DRAM vs NAND: İki Bellek Türünün Farkları Ne?

Teknoloji söz konusu olduğunda sık sık “bellek” şeklinde şemsiye bir terim kullanıyoruz lakin farklı alanlarda kullanılan birçok farklı bellek türü var. Bellek ve depolama gerektiren bir cihaz alırken genellikle iki yaygın yonga türüyle karşılaşırsınız: DRAM ve NAND flash. Bizler de şimdi ikisi hakkında genel bilgiler verip aynı zamanda farklara bakacağız.

Öncelikle genel olarak belleklere değinelim. VRAM, DRAM veya NAND fark etmeksizin, tüm bellek türleri de “veri depolamak için” geliştirilen yarı iletken teknolojileridir. Ancak her biri farklı alanlara yönelik, farklı şekilde çalışıyor ve değişik özellikler sunmakta.

Kısa haliyle, NAND uçucu olmayan, yani üzerindeki veriler kısa süre içinde silinmeyen bellek türüdür. DRAM ise uçucu bir bellektir, cihaz kapatıldığında veya herhangi bir şekilde elektrik kesildiğinde veriler uçar gider.

Bunlar piyasada hazır bulunan en yaygın iki yarı iletken çip türü. DRAM kısaltması Dynamic Random Access Memory (Dinamik Rastgele Erişimli Bellek) anlamına geliyor. Öte yandan NAND tam olarak bir kısaltma değil. “Not AND” ifadesinin kısaltmasıyla oluşan NAND terimi, Not- AND mantık devresini ifade etmekte.

Buyurun DRAM ile NAND arasındaki farkları daha iyi anlamak için biraz ayrıntıya girelim.

DRAM bir rastgele erişimli bellek türü, NAND (Not AND) ise bir mantık kapısı türüdür. Her ikisi de veri depolamak için kullanılsa da, yapı, işlev, performans ve uygulama açısından birçok farklılık var.

İlk olarak, DRAM ve NAND farklı şekilde yapılandırılmış bellek türleri. DRAM, her biri bir kapasitör ve bir anahtardan oluşan ayrı bellek hücrelerinden oluşur. Verileri okurken ve yazarken, DRAM’in verileri sabit tutmak için kapasitörü periyodik olarak yenilemesi gerekir. NAND ise mantık kapılarının açılıp kapanmasını kontrol ederek verilerin depolanmasını ve okunmasını gerçekleştirmek için birbirine bağlanan bir dizi mantık kapısından oluşan, kapısız mantık tasarımına dayalı elektronik bir bileşen.

İkinci olarak her ikisi de farklı çalışma prensibine sahip. DRAM, bir kapasitörde yük tutarak verileri depolar. Verilerin okunması gerektiğinde DRAM kapasitördeki yükü bir iletim hattı üzerinden işlenmek üzere devreye okur. Veri yazarken, yük kondansatöre aktarılır ve giriş sinyaline bağlı olarak şarj edilir veya boşaltılır. Diğer NAND, verileri geçitsiz mantık aracılığıyla depolar ve okur. Veri yazarken, NAND mantık kapısının durumunu kontrol etmek için giriş sinyalini kullanır ve verileri mantık kapısındaki yükte depolar. Veri okunurken ise mantık kapısının çıkış sinyali içinde depolanan veriyi göstermekte.

DRAM ve NAND performans açısından da farklılık gösteriyor. DRAM’in okuma ve yazma hızları genellikle çok yüksektir, çünkü verileri yük aktarımı yoluyla okur ve yazar. NAND ise nispeten yavaş okuma ve yazma hızlarına sahip çünkü veri depolama ve okuma için mantık kapılarından giriş ve çıkış sinyallerine ihtiyaç duyar. Aslına bakarsanız NAND için yavaş diyoruz lakin bu durum son dönemde biraz değişti. PCIe 5.0 SSD’ler 14 GB/sn hıza varan okuma/yazma hızları sunabiliyor.

Ayrıca DRAM ve NAND arasında “depolama güvenirliği” açısından da fark var. Rastgele erişimli bellek, verileri sabit tutmak için kapasitansın (direnç) periyodik olarak yenilenmesini gerektirir, aksi takdirde zaman içinde veri kaybına yol açar. Öte yandan NAND, kapasitörlerde geçici olarak depolanan yük yerine mantık kapılarındaki yük durumunu sakladığı için daha iyi veri kalıcılığına sahiptir. Buna ek olarak NAND, hata tespit ve düzeltme kodları (ECC) aracılığıyla veri güvenilirliğini artırma gibi avantaja sahip.

Dahası, DRAM ve NAND’nin kullanım alanları da çok ayrı. DRAM’in hızlı okuma ve yazma özellikleri nedeniyle, gerçek zamanlı işlemler ve geçici depolama için bilgisayarlarda yaygın olarak kullanıldığını görüyoruz. Biz DRAM diyoruz lakin bunlar RAM’lerin üzerinde bulunan çiplerin adı. Siz RAM olarak anlayın.

NAND ise daha yavaş bir okuma/yazma hızına, daha büyük depolama kapasitesine sahip. Bu nedenle genellikle flash bellek, SSD’ler ve mobil cihazlar için bellek kartları gibi depolama ortamlarında kullanılır.

Özetlemek gerekirse, DRAM ve NAND yapı, çalışma prensibi, performans, güvenilirlik ve uygulama açısından birbirinden ayrışıyor. DRAM yüksek performansı (okuma/yazma) hızı nedeniyle “sistem belleği” olarak kabul görüyor. NAND ise daha büyük depolama kapasitesi ve daha iyi veri kalıcılığı nedeniyle “sistem depolama ürünü” olarak kullanılmakta. Ayrıca NAND’nin sadece SSD’lerde yer almadığını belirtelim. NAND flash yongalar USB belleğinizde, fotoğraf makinenizin SD kartında, SSD’lerde, hastane tıbbi ekipmanlarında ve endüstriyel robot makinelerde bulunabiliyor.

Sonuç olarak:

• DRAM algoritmalar, işlemler vb. için kod depolamak üzere kullanılan bellek türü.
• NAND ise resim, müzik vb. verileri depolamak için kullanılan bir bellek türü.

DRAM’in Avantajları

• Bir program çalıştırılırken silinebilir ve yenilenebilir.
• Daha küçük boyut.
• NAND flash’a kıyasla daha hızlı performans.
• DRAM, belirli iş yükleri için SRAM gibi birçok teknolojide mevcut.

DRAM’in Dezavantajları

• Verilerin sürekli yenilenmesi gerekiyor.
• Karmaşık üretim süreci.
• Uçucu, yani verilerin kalıcı olmadığı bellek seçeneği.
• NAND bellekten daha pahalı.
• Daha az depolama kapasitesi sunuyor. Yüksek depolama ihtiyaçları söz konusu olduğunda maliyetler daha fazla.

NAND’ın Avantajları

• NAND verileri tutmak için güce ihtiyaç duymaz.
• Taşınabilir cihazlar için idealdir.
• Yüksek depolama kapasitesi ile bayt başına uygun maliyet.
• Kolayca değiştirilebilir.
• NAND flash, MLC gibi birçok teknolojide mevcut ve belirli gereksinimlere dayalı geniş bir ölçeklenebilirlik seçeneği yelpazesi sunuyor.

• DRAM’e kıyasla daha yavaş.
• Sınırlı okuma/yazma döngüsü nedeniyle DRAM’dan daha hızlı yıpranmakta.

DRAM bugün kullandığımız en yaygın RAM türü diyebiliriz. Bilgisayarlarımıza taktığımız RAM DIMM’ler (çift sıralı bellek modülleri) aslında DRAM belleklerdir. Windows PC’ler ve Apple Macintosh aygıtları da dahil olmak üzere masaüstü ve dizüstü bilgisayarlarda bir tür DRAM kullanılmakta. Ayrıca iş istasyonları ve sunucularda da bellekler bulunmak zorunda. Buna ek olarak, DRAM yongaları genellikle üst düzey modeller olmak üzere HDD ve SSD’nin içinde ayrı bir bileşen olarak da bulunabilir.

Micron DRAM

DRAM veya Dinamik Rastgele Erişimli Bellek, bilgisayarınız için verilerin hızlı ve kısa süreli erişim için depolandığı geçici bir bellek bankasıdır. Örneğin bilgisayarınızda bir uygulamayı başlattığınızda, anakartınızdaki işlemci program verilerini depolama aygıtınızdan (SSD/ HDD) alır ve DRAM’e gönderir. DRAM, depolama aygıtlarınızdan (SSD’ler bile) çok daha hızlı olduğu için CPU bu verilere hızlıca erişebilir ve bu da bilgisayarın daha seri çalışmasını sağlar.

DRAM hızı, gecikmesi ve kapasitesi, bilgisayarınızdaki uygulama ve oyunların performansını doğrudan etkiler. Ayrıca işletim sistemindeki çoklu görevlerin çalışma şekli için de oldukça önemlidir. Bu nedenle daha hızlı ve yüksek kapasiteli DRAM önemli. Peki DRAM’i dinamik yapan tam olarak ne?

DRAM Nasıl Çalışır?

Genel olarak tüm bellek türlerinde olduğu gibi, DRAM tasarımı gereği geçici bir bellektir. Yani verileri yalnızca kısa bir süre için depolayabilir. Her DRAM hücresi bir transistör ve bir kondansatör kullanılarak oluşturulur ve veriler transistörde saklanır. Transistörler zamanla az miktarda elektrik sızdırma eğilimindedir, bu nedenle kapasitörler deşarj olur ve bu süreçte içlerinde depolanan bilgileri kaybeder. Nitekim DRAM’in depolanan verileri tutmasına yardımcı olmak için her birkaç milisaniyede bir yeni bir elektrik yükü ile yenilenmesi gerekir.

• RAM Nasıl Tasarlanır? Belleklerde Rank Nedir?

Depolama hücreleri tipik olarak dikdörtgen bir konfigürasyonda düzenlenir. Bir sütundan bir yük gönderildiğinde sütundaki transistör etkinleştirilir. DRAM depolama hücreleri dinamiktir, yani kapasitördeki şarj sızıntılarını telafi etmek için her birkaç milisaniyede bir yenilenmesi veya yeni bir elektronik şarj verilmesi gerekir.

DRAM güç erişimini kaybettiğinde (bilgisayarı kapatmak gibi) içinde depolanan tüm veriler de kaybolur. Verilerin sürekli yenilenmesi ihtiyacı DRAM’i dinamik yapan şeydir. SRAM (Statik Rastgele Erişimli Bellek-Static Random Access Memory) gibi statik belleklerin yenilenmesi gerekmez.

Piyasada birkaç farklı flash bellek türevi olsa da yaygın olarak NAND kullanılıyor, sonrasında ise eMMC geliyor. Düşük kapasiteli USB belleklerden MP3 çalarlar ve yüksek kapasite sunan gelişmiş SSD’lere kadar birçok üründe bahsettiğimiz bellekler yer alıyor.

Flash belleğin iki temel özelliği var:

• Kalıcı Depolama: Tabiri caizse uçucu olmayan bellekler (DRAM gibi) verileri korumak için bir güç kaynağına ihtiyaç duymaz. Bu nedenle cihazı yeniden başlatsanız bile veriler olduğu gibi kalır. Tam tersi örnek olarak bilgisayarımızda kullandığımız RAM’leri ve ekran kartlarında yer alan VRAM’i verebiliriz. Elektrik kesildiğinde tüm veriler bu belleklerden uçar gider.
• Sınırlı Yazma Döngüsü: Çalışma şekli nedeniyle flash bellekler belirli bir süre boyunca kullanılabilir. Yongaların içinde yer alan hücreler zaman içinde yavaşça işlevini yitirir ve performans düşüşleri de olabilir.

Flash Bellek Nasıl Çalışıyor?

Flash bellek verileri bir dizi hücrede depolar ve her hücre en az bir bit veri tutar. Hücreler bloklar halinde düzenlenir; bir blok, tanımlanabilir bir veri birimi oluşturan bitişik bir bayt kümesi olarak tanımlanır.

Bir blok, dizinin programlanabilir/silinebilir en küçük bölümüdür. Bloklar elektrik yükü ile yazılır ve her bir hücre 1 ya da 0 sayısını temsil eder.

Tüm bloklar bir arada düşünüldüğünde ortaya bir bellek çipi çıkıyor. Bu belleklerin tek başına bir işlevi yoktur, bir kontrolcü ve bir arayüz içeren PCB (baskı devre kartı) üzerine monte edilir. Ayrı bir çip olan kontrolcü de NAND bellekler kadar önemlidir.

NAND’ın kendisi ham flash bellektir ve kendi protokolünü kullanır. SD kartlar ve katı hal sürücüleri gibi NAND uygulayan tasarımlarda genellikle bir Flash Translation Layer (FTL-Flash Çeviri Katmanı) uygulamak için üstüne mikro denetleyiciler eklenir. FTL, disk kullanımınızı (örneğin USB üzerinden) anlamlı NAND işlemlerine çevirir.

SSD’nin İçinde Neler Yer Alıyor?

Tipik bir SATA SSD içindeki yongalar ve kontrolcü.

SSD’ler genel olarak 3 kısımdan oluşuyor:

• Birinci kısım NAND flash yongalar olarak adlandırılan ve resimde en çok alanı kaplayan bellekler. Burada verileriniz depolanıyor. NAND yongalar, verileri saklamak için elektrik bağlantısına ihtiyaç duymaz.
• DRAM, sonradan erişim için bilgileri ön bellekte tutar ve bu işlem için elektriğe ihtiyaç duyar. Ayrıca Her SSD’de DRAM yer almadığını belirtelim.
• Kontrolcü ise bilgisayarınız ile NAND yongalar arasındaki iletişimi sağlayan ana birimdir. İçerdiği firmware ile SSD’nizi yönetmeyi sağlar. Başka bir deyişle, SSD’nin yönetimi ondan sorulur.

Mekanik sabit diskler veriri dönen plaka üzerinde depolarken SSD’ler hücrelerle çalışmakta. SSD’lerde veriler doğrudan NAND flash olarak bilinen flash bellek hücrelerine yazılır. Bir SSD’de saklanan tüm veriler, verilerin aşırı okunması ve yazılması nedeniyle tek bir bellek hücresinin yıpranmamasını sağlamak için sürekli olarak bir hücreden diğerine taşınır. Bu sürücünün uzun ömürlülüğünü ve güvenilirliğini artırmak için gerekli bir yöntem, ancak sürekli hareket eden verilerin nerede saklandığını nasıl bilebilirsiniz?

Samsung 980 Pro SSD’deki 2 GB LPDDR4 DRAM çipi.

SSD’ler, tüm verilerinizin sanal bir haritasını tutarak her bir dosyanın nerede depolandığını takip eder. DRAM’sahip olan bir SSD’de bu veri haritası, süper hızlı bir önbellek gibi çalışan DRAM çipinde saklanıyor. Bir dosyayı açmak istediğinizde, bilgisayarınız dosyayı hızlı bir şekilde bulmak için doğrudan SSD üzerindeki  DRAM’e erişebiliyor.

DRAM’siz SSD’lerde veri haritası DRAM’den çok daha yavaş olan NAND flash üzerinde saklanmakta. Katı hal sürücüleri her halükârda sabit sürücülerden hızlıdır, ancak DRAM destekli SSD’den biraz daha yavaştır.

Kısaca grafik belleğine de değinelim. VRAM bir GPU’nun (ekran kartı) bilgi depolamak için kullandığı bellek türüdür. Burada tutulan veriler ekrandaki görüntüleri oluşturmak için kullanılır. Tüm grafik kartları belirli miktarda VRAM içerir ve bu miktar GPU’nun performansını kullanım senaryosuna göre etkileyebilir.

Aslında video belleği standart olarak teknolojik cihazlarda kullanılan belleklerle çok benzer. Yalnızca ekran kartına özel olarak adanmış bir RAM (Random Access Memory) türüdür. VRAM’i bilgisayarın geri kalanıyla birlikte kullanmak mümkün değildir. Bunun yerine grafik yongasının işlerini hızlandırmak için ekran kartı PCB’sine entegre ediliyor.

Normal RAM CPU için veri okuyup depolarken, VRAM aynı işi GPU’nuz için yapar. Her zaman olmasa bile genel olarak, bir ekran kartı ne kadar çok VRAM’e sahipse o kadar yüksek performans gösterir çünkü bilgisayarın RAM’i veya işlemcisiyle olan bağlantısı en aza iner. Başka bir deyişle grafik belleği CPU ile ekranınız arasında bir tampon görevi görür, oyunlarda veya video düzenleme sırasında kare hızlarını etkileyebilir.

DDR4 veya DDR5 gibi normal RAM’ler teknik olarak bir bilgisayardaki tüm bileşenler için kullanılır. Temelde ise bir kerede çok fazla veri yerine gerçekten hızlı bir şekilde veri akışı talep eden CPU’nun performans gereksinimlerine göre uyarlanmıştır. Sonuç olarak, DDR bellek her zaman düşük gecikme süresine (nanosaniye cinsinden) yöneliktir ve genellikle saniyede gigabayt cinsinden ölçülen bant genişliği çok önemlidir.

Grafik işlemcilerinin bellek taraflı çok farklı gereksinimleri vardır. GPU’lar dokulara, çerçeve arabelleğine (GPU’ya bir karede tek tek pikselleri nereye yerleştireceğini tanımlar), RAM’de depolanan ve nispeten yüksek gecikme süresiyle çalışabilen diğer grafik bilgilerine erişmek için çok fazla bellek bant genişliğine ihtiyaç duyar. Bu nedenle VRAM yalnızca grafik işlemcilere uyacak şekilde özel olarak üretilmekle kalmaz, aynı zamanda GPU’ya fiziksel olarak mümkün olduğunca yakındır.

Herhangi bir RAM, iyi ya da kötü VRAM olarak çalışabilir. Aslında sistem RAM’inin VRAM olarak kullanılması oldukça yaygındır. Bilgisayarınız entegre bir GPU kullanıyorsa RAM’in bir bölümü onun için tahsis edilmiş demektir.

Modern oyun konsolları, akıllı telefonlar ve Apple’ın M1 bilgisayarları gibi bazı bilgisayar sistemleri “birleşik belleğe” sahip. GPU için bir parça sistem RAM’inin kesilmesi yerine, her iki işlemci de gerektiğinde belleği dinamik olarak paylaşır. Ek bir avantaj olarak, CPU ve GPU’nun her ikisi de aynı veriye ihtiyaç duyarsa, iki farklı bellek setinde iki kopya bulundurmaya gerek kalmaz. PlayStation 5 gibi bu sistemlerin bazılarında birleşik RAM’in tamamı GDDR olarak sunulur. Yani hem CPU hem de GPU, GPU kullanımı için tasarlanmış RAM’i kullanıyor.

Ölçeklendirmenin pek de işe yaramadığı bir teknoloji ürünü varsa o da DRAM’dir. Bunun bazı nedenleri var: En önemlisi ise DRAM hücrelerinin gerçek tasarımı ve üretim ilişkisi. Yarı iletken devre tasarımı konusunda uzmanlaşmış bir şirket olan Lam Research, gelecekteki DRAM ürünlerinin gelişim sürecine ilişkin öneri niteliğinde bir makale yayınlamıştı.

Özetle, gelecekte 3D DRAM kullanımı mümkün olabilir. Şirkete göre üretilebilir bir 3D DRAM cihazının tasarlanması yaklaşık 5-8 yıl alacak, 2D DRAM ölçeklendirmesinin sona erdiği an ile 3D DRAM ölçeklendirmesinin başladığı an arasında olası üç yıllık bir boşluk doğacak.

Lam Research, tescilli SEMulator3D yazılımını kullanarak olası 3D DRAM tasarımlarını paylaştı. Ölçeklendirme ve katman istifleme zorlukları, kapasitör ve transistör küçültme, hücreler arası bağlantı ve via dizileri (diğer 3D tasarımlarında kullanılan ara bağlantılar) ile ilgili bazı çözümleri görüyoruz. Son olarak şirket, önerdikleri tasarımın fabrikasyonunu mümkün kılan süreç gereksinimlerini ortaya koydu. Detaylar için makalemize göz atabilirsiniz:

• 3D NAND Benzeri 3D DRAM Tasarımı Mümkün mü?

Bitirmeden önce birkaç kısa bilgi daha verelim. Bellek üreticileri, hem DRAM hem de NAND üretimi konusunda rekabet ediyor. Bu sektörde beş şirketin hakimiyeti söz konusu:

• Samsung: 35%
• Micron: 16.5%
• Western Digital (WDC): 15%
• SK Hynix: 9.5%
• Intel: %8,5