記憶體是什麼？從發展史到現代電腦的核心元件

更新日期： 2025 年 3 月 4 日

當你使用電腦時，可能會注意到記憶體（RAM, Random Access Memory）的大小，例如 8GB、16GB 或 32GB。但記憶體究竟是做什麼的？

它是電腦的一部分還是後來發明來輔助硬碟的？為什麼增加記憶體可以讓電腦變快？

這篇文章將帶你了解記憶體的發展史、它的用途，以及它如何成為現代電腦中不可或缺的核心組件。

記憶體的誕生

記憶體並不是電腦一開始就具備的標準配件，而是在計算機技術發展過程中，為了提高運算速度和效率而誕生的。

計算機的早期存儲技術（1940s – 1950s）

在電腦發展的初期，並沒有現代意義上的「記憶體」。當時的計算機主要依靠穿孔卡（Punch Card）和磁鼓記憶體（Magnetic Drum Memory）來存儲數據和程式。

• 穿孔卡（Punch Card）：以打孔的方式存儲數據，每張卡片只能存極少量的資訊，且存取方式是序列式的，讀取效率低。
• 磁鼓記憶體（Magnetic Drum）：類似於後來的硬碟，使用旋轉的磁鼓來存儲數據，但存取速度仍然有限。

這些存儲方式都面臨同樣的問題：存取數據的速度太慢，無法跟上 CPU 的運算速度。

即使 CPU 的計算能力越來越強大，但如果每次運算都需要等候慢速存儲裝置讀取數據，那麼 CPU 就無法發揮其真正的效能。

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  CPU["CPU (中央處理器)"] -->|讀取資料| HDD["HDD/SSD (硬碟)"]
  HDD -->|提供數據| CPU
  CPU -->|處理數據| HDD
  HDD -->|存回數據| CPU

記憶體的誕生：解決 CPU 與存儲設備的速度差異

記憶體（RAM）的主要目標，是解決 CPU 和存儲設備之間的速度落差，提升運算效能。

如果沒有記憶體，電腦在運行程式時，每次都需要從磁鼓或磁帶存取數據，這會導致 CPU 經常處於等待狀態，而無法高效運作。

為了改善這個問題，科學家發明了隨機存取記憶體（RAM, Random Access Memory），它能夠以極快的速度存取數據，並在 CPU 需要時即時提供資料。

graph TD
  CPU["CPU (中央處理器)"] -->|讀取/寫入數據| RAM["RAM (記憶體)"]
  RAM -->|快取數據| CPU
  RAM -->|載入/儲存數據| HDD["HDD/SSD (硬碟)"]
  HDD -->|提供數據| RAM

記憶體與硬碟的關係：快取緩衝區的角色

當硬碟（HDD）出現後，它成為了主要的長期存儲設備，但硬碟仍然比 CPU 慢很多。

因此，記憶體的角色變得更加重要，它的主要任務是：

1. 臨時存放 CPU 需要的數據：
   • 當你開啟一個應用程式，電腦會先將數據從硬碟讀取到記憶體中，讓 CPU 能夠更快地存取這些數據。
   • 這樣可以減少 CPU 直接與硬碟交互的頻率，提升執行效率。
2. 多工處理（Multitasking）：
   • 記憶體允許電腦同時運行多個應用程式，因為每個應用程式的數據都可以保存在記憶體中，隨時供 CPU 存取。
3. 減少硬碟存取次數，延長硬碟壽命：
   • 由於硬碟有機械結構，每次讀取數據都會產生磨損，因此記憶體的存在可以減少硬碟的存取次數，延長硬碟的壽命。

電腦在存儲數據時，會根據 數據的用途、存取頻率與持久性 來決定數據存放的位置。這主要依賴 作業系統（OS） 和 CPU 記憶體管理機制，以下是主要的決策原則：

存入記憶體（RAM）的數據

記憶體的特性是 存取速度快，但它是揮發性記憶體（Volatile Memory），斷電後數據會消失，因此電腦通常會將 短期需要的數據 放入 RAM。

哪些數據會存入 RAM？

✅ 執行中的應用程式（Processes）

• 當你開啟瀏覽器、文書編輯軟體、遊戲或其他應用程式時，電腦會將這些應用的數據載入 RAM，讓 CPU 可以快速存取。

✅ 作業系統核心（OS Kernel）

• Windows、macOS 或 Linux 會將核心程序（Kernel） 與常用的系統函式庫載入 RAM，以確保系統順暢運作。

✅ 近期存取的檔案與數據（File Caching）

• 當你開啟一個檔案（例如 Word 文件、圖片、影片），電腦會將檔案的部分數據暫存於 RAM，以加快存取速度。

✅ 網頁瀏覽快取（Browser Cache）

• 瀏覽器會將最近載入的網頁資料存入記憶體，這樣當你返回上一頁時，不需要重新載入所有數據。

✅ 遊戲中的即時數據

• 遊戲運行時，場景、角色資訊、貼圖等資料會載入 RAM，確保畫面流暢，避免頻繁讀取硬碟導致遊戲卡頓。

✅ 多工處理（Multitasking）

• 如果你同時開啟多個應用程式，作業系統會在 RAM 中為每個程式分配一定的記憶體空間，讓它們可以隨時運作，而不需要重新載入。

存入硬碟（HDD/SSD）的數據

硬碟的特性是存取速度較慢，但它是非揮發性存儲（Non-Volatile Storage），斷電後數據仍可保存。因此，電腦會將 長期需要的數據 存入硬碟。

哪些數據會存入硬碟？

✅ 作業系統與應用程式（OS & Software）

• Windows、macOS、Linux 以及所有應用程式（如 Microsoft Office、Photoshop、遊戲）都安裝在硬碟上，只有當它們執行時，相關數據才會載入 RAM。

✅ 使用者檔案（Documents, Pictures, Videos, Music）

• 你的文件、照片、影片、音樂等個人資料都存放在硬碟上，因為這些資料需要長期保留，即使電腦關機後也不會消失。

✅ 大型數據庫與遊戲安裝檔案

• 由於 RAM 容量有限，無法存放所有遊戲與軟體數據，因此這些內容會長期存放在硬碟上，當需要時再讀取到 RAM。

✅ 備份與系統還原檔案（Backup & Restore Points）

• 作業系統會定期在硬碟中建立備份點，讓使用者在系統故障時可以回復數據。

✅ 虛擬記憶體（Page File / Swap File）

• 當 RAM 不足時，作業系統會使用硬碟作為「虛擬記憶體」，暫存部分資料，但這種方式會導致運行速度變慢，因為硬碟比 RAM 慢得多。

記憶體與硬碟的配合運作

有記憶體時

1️⃣ 開啟應用程式 → 作業系統從硬碟載入應用程式數據到 RAM。
2️⃣ 執行應用程式 → CPU 直接從 RAM 存取數據，速度快。
3️⃣ 修改數據 → 應用程式運行時，變更的數據暫存於 RAM 中。
4️⃣ 關閉應用程式 → 變更的數據會寫回硬碟（如 Word 自動儲存）。

記憶體不足時，電腦會怎麼做？

當記憶體（RAM）容量不足時，電腦可能會發生以下情況：

1️⃣ 使用「虛擬記憶體」（Page File / Swap File）

• 作業系統會在硬碟上建立一個交換檔案（Swap / Page File），模擬 RAM 來存放暫時不需要的數據。
• 缺點：由於硬碟比 RAM 慢得多（尤其是 HDD），這會讓電腦變得遲鈍，甚至導致卡頓。

2️⃣ 自動清理記憶體

• 作業系統會將不常使用的數據從 RAM 釋放，將其存回硬碟，以騰出更多記憶體給新程式使用。

3️⃣ 終止部分應用程式（強制關閉）

• 當記憶體耗盡時，作業系統可能會強制關閉某些佔用大量記憶體的應用程式，以避免系統崩潰（當開太多 Chrome 分頁時可能會發生😆）。

什麼是隨機存取記憶體？

在電腦領域，「隨機存取記憶體（Random Access Memory, RAM）」 是 CPU 存取數據時的重要中介。

許多人可能會誤解「隨機存取」的意思，以為它代表數據可以隨便亂存，但實際上，「隨機」的真正含義是 「能夠快速存取記憶體中的任意位置」，而不需要按照特定順序讀取數據。

這種存取方式與早期的順序存取技術（Sequential Access） 完全不同。

在順序存取模式下，電腦必須依照數據存放的順序依次讀取，無法直接跳至目標數據，導致存取速度受到極大限制。

而隨機存取技術允許 CPU 直接存取所需數據，提高運算效率，這就是 RAM 在電腦中的核心價值。

隨機存取 vs. 順序存取：核心概念

在理解「隨機存取」之前，讓我們先看看電腦如何存取數據，並比較兩種不同的存取方式。

📌 順序存取（Sequential Access）

順序存取則是電腦必須依照數據存放的順序讀取數據，若要存取較後面的數據，就必須先讀取前面的數據，這導致存取速度受到很大限制。

常見的順序存取存儲設備包括磁帶與傳統硬碟（HDD）。

❌ 只能按照存放的順序存取數據，無法直接跳至目標數據。
❌ 存取時間不固定，因為需要逐步搜尋特定數據，會因為數據位置不同而影響存取時間。
❌ 適用於磁帶、HDD 等傳統存儲裝置，例如讀取磁帶中的影片，必須先從頭播放，無法立即跳到目標片段。

👉 這就是 早期穿孔卡、磁帶、磁鼓 等存儲裝置的存取方式，速度慢且效率低，遠遠落後於現代 RAM 所提供的隨機存取效能。

📌 隨機存取（Random Access）

隨機存取指的是電腦可以直接存取記憶體中的任何位址（Address），無需依序讀取前面的數據，這樣 CPU 可以更快獲取所需資料。

隨機存取的特點如下：

✅ 可以直接存取記憶體中的任意位置，無需依序讀取其他數據。
✅ 存取時間固定（幾十奈秒 ns），不會因為數據存放位置不同而影響存取速度。
✅ 適用於 CPU 進行高速運算，讓程式執行流暢，適合多工處理。

👉 這就是 現代記憶體（RAM） 所使用的存取方式，讓 CPU 能夠快速取得運算所需的數據，而不必等待整個記憶體依序讀取。

舉例說明：隨機存取 vs. 順序存取

如果這些技術概念讓你感到抽象，以下是幾個簡單的生活例子，幫助你理解隨機存取與順序存取的差異。

🎯 例子 1：書籍 vs. 捲軸

• 隨機存取（RAM）：就像一本書，你可以直接翻到第 50 頁，立即閱讀內容，不需要從第 1 頁開始逐頁翻閱。
• 順序存取（磁帶、磁鼓）：就像一個捲軸，如果你要讀第 50 頁的內容，必須先從第 1 頁開始滾動，一頁一頁找到第 50 頁，這需要較長的時間。

👉 結論：隨機存取記憶體允許 CPU 立即存取所需數據，而順序存取則需要較長的搜尋時間。

🎯 例子 2：硬碟（HDD） vs. 記憶體（RAM）

假設你的電腦中有一份 Excel 檔案，你點擊開啟時：

• 如果數據已經載入 RAM：電腦可以立即存取數據，開啟速度極快（幾百毫秒）。
• 如果數據仍在 HDD（硬碟）：電腦必須讓磁頭移動到正確的位置，然後依序讀取資料，因此開啟速度較慢（幾秒鐘）。

👉 這也是為什麼 記憶體（RAM）存取速度比硬碟快數百倍，因為 RAM 允許 CPU 直接存取所需的數據，而不需要等待機械磁頭移動。

為什麼 CPU 需要隨機存取記憶體？

CPU 在執行程式時，會頻繁存取程式代碼（Code）、運算數據（Data）、系統變數等資料，這些數據往往存放在記憶體的不同區塊。

如果 CPU 必須按照順序依次讀取這些數據，那麼運算速度將會嚴重受限，導致整體效能低落。

如果 CPU 沒有 RAM，會發生什麼事？

• CPU 只能從硬碟（HDD/SSD） 讀取數據，但硬碟的存取速度比 RAM 慢數百倍，這會導致電腦運行變得極為緩慢。
• 由於硬碟採用的是機械式存取（HDD）或快閃存取（SSD），若 CPU 直接依賴硬碟來執行程式，將無法滿足即時計算需求。

這就是為什麼記憶體（RAM）在現代電腦中不可或缺，因為它能讓 CPU 直接存取所需數據，而不必每次都向硬碟請求數據，避免效能下降。

記憶體的發展史

記憶體（RAM）是電腦中不可或缺的元件之一，負責存取運算時需要的數據。

隨著計算機技術的演進，記憶體的速度、容量、功耗和成本都經歷了巨大的變化。

以下是記憶體技術的發展歷程，從早期的磁心記憶體，到現代高速 DDR5 記憶體的演進。

磁心記憶體（Magnetic Core Memory, 1950s – 1970s）

第一種真正的「隨機存取記憶體」

在 1951 年，美國科學家 Jay Forrester 發明了磁心記憶體（Magnetic Core Memory）。

這是第一種真正的 隨機存取記憶體（RAM, Random Access Memory），並廣泛應用於 1950 至 1970 年代的計算機。

運作方式

• 由 小型磁性環（磁芯，Ferrite Core） 組成，每個磁芯可以儲存 1 個 bit 的數據（0 或 1）。
• 磁芯交錯排列形成網格，利用導線通電改變磁芯的極性來讀取或寫入數據。
• 存取速度約為 1~10 微秒（μs），遠遠快於當時的穿孔卡與磁鼓存儲技術。

優點

✅ 速度比磁鼓與穿孔卡快，提供真正的「隨機存取」。
✅ 沒有機械零件，不易損壞。

缺點

❌ 造價昂貴，磁心記憶體的製造成本極高，每個磁芯都需要人工編織。
❌ 耗電且體積龐大，不適合小型化設備。

👉 結束時期：到了 1970 年代，磁心記憶體逐漸被半導體記憶體（SRAM、DRAM） 所取代。

靜態記憶體（SRAM, Static RAM, 1960s – 現在）

第一代半導體記憶體

1963 年，美國IBM 和 Fairchild Semiconductor 公司研發出 靜態隨機存取記憶體（SRAM, Static RAM），這是第一種基於半導體技術的記憶體。

運作方式

• 使用 6 顆電晶體（CMOS 或 Bipolar）來存儲 1 個 bit 的數據。
• 數據不需要刷新（Refresh），只要持續供電即可保持內容，因此稱為「靜態」記憶體。

優點

✅ 速度極快（約 10~100 ns）
✅ 低功耗，不需要刷新
✅ 適合用於 CPU 快取（Cache）

缺點

❌ 造價昂貴，密度低（每個 bit 需要 6 個電晶體）。
❌ 容量有限，無法作為主要系統記憶體。

👉 現今應用：SRAM 主要用於 CPU L1/L2/L3 快取記憶體（Cache Memory），而非一般系統記憶體。

動態記憶體（DRAM, Dynamic RAM, 1970s – 現在）

取代磁心記憶體，成為主流

1968 年，美國電機工程師 Robert H. Dennard（IBM 科學家）發明了 動態隨機存取記憶體（DRAM, Dynamic RAM），這種技術完全取代了磁心記憶體，並成為現代記憶體的基礎。

運作方式

• 使用 1 顆電晶體 + 1 顆電容 存儲 1 個 bit 的數據。
• 電容會儲存電荷代表 1 或 0，但會逐漸洩漏，因此需要「刷新」（Refresh）來保持數據，這也是它被稱為「動態」記憶體的原因。

優點

✅ 比 SRAM 便宜且容量大（每個 bit 只需要 1 顆電晶體與 1 顆電容）。
✅ 可以大規模量產，適合作為電腦主記憶體。

缺點

❌ 需要定期刷新（Refresh），否則數據會消失，導致功耗較高。
❌ 速度比 SRAM 慢，但比硬碟快數百倍。

👉 現今應用：現代電腦的記憶體（DDR4、DDR5）都是基於 DRAM 技術 發展而來。

DDR 記憶體的演進（1990s – 現在）

為了提高 DRAM 的速度與效率，技術持續改進，從 SDRAM（同步動態記憶體）開始演進，並發展出 DDR（Double Data Rate） 系列。

記憶體技術演進

DDR 記憶體技術的發展

• DDR（雙倍數據率）：相比 SDRAM，每個時鐘週期可傳輸 2 倍數據，大幅提高傳輸效率。
• 低電壓設計：從 DDR1（2.5V）到 DDR5（1.1V），功耗不斷降低，減少筆電與伺服器的電力消耗。
• 提升頻寬：DDR5 記憶體的頻寬可達 6400 MT/s，比 DDR4 提升 2 倍，適合 AI 計算與高效能運算（HPC）。

未來記憶體技術

目前研究中的新型記憶體技術包括：

• MRAM（磁阻式記憶體）：比 DRAM 省電，速度接近 SRAM，但仍在發展中。
• HMC（混合記憶體立方體）：3D 堆疊記憶體，提升頻寬與降低延遲。
• Optane（3D XPoint）：Intel 研發的新型記憶體技術，介於 DRAM 和 SSD 之間。

記憶體與硬碟的主要差異

從這個比較表可以看出，記憶體的主要功能是讓 CPU 快速存取數據，而硬碟的功能則是長期存儲資料。

如果電腦的記憶體不足，就必須頻繁讀取硬碟的「虛擬記憶體」，這會大幅降低運行速度。

結論

透過這篇文章，我們了解了記憶體（RAM）在電腦運作中的重要性，從它的誕生背景、技術發展，到它如何與 CPU 和硬碟協同運作，提升整體效能。

記憶體不僅解決了 CPU 與存儲設備之間的速度落差，還讓多工處理變得更加流暢，使得現代電腦能夠高效執行應用程式、遊戲、數據處理等任務。

隨著科技的進步，記憶體的容量與速度不斷提升，從早期的磁心記憶體（Core Memory）到現在的 DDR5 記憶體，甚至未來的 MRAM、HMC、3D XPoint 等新技術，都在推動運算能力的提升。

這些技術的發展，將使電腦更快速、更省電，也更能應對人工智慧（AI）、高效能計算（HPC）等現代需求。

對於使用者而言，理解記憶體的角色不僅有助於選購電腦，也能讓我們更有效地管理系統資源。

例如，適當升級記憶體可以明顯提升系統效能，減少硬碟存取，讓電腦運行更加順暢。

因此，記憶體的發展仍將持續影響我們的日常運算體驗，並在未來的科技創新中扮演關鍵角色。 🚀