記憶體和儲存空間有什麼不同？「8GB」與「256GB」的意思

生活中的例子：規格表上的2個「GB」

手機和電腦的規格表上，會並列2個帶有GB的數字，例如「記憶體 8GB」「儲存空間 256GB」。因為單位相同，看起來像是同一種東西的量。但這2個數字，是完全不同零件的大小。在店裡被問到「要256GB還是512GB？」時，通常指的是儲存空間。

GB（gigabyte）是資料量的單位。1位元組（byte）可以表示1個英文字母。G（giga）代表十億，所以1GB大約是十億位元組。精確的算法有2種，後面會說明。

記憶體是放「現在正在用的東西」的地方

CPU是把程式的指令一個一個取出來執行的零件（「CPU是什麼？」）。CPU工作時，放置指令和資料的地方就是記憶體。也稱為「主記憶體」。

啟動App時，App的內容會從接下來要說明的儲存空間，讀進記憶體。CPU使用記憶體上的資料來工作。瀏覽器開著的網頁、正在編輯的文件，也都在記憶體上。記憶體的容量越大，越能同時放置更多App和資料。

現在的記憶體，幾乎都使用DRAM這種半導體晶片。DRAM能非常快速地讀寫，但關掉電源，內容就會消失。

關掉電源內容就消失的性質，稱為「揮發性」。寫到一半的文件沒有存檔就斷電，那一部分就會不見，原因就在這裡。所謂「存檔」，就是把記憶體上的資料，寫到接下來要說明的儲存空間。

儲存空間是「收起來保存」的地方

儲存空間是存放照片、影片、App、文件等，關掉電源也會保留的地方。沒有電源也能保持記憶的性質，稱為「非揮發性」。

手機的儲存空間，使用的是NAND型快閃記憶體這種半導體晶片。以下簡稱為「快閃記憶體」。隨身碟和SD卡裡面，也是同一種晶片。

現在的電腦，大多裝著使用快閃記憶體的儲存裝置。這稱為SSD。儲存空間的容量比記憶體大得多，同樣容量的價格也比較便宜。但相對地，讀寫會慢很多。

為什麼要分開：速度、容量、價格的取捨

又快、又大、又便宜，關掉電源也不會消失。如果有這種理想的記憶裝置，就不必分成記憶體和儲存空間。但以現在的技術，越快的東西每單位容量的價格越高，越大越便宜的東西就越慢。

所以電腦會把性質不同的記憶裝置，疊成好幾層來使用。越靠近CPU的層越快、越小，越遠的層越慢、越大。這種排列稱為「記憶體階層」。圖右邊的數字，是讀取1次資料需要等待的時間的參考值。1奈秒是10億分之1秒，1毫秒是1,000分之1秒。

最上面的暫存器，是CPU裡用來放計算中數字的極小記憶空間。數量很少，但CPU不必等待就能使用。

下一層的快取，是把記憶體中常用部分的副本，放在CPU旁邊。程式常在短時間內重複使用同樣的資料，所以這個做法很有效。

最下面的HDD（硬碟），是用磁性記錄在旋轉圓盤上的裝置。它要移動讀取用的零件，再等想讀的位置轉過來，所以很花時間。因為能便宜地做出大容量，現在仍用於保存資料。

原理①：DRAM是「存電的小容器」

接下來，看看晶片中記住資料的原理。電腦的資料，用0和1的排列來表示。0或1的1個份量稱為「位元」，8位元是1位元組。

DRAM用1個小開關和1個存電的小容器，記住1位元。開關是電晶體（「電晶體是什麼？」），容器是稱為「電容器」的零件。容器裡存著電就是1，空的就是0，用這種方式區分。這個原理是IBM的羅伯特·登納德在1966年想出來的。

記住1位元的1組，稱為「記憶單元」（cell）。DRAM的記憶單元只有2個零件，所以能做得非常小，密密麻麻地排在晶片上。8GB的記憶體，記憶單元的數量多達約690億個。

不過，存在這個容器裡的電，會一點一點漏掉。放著不管的話，原本是1的容器，就會變得無法和0區分。所以DRAM會在內容消失前，定期讀出來，再寫回相同的值。這稱為更新（refresh）。

電腦用的記憶體，所有記憶單元每隔數十毫秒就重寫1次。在一般溫度下，DDR4規格是每64毫秒，新的DDR5是每32毫秒。DRAM的「D」（dynamic，動態），就代表這種需要不斷維護的特性。

關掉電源，更新也會停止。漏掉的電不會回來，所以內容不久就會消失。這就是記憶體屬於揮發性的原因。

原理②：快閃記憶體是「關住電子的房間」

快閃記憶體的記憶單元，是由1個有點特別的電晶體構成的。電晶體有用來切換開啟和關閉的電極，稱為閘極。這種電晶體在閘極下方，有一個小小的「房間」。

房間的周圍，被不導電的膜包圍著。這層膜稱為「絕緣膜」。把電子（搬運電的小粒子）關進房間後，電晶體就變得不容易開啟。

讀取時，在閘極加上固定大小的電壓。如果開啟就是沒有電子，沒有開啟就是有電子，用這種方式區分。房間被絕緣膜包圍，所以關掉電源後，電子也很難跑出去，資料就會保留。

這個房間在傳統的方式中，稱為浮動閘極（浮在中間的電極）。現在的大容量產品，大多不用房間，而是使用能抓住電子不放的膜。Samsung在2013年開始量產、把記憶單元垂直堆疊的產品，也是這種方式。

NAND型快閃記憶體，是1987年由東芝的舛岡富士雄等人的團隊發表的。它把記憶單元像念珠一樣串起來節省空間，所以能便宜地做出大容量。

寫入時，加上很強的電壓，把電子推進絕緣膜另一側的房間。抹除時，也用很強的電壓把電子拉出來。重複這些動作，膜會一點一點受損，關住電子的能力也逐漸變弱。快閃記憶體有覆寫次數的上限，原因就在這裡。

因此，SSD和手機裡的控制晶片，會把寫入的位置分散開來，避免寫入都集中在同一個地方。這個做法稱為損耗平均。

記憶體不夠時會發生什麼事？

開著的App太多時，記憶體可能會裝不下。這時的處理方式，依管理整台電腦的基本軟體（作業系統，OS）而不同。這裡把代表性的例子簡化來說明。

Windows電腦會把一段時間沒用到的資料，從記憶體暫時移到儲存空間上的專用位置。這個位置稱為「分頁檔」。空出來的記憶體，就能給現在要用的App。不過，再次使用移走的資料時，要從儲存空間讀回來，這段期間動作會變慢。

根據Android的開發者資料，Android不會把儲存空間用在這個目的。因為頻繁寫入會讓快閃記憶體受損（有些廠商會自行加入使用儲存空間的功能）。取而代之的是，在記憶體裡壓縮資料塞進去，或把在背景開著的App關掉，來空出記憶體。iPhone的iOS在記憶體不夠時，也會關掉App。

被關掉的App，下次打開時會從儲存空間重新讀取。隔一段時間切換回去的App，從第一個畫面開始，或要花時間才顯示，原因就在這裡。記憶體越充裕，需要關掉App的情況就越少。

明明是「256GB」，為什麼顯示得比較少？

就算買了256GB的手機，設定畫面上顯示可用的量也會比較少。原因之一，是作業系統和預先裝好的App占用了空間。另一個原因，是「GB」有2種算法。

儲存裝置的廠商，把1GB算成十億位元組。另一方面，在電腦的世界裡，用每次增加2倍的數字來劃分，常常比較方便。所以也有軟體把1GB算成2的30次方（1,073,741,824）位元組。用這種算法，256GB會變成約238GB。

根據Seagate的說明，Windows用後者的算法顯示容量。另一方面，根據Apple的說明，現在的iPhone和Mac用的是十億位元組的算法。同一個儲存空間，顯示的數字也會因為用哪台機器看而不同。

為了區分這2種算法，IEC（國際電工委員會）在1998年決定，把2的30次方位元組稱為「GiB（gibibyte）」。不過，實際上到現在，兩者大多都還是寫成「GB」。另外，記憶體的「8GB」，習慣上依照制定半導體標準的業界團體JEDEC的定義，使用2的30次方的算法。

常見的誤解

從數字來看

上面4列，是讀取1次需要等待的時間的參考值。把快取的1奈秒拉長成1秒，記憶體就要等約100秒，SSD約1天，HDD約4個月。從記憶體往下1層到SSD，等待時間就變成大約1千倍。

SSD的數值，和快閃記憶體晶片的讀取時間（東芝記憶體2019年的資料是約0.05毫秒）差不多。另外，每秒能搬運的量是另一個數字，990 PRO連續讀取時最高每秒7,450MB。即使如此，以每1次的等待時間來說，還是比不上記憶體。

進一步學習

• 用表格看差異：DRAM與NAND快閃記憶體的差異、DRAM與SRAM的差異（用於快取的記憶體）、SSD與HDD的差異、NAND型與NOR型快閃記憶體的差異、NVMe與SATA SSD的差異
• 下一步的用語：3D NAND（把記憶單元垂直堆疊）、TLC（1個記憶單元存3位元）、LPDDR（手機用的DRAM）、虛擬記憶體（管理記憶體的機制）
• 用數字試試看：影像、聲音、影片資料量計算工具（估算儲存空間能放多少）
• 用圖來看：記憶體階層、DRAM的記憶單元、NAND記憶單元的排列，都在圖解的一覽中
• 從基礎讀起：「半導體是什麼？」