairchild Semiconductorในปี พ.ศ. 2507 ^{[ 10 ] [ 15 ]}นอกจากความเร็วที่สูงขึ้นแล้วหน่วยความจำเซมิคอนดักเตอร์ MOS ยังมีราคาถูกกว่าและใช้พลังงานน้อยกว่าหน่วยความจำแกนแม่เหล็ก^{[ 10 ]}การพัฒนา เทคโนโลยี วงจรรวม MOS ที่มีเกตซิลิคอน (MOS IC) โดยFederico Fagginที่ Fairchild ในปี พ.ศ. 2511 ทำให้สามารถผลิตชิปหน่วยความจำ MOS ได้^{[ 16 ]}หน่วยความจำ MOS แซงหน้าหน่วยความจำแกนแม่เหล็กกลายเป็นเทคโนโลยีหน่วยความจำที่โดดเด่นในช่วงต้นทศวรรษ พ.ศ. 2513 ^{[ 10 ]}

หน่วยความจำแบบเข้าถึงแบบสุ่มคงที่แบบไบโพลาร์ (SRAM) แบบ บูรณา การถูกคิดค้นโดย Robert H. Norman ที่Fairchild Semiconductorในปี 1963 ^{[ 17 ]}ต่อมา John Schmidt ได้พัฒนา MOS SRAM ที่ Fairchild ในปี 1964 ^{[ 10 ]} SRAM กลายเป็นทางเลือกแทนหน่วยความจำแบบแกนแม่เหล็ก แต่ต้องใช้ทรานซิสเตอร์ MOS หกตัวสำหรับแต่ละบิตของข้อมูล^{[ 18 ]}การใช้งานเชิงพาณิชย์ของ SRAM เริ่มขึ้นในปี 1965 เมื่อIBMเปิดตัวชิปหน่วยความจำ SP95 สำหรับSystem/360 Model 95 ^{[ 11 ]}

หน่วยความจำแบบไดนามิกแรม (DRAM) ช่วยให้สามารถแทนที่วงจรแลตช์ที่มีทรานซิสเตอร์ 4 หรือ 6 ตัวด้วยทรานซิสเตอร์เพียงตัวเดียวสำหรับแต่ละบิตของหน่วยความจำ ซึ่งช่วยเพิ่มความหนาแน่นของหน่วยความจำได้อย่างมาก แต่ก็แลกมาด้วยความไม่เสถียร ข้อมูลถูกจัดเก็บไว้ในความจุขนาดเล็กของทรานซิสเตอร์แต่ละตัว และต้องมีการรีเฟรช เป็นระยะ ทุก ๆ สองสามมิลลิวินาที ก่อนที่ประจุจะรั่วไหลออกไป

เครื่องคิดเลขอิเล็กทรอนิกส์ Toscal BC-1411 ของToshibaซึ่งเปิดตัวในปี 1965 ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}ใช้ DRAM แบบไบโพลาร์ชนิดตัวเก็บประจุ โดยเก็บข้อมูล 180 บิตบนเซลล์หน่วยความจำ แบบแยกส่วน ซึ่งประกอบด้วย ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์เจอร์ มาเนียมและตัวเก็บประจุ^{[ 20 ] [ 21 ]}ตัวเก็บประจุยังถูกใช้ในรูปแบบหน่วยความจำก่อนหน้านี้ เช่น ดรัมของคอมพิวเตอร์ Atanasoff–BerryหลอดWilliamsและหลอด Selectronแม้ว่าจะมีความเร็วสูงกว่าหน่วยความจำแบบแกนแม่เหล็ก แต่ DRAM แบบไบโพลาร์ก็ไม่สามารถแข่งขันกับราคาที่ต่ำกว่าของหน่วยความจำแบบแกนแม่เหล็กซึ่งเป็นที่นิยมในขณะนั้นได้^{[ 22 ]}

ในปี พ.ศ. 2509 โรเบิร์ต เดนาร์ดขณะตรวจสอบคุณลักษณะของเทคโนโลยี MOS พบว่าเทคโนโลยีนี้สามารถสร้าง ตัวเก็บ ประจุได้ และการเก็บประจุหรือไม่มีประจุบนตัวเก็บประจุ MOS สามารถแทนค่า 1 และ 0 ของบิตได้ และทรานซิสเตอร์ MOS สามารถควบคุมการเขียนประจุลงในตัวเก็บประจุได้ ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาสถาปัตยกรรม DRAM สมัยใหม่ของเขา โดยมีทรานซิสเตอร์ MOS เพียงตัวเดียวต่อตัวเก็บประจุ^{[ 18 ]}ในปี พ.ศ. 2510 เดนาร์ดได้ยื่นจดสิทธิบัตรภายใต้ IBM สำหรับเซลล์หน่วยความจำ DRAM แบบทรานซิสเตอร์เดี่ยว โดยใช้เทคโนโลยี MOS ^{[ 18 ] [ 23 ]}ชิป IC DRAM เชิงพาณิชย์ตัวแรกคือIntel 1103ซึ่งผลิตบน กระบวนการ MOS 8  μmมีความจุ 1 กิโลบิตและวางจำหน่ายในปี พ.ศ. 2513 ^{[ 10 ] [ 24 ] [ 25 ]} 

DRAM รุ่นแรกๆ มักจะซิงโครไนซ์กับนาฬิกาของ CPU และใช้กับไมโครโปรเซสเซอร์รุ่นแรกๆ ในช่วงกลางทศวรรษ 1970 DRAM ได้เปลี่ยนไปใช้การออกแบบแบบอะซิงโครนัส แต่ในทศวรรษ 1990 ก็กลับมาใช้การทำงานแบบซิง โครนัสอีกครั้ง ^{[ 26 ] [ 27 ]}ในปี 1992 Samsung ได้ออก KM48SL2000 ซึ่งมีความจุ 16 ^{Mbit [ 28} ] ^[ 29 ^{] SDRAMอัตราข้อมูล}สองเท่าเชิงพาณิชย์ตัวแรกคือDDR SDRAM ขนาด 64 Mbit ของ Samsung ซึ่งวางจำหน่ายในเดือนมิถุนายน 1998 ^{[ 30 ]} GDDR (graphics DDR) เป็นรูปแบบหนึ่งของSGRAM (synchronous graphics RAM) ซึ่ง Samsung วางจำหน่ายครั้งแรกในรูปแบบชิปหน่วยความจำขนาด 16 Mbit ในปี 1998 ^{[ 31 ]}   

โดยทั่วไป คำว่าRAMหมายถึงเฉพาะอุปกรณ์หน่วยความจำแบบโซลิดสเตท และโดยเฉพาะอย่างยิ่งหน่วยความจำหลักในคอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่ หน่วยความจำแบบ RAM ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันมีสองรูปแบบ ได้แก่หน่วยความจำแบบสแตติก (SRAM) และหน่วยความจำแบบไดนามิก (DRAM) ใน SRAM บิตของข้อมูลจะถูกจัดเก็บโดยใช้สถานะของเซลล์หน่วยความจำซึ่งโดยทั่วไปจะใช้ MOSFET จำนวน 6 ตัว หน่วยความจำแบบ RAM นี้มีต้นทุนการผลิตสูงกว่า แต่โดยทั่วไปแล้วจะเร็วกว่าและใช้พลังงานคงที่น้อยกว่า DRAM ในคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ SRAM มักใช้เป็นหน่วยความจำแคชสำหรับ CPU DRAM จัดเก็บข้อมูลบิตโดยใช้ทรานซิสเตอร์และตัวเก็บประจุคู่หนึ่ง (โดยทั่วไปคือ MOSFET และตัวเก็บประจุ MOSตามลำดับ) ^{[ 32 ]}ซึ่งประกอบกันเป็นเซลล์ DRAM ตัวเก็บประจุจะเก็บประจุสูงหรือต่ำ (1 หรือ 0 ตามลำดับ) และทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ที่ช่วยให้วงจรควบคุมบนชิปอ่านสถานะประจุของตัวเก็บประจุหรือเปลี่ยนสถานะได้ เนื่องจากหน่วยความจำรูปแบบนี้มีต้นทุนการผลิตต่ำกว่าหน่วยความจำแบบสแตติก จึงเป็นหน่วยความจำคอมพิวเตอร์รูปแบบหลักที่ใช้ในคอมพิวเตอร์สมัยใหม่

ทั้งหน่วยความจำแบบสแตติกและแบบไดนามิกถือเป็นหน่วยความจำแบบระเหยได้เนื่องจากสถานะของมันจะหายไปเมื่อตัดกระแสไฟออกจากระบบ ในทางตรงกันข้ามหน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียว (ROM) จะเก็บข้อมูลโดยการเปิดหรือปิดทรานซิสเตอร์ที่เลือกไว้แบบถาวร ทำให้ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงหน่วยความจำได้ หน่วยความจำแบบเขียนได้ (เช่นEEPROMและNOR flash ) มีคุณสมบัติทั้งของ ROM และ RAM ทำให้ข้อมูลคงอยู่ได้แม้ไม่มีกระแสไฟ และสามารถอัปเดตได้โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์พิเศษ

หน่วยความจำ ECC (ซึ่งอาจเป็น SRAM หรือ DRAM ก็ได้) ประกอบด้วยวงจรพิเศษเพื่อตรวจจับและ/หรือแก้ไขข้อผิดพลาดแบบสุ่ม (ข้อผิดพลาดของหน่วยความจำ) ในข้อมูลที่จัดเก็บ โดยใช้บิตพาริตีหรือรหัสแก้ไขข้อผิดพลาด

เซลล์หน่วยความจำคือหน่วยพื้นฐานของหน่วยความจำคอมพิวเตอร์เซลล์หน่วยความจำเป็นวงจรไฟฟ้าที่เก็บข้อมูลไบนารีหนึ่งบิต เซลล์สามารถตั้งค่าให้เก็บค่าตรรกะ 1 (ระดับแรงดันสูง) และรีเซ็ตเพื่อเก็บค่าตรรกะ 0 (ระดับแรงดันต่ำ) ค่าของมันจะคงอยู่จนกว่าจะมีการเปลี่ยนแปลงโดยกระบวนการตั้งค่า/รีเซ็ต สามารถเข้าถึงค่าในเซลล์หน่วยความจำได้โดยการอ่านค่าจากเซลล์นั้น

ใน SRAM เซลล์หน่วยความจำคือวงจร ฟลิปฟลอปชนิดหนึ่งซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะใช้FET ในการสร้าง นั่นหมายความว่า SRAM ใช้พลังงานต่ำมากเมื่อไม่ได้ใช้งาน แต่ก็มีความซับซ้อน ราคาแพง และมีความหนาแน่นในการจัดเก็บข้อมูลต่ำ

หน่วยความจำแบบที่สองคือ DRAM ซึ่งมีพื้นฐานมาจากตัวเก็บประจุ การชาร์จและการคายประจุของตัวเก็บประจุนี้สามารถเก็บค่า 1 หรือ 0 ไว้ในเซลล์ได้ อย่างไรก็ตาม ประจุในตัวเก็บประจุนี้จะค่อยๆ รั่วไหลออกไปและต้องมีการเติมประจุใหม่เป็นระยะๆ เนื่องจากกระบวนการเติมประจุใหม่นี้ DRAM จึงใช้พลังงานมากกว่า แต่สามารถจัดเก็บข้อมูลได้หนาแน่นกว่าและมีต้นทุนต่อหน่วยต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ SRAM

เพื่อให้ใช้งานได้ เซลล์หน่วยความจำต้องสามารถอ่านและเขียนได้ ภายในอุปกรณ์ RAM จะใช้วงจรการมัลติเพล็กซ์และการดีมัลติเพล็กซ์ เพื่อเลือกเซลล์หน่วยความจำ โดยทั่วไป อุปกรณ์ RAM จะมีชุดสายแอดเดรส และสำหรับแต่ละชุดบิตที่อาจป้อนเข้าไปในสายเหล่านี้ จะมีการเลือกชุดเซลล์หน่วยความจำ เนื่องจากการกำหนดแอดเดรสแบบนี้ อุปกรณ์ RAM จึงมักมีความจุหน่วยความจำที่เป็นกำลังสองเสมอ ${\displaystyle A_{0},A_{1},...A_{n}}$

โดยปกติแล้ว เซลล์หน่วยความจำหลายเซลล์จะใช้แอดเดรสเดียวกัน ตัวอย่างเช่น ชิป RAM ขนาด 4 บิต จะมีเซลล์หน่วยความจำสี่เซลล์สำหรับแต่ละแอดเดรส บ่อยครั้งที่ความกว้างของหน่วยความจำและความกว้างของไมโครโปรเซสเซอร์จะแตกต่างกัน สำหรับไมโครโปรเซสเซอร์ 32 บิต จะต้องใช้ชิป RAM ขนาด 4 บิต จำนวนแปดชิป

บ่อยครั้งที่จำเป็นต้องใช้ที่อยู่มากกว่าที่อุปกรณ์ตัวเดียวสามารถจัดหาได้ ในกรณีดังกล่าว จะใช้อุปกรณ์หลายตัว โดยใช้มัลติเพล็กเซอร์ภายนอกเพื่อเลือกอุปกรณ์ที่กำหนดให้กับช่วงที่อยู่เฉพาะ RAM มักจะสามารถระบุที่อยู่ได้ทีละไบต์ แม้ว่าจะมี RAM ที่สามารถระบุที่อยู่ได้ทีละเวิร์ดอยู่ด้วยก็ตาม^{[ 33 ] [ 34 ]}

ระบบคอมพิวเตอร์หลายระบบมีลำดับชั้นของหน่วยความจำ ซึ่งประกอบด้วยรีจิสเตอร์ของโปรเซสเซอร์แคชSRAMบนชิป แคชภายนอก DRAM ระบบเพจจิ้งหน่วยความจำ และ หน่วยความจำเสมือนหรือพื้นที่สวอปบนSSDหรือฮาร์ดไดรฟ์หน่วย ความจำทั้งหมดนี้อาจเรียกว่า RAM จากมุมมองของการเขียนโปรแกรม เป้าหมายโดยรวมของการใช้ลำดับชั้นของหน่วยความจำคือการได้รับ เวลาเข้าถึงเฉลี่ยที่เร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในขณะที่ลดต้นทุนโดยรวมของระบบหน่วยความจำทั้งหมดให้เหลือน้อยที่สุด

นอกจากจะทำหน้าที่เป็นพื้นที่จัดเก็บข้อมูลและพื้นที่ทำงานชั่วคราวสำหรับระบบปฏิบัติการและแอปพลิเคชันแล้ว RAM ยังถูกนำไปใช้ในหลายๆ ด้านอีกด้วย

ระบบปฏิบัติการสมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้กลไกที่เรียกว่าหน่วยความจำเสมือน (virtual memory) เพื่อขยายความจุของ RAM โดยจะจัดสรร ส่วนหนึ่งของ ฮาร์ดไดรฟ์หรือSSD ของคอมพิวเตอร์ไว้สำหรับ ไฟล์เพจจิ้ง ( paging file) หรือพาร์ติชั่นชั่วคราว (scratch partition ) และการรวมกันของ RAM จริงและไฟล์เพจจิ้งจะประกอบเป็นหน่วยความจำทั้งหมดของระบบ ตัวอย่างเช่น หากคอมพิวเตอร์มี RAM 2 GB และไฟล์เพจจิ้งขนาด 1 GB ระบบปฏิบัติการจะมีหน่วยความจำทั้งหมด 3 GB ให้ใช้งาน เมื่อระบบมีหน่วยความจำจริงเหลือน้อย ระบบสามารถสลับส่วนของ RAM ไปยังไฟล์เพจจิ้งเพื่อสร้างพื้นที่สำหรับข้อมูลใหม่ เมื่อต้องการใช้ข้อมูลที่สลับไปก่อนหน้านี้อีกครั้ง ระบบจะทำการสลับอีกครั้งเพื่ออ่านข้อมูลกลับเข้าไปใน RAM การใช้งานกลไกนี้มากเกินไปจะทำให้เกิด การทำงาน ที่เชื่องช้า (thrashing) และโดยทั่วไปจะขัดขวางประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ เนื่องจากฮาร์ดไดรฟ์ทำงานช้ากว่า RAM มาก

ซอฟต์แวร์สามารถแบ่งพาร์ติชั่นส่วนหนึ่งของ RAM ในคอมพิวเตอร์ ทำให้สามารถทำงานเหมือนฮาร์ดไดรฟ์ที่เร็วกว่ามาก ซึ่งเรียกว่า RAM drive โดยทั่วไปแล้ว RAM drive จะสูญเสียข้อมูลที่จัดเก็บไว้เมื่อปิดเครื่องคอมพิวเตอร์^{[ a ]}

บางครั้ง เนื้อหาของชิป ROM ที่ทำงานค่อนข้างช้าจะถูกคัดลอกไปยัง RAM เพื่อให้สามารถเข้าถึงข้อมูลได้รวดเร็วยิ่งขึ้น จากนั้นชิป ROM จะถูกปิดใช้งานในขณะที่ตำแหน่งหน่วยความจำที่เริ่มต้นใช้งานแล้วจะถูกสลับเข้ามาแทนที่ในบล็อกแอดเดรสเดียวกัน (ซึ่งมักจะมีการป้องกันการเขียน) กระบวนการนี้ บางครั้งเรียกว่าการทำสำเนาเงา (shadowing ) ซึ่งค่อนข้างพบได้ทั่วไปทั้งในคอมพิวเตอร์และระบบ ฝังตัว

ตัวอย่างทั่วไปBIOSในคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลทั่วไปมักมีตัวเลือกที่เรียกว่า "ใช้ BIOS เงา" หรือคล้ายกัน เมื่อเปิดใช้งาน ฟังก์ชันที่อาศัยข้อมูลจาก ROM ของ BIOS จะใช้ตำแหน่ง DRAM แทน (ส่วนใหญ่ยังสามารถสลับการสร้างเงาของ ROM การ์ดวิดีโอหรือส่วน ROM อื่นๆ ได้ด้วย) หน่วยความจำว่างจะลดลงตามขนาดของ ROM ที่เป็นเงา ขึ้นอยู่กับระบบ สิ่งนี้อาจไม่ส่งผลให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นและอาจทำให้เกิดความไม่เข้ากัน ตัวอย่างเช่น ฮาร์ดแวร์บางอย่างอาจไม่สามารถเข้าถึงได้โดยระบบปฏิบัติการหากใช้ RAM เงา ในบางระบบ ประโยชน์อาจเป็นเพียงสมมติฐานเนื่องจากไม่ได้ใช้ BIOS หลังจากบูตเครื่อง^{[ 35 ]}

บริการ เครือข่ายส่วนตัวเสมือนบางบริการใช้เซิร์ฟเวอร์ RAM เพื่อเก็บสถานะการทำงานทั้งหมด รวมถึงเมตาเดตาเซสชันและวัสดุการเข้ารหัสไว้ในหน่วยความจำชั่วคราวซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อปรับปรุงความปลอดภัยเมื่อเทียบกับการออกแบบที่ใช้ดิสก์เป็นตัวสำรอง^{[ 36 ] [ 37 ]}ในการออกแบบดังกล่าว จะไม่มีการเขียนข้อมูลลงในฮาร์ดไดรฟ์ ข้อมูลทั้งหมดจะอยู่ในหน่วยความจำชั่วคราวและจะถูกลบออกทุกครั้งที่เซิร์ฟเวอร์ปิดเครื่องหรือรีบูต^{[ 38 ]}

กำแพงหน่วยความจำคือความแตกต่างที่เพิ่มขึ้นของความเร็วระหว่าง CPU และเวลาตอบสนองของหน่วยความจำ (เรียกว่าความหน่วงของหน่วยความจำ ) ที่อยู่นอกชิป CPU เหตุผลสำคัญสำหรับความแตกต่างนี้คือแบนด์วิดธ์การสื่อสารที่จำกัดนอกขอบเขตของชิป ตั้งแต่ปี 1986 ถึง 2000 ความเร็ว ของ CPUดีขึ้นในอัตราปีละ 55% ในขณะที่เวลาตอบสนองของหน่วยความจำนอกชิปดีขึ้นเพียง 10% เมื่อพิจารณาจากแนวโน้มเหล่านี้ จึงคาดการณ์ได้ว่าความหน่วงของหน่วยความจำจะกลายเป็นคอขวด ที่สำคัญ ในประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์^{[ 39 ]}

อีกเหตุผลหนึ่งที่ทำให้เกิดความแตกต่างนี้คือขนาดหน่วยความจำที่เพิ่มขึ้นอย่างมหาศาลนับตั้งแต่เริ่มต้นการปฏิวัติพีซีในทศวรรษ 1980 เดิมทีพีซีมี RAM น้อยกว่า 1 เมกะไบต์ซึ่งมักมีเวลาตอบสนอง 1 รอบสัญญาณนาฬิกาของซีพียู หมายความว่าไม่จำเป็นต้องมีสถานะรอ (wait state ) หน่วยความจำขนาดใหญ่จะทำงานช้ากว่าหน่วยความจำขนาดเล็กประเภทเดียวกันโดยธรรมชาติ เนื่องจากสัญญาณใช้เวลานานกว่าในการเดินทางผ่านวงจรขนาดใหญ่ การสร้างหน่วยความจำขนาดหลายกิกะไบต์ที่มีเวลาตอบสนอง 1 รอบสัญญาณนาฬิกาเป็นเรื่องยากหรือเป็นไปไม่ได้ ซีพียูสมัยใหม่มักยังมีหน่วยความจำแคชแบบไม่ต้องมีสถานะรอ แต่เนื่องจากข้อจำกัดด้านแบนด์วิดท์ของการสื่อสารระหว่างชิป จึงต้องอยู่บนชิปเดียวกันกับแกนซีพียู นอกจากนี้ยังต้องสร้างจาก RAM แบบคงที่ ซึ่งมีราคาแพงกว่า RAM แบบไดนามิกที่ใช้สำหรับหน่วยความจำขนาดใหญ่กว่ามาก

การพัฒนาความเร็วของ CPU ชะลอตัวลงอย่างมาก ส่วนหนึ่งเนื่องมาจากข้อจำกัดทางกายภาพที่สำคัญ และส่วนหนึ่งเป็นเพราะการออกแบบ CPU ได้ติดขีดจำกัดของหน่วยความจำในบางแง่Intelสรุปสาเหตุเหล่านี้ไว้ในเอกสารฉบับปี 2548 ^{[ 40 ]}

ประการแรก เมื่อขนาดของชิปเล็ลงและความถี่สัญญาณนาฬิกาสูงขึ้นกระแสรั่วไหล ของทรานซิสเตอร์ ก็จะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้สิ้นเปลืองพลังงานและเกิดความร้อนมากขึ้น... ประการที่สอง ข้อดีของความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่สูงขึ้นนั้นถูกลดทอนลงบางส่วนด้วยความหน่วงของหน่วยความจำ เนื่องจากเวลาในการเข้าถึงหน่วยความจำไม่สามารถตามทันความถี่สัญญาณนาฬิกาที่เพิ่มขึ้นได้ ประการที่สาม สำหรับบางแอปพลิเคชัน สถาปัตยกรรมแบบอนุกรมแบบดั้งเดิมกำลังมีประสิทธิภาพลดลงเมื่อโปรเซสเซอร์เร็วขึ้น (เนื่องจากสิ่งที่เรียกว่าคอขวดของฟอน นอยมันน์ ) ซึ่งยิ่งลดทอนผลประโยชน์ใดๆ ที่การเพิ่มความถี่อาจนำมาให้ได้ นอกจากนี้ ส่วนหนึ่งเนื่องจากข้อจำกัดในวิธีการผลิตความเหนี่ยวนำภายในอุปกรณ์โซลิดสเตต ความ ล่าช้า ของความต้านทาน-ความจุ (RC) ในการส่งสัญญาณจึงเพิ่มขึ้นเมื่อขนาดของฟีเจอร์เล็ลง ทำให้เกิดคอขวดเพิ่มเติมที่การเพิ่มความถี่ไม่สามารถแก้ไขได้

ความล่าช้า RC ในการส่งสัญญาณยังถูกบันทึกไว้ใน "อัตรานาฬิกาเทียบกับ IPC: จุดจบของสถาปัตยกรรมไมโครแบบดั้งเดิม" ^{[ 41 ]}ซึ่งคาดการณ์การปรับปรุงประสิทธิภาพ CPU เฉลี่ยสูงสุด 12.5% ​​ต่อปีระหว่างปี 2000 ถึง 2014

แนวคิดที่แตกต่างออกไปคือช่องว่างประสิทธิภาพระหว่างโปรเซสเซอร์และหน่วยความจำ ซึ่งสามารถแก้ไขได้ด้วยวงจรรวม 3 มิติที่ช่วยลดระยะห่างระหว่างตรรกะควบคุมและเซลล์หน่วยความจำที่อยู่ห่างกันมากขึ้นในชิป 2 มิติ^{[ 42 ]}การออกแบบระบบย่อยหน่วยความจำจำเป็นต้องให้ความสำคัญกับช่องว่างนี้ ซึ่งกำลังกว้างขึ้นเรื่อยๆ^{[ 43 ]}วิธีหลักในการเชื่อมช่องว่างนี้คือการใช้แคช หน่วยความจำความเร็วสูงขนาดเล็กที่เก็บข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับการดำเนินการล่าสุดใกล้กับโปรเซสเซอร์ ทำให้การเข้าถึงข้อมูลนี้เร็วขึ้นในกรณีที่มีการเรียกใช้บ่อยๆ มีการพัฒนาแคชหลายระดับเพื่อรับมือกับช่องว่างที่กว้างขึ้น และประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ความเร็วสูงสมัยใหม่ขึ้นอยู่กับเทคนิคการแคชที่กำลังพัฒนา^{[ 44 ]}อาจมีความแตกต่างกันถึง 53% ระหว่างการเติบโตของความเร็วของโปรเซสเซอร์และความเร็วในการเข้าถึงหน่วยความจำหลักที่ล่าช้า^{[ 45 ]}

ฮาร์ดไดรฟ์โซลิดสเตทมีความเร็วเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง จากประมาณ 400 Mbit/s ผ่านSATA3ในปี 2012 ไปจนถึงประมาณ 7 GB/s ผ่านNVMe / PCIeในปี 2024 ทำให้ช่องว่างระหว่างความเร็วของ RAM และฮาร์ดดิสก์แคบลง แม้ว่า RAM จะยังคงเร็วกว่าหลายเท่า โดยDDR5 8000MHz แบบเลนเดียวสามารถทำความเร็วได้ถึง 128 GB/s และGDDR รุ่นใหม่ ก็เร็วกว่านั้นอีก ไดรฟ์โซลิดสเตทแบบเร็ว ราคาถูก และไม่ระเหยได้เข้ามาแทนที่บางหน้าที่ที่เคยทำโดย RAM เช่น การเก็บข้อมูลบางอย่างเพื่อให้พร้อมใช้งานได้ทันทีในฟาร์มเซิร์ฟเวอร์ - พื้นที่เก็บข้อมูล SSD ขนาด 1 เทราไบต์มีราคาเพียง 200 ดอลลาร์ ในขณะที่ RAM ขนาด 1 เทราไบต์จะมีราคาหลายพันดอลลาร์^{[ 46 ] [ 47 ]}

• สื่อที่เกี่ยวข้องกับRAMใน Wikimedia Commons