Memoria y almacenamiento

Con direcciones de 32 bits, un procesador puede nombrar 4 294 967 296 bytes, exactamente 4 GiB. Si se corta la corriente, la RAM lo olvida todo.

«Mi portátil tiene 16 GB de memoria, así que puede guardar 16 GB de fotos.» Esa frase confunde dos partes distintas, y el propio anuncio del portátil muestra por qué. Indica dos tamaños, por ejemplo 16 GB de memoria y 512 GB de almacenamiento. La memoria, o RAM, guarda los programas y datos que la CPU está usando en este momento. El almacenamiento, una unidad de estado sólido (SSD) o un disco duro más antiguo, conserva tus archivos cuando no hay corriente. Las fotos viven en el lado de los 512 GB. Los 16 GB son el espacio de trabajo adonde va una foto mientras la editas.

Por qué la RAM olvida cuando se va la corriente

La mayoría de la RAM guarda cada bit como una carga diminuta que se escapa si no se refresca muchas veces por segundo, así que todo lo que contiene se pierde cuando se va la corriente. Eso significa «volátil». El almacenamiento conserva los datos sin corriente. Un SSD atrapa carga en celdas de memoria flash que la retienen durante años, y un disco duro registra los bits como puntos magnetizados sobre platos que giran. El almacenamiento es mucho más grande y más barato por byte, pero mucho más lento de alcanzar, así que los programas se copian del almacenamiento a la RAM antes de ejecutarse. Esa copia es lo que ocurre mientras una aplicación dice que está cargando.

Cómo encuentra la CPU un byte entre miles de millones

La memoria es una larga fila de celdas, cada una con un byte, y cada celda tiene un número llamado dirección, que empieza en 0. Para leer o escribir, la CPU pone una dirección en un conjunto de cables y recibe el byte guardado ahí. El número de bits de dirección fija cuánta memoria se puede alcanzar. Cuatro bits de dirección, como en la computadora de juguete, dan 2 elevado a 4 = 16 celdas. Dieciséis bits dan 65 536. Treinta y dos bits dan 4 294 967 296 bytes, que son exactamente 4 GiB, y por eso los sistemas antiguos de 32 bits no podían usar más de 4 GiB de RAM. Los procesadores actuales de 64 bits pueden nombrar muchísima más.

Una celda no tiene idea de lo que significan sus bits. En la computadora de juguete, los 8 bits 00000100 de una celda de datos son el número 4, pero leídos como instrucción esos mismos bits significan HALT 4. Solo la forma en que la CPU llega a una celda decide qué son: la siguiente instrucción o un dato nombrado por una instrucción. Eso se deriva directamente de la idea de von Neumann de guardar ambos en una sola memoria. También es la razón por la que un error que escribe en la dirección equivocada puede arruinar todo un programa.

Cada capa hacia abajo es más grande y más lenta

La memoria rápida es cara, así que las computadoras usan capas. Lo más cercano a los circuitos son los registros, unas pocas decenas de valores con los que la CPU trabaja directamente, como el acumulador del juguete. Luego vienen las cachés, pequeños bloques de memoria rápida en el propio chip del procesador, normalmente llamados L1, L2 y L3, que guardan copias de partes de la RAM usadas hace poco. Después la RAM, luego el SSD o el disco duro, y más allá la red. Cada capa hacia abajo es más grande y más lenta. Un programa va rápido cuando casi todo lo que necesita ya está en las capas de arriba. Por eso leer datos en orden suele ser más rápido que saltar de un lado a otro.