Memória e armazenamento

Com endereços de 32 bits, um processador consegue nomear 4 294 967 296 bytes, exatamente 4 GiB. Desligue a energia e a RAM esquece tudo.

“Meu notebook tem 16 GB de memória, então cabem 16 GB de fotos.” Essa frase mistura duas partes diferentes, e o próprio anúncio do notebook mostra por quê. Ele lista dois tamanhos, por exemplo 16 GB de memória e 512 GB de armazenamento. A memória, ou RAM, guarda os programas e dados que a CPU está usando agora. O armazenamento, um SSD (unidade de estado sólido) ou um disco rígido mais antigo, guarda seus arquivos quando a energia está desligada. As fotos ficam do lado dos 512 GB. Os 16 GB são o espaço de trabalho para onde vai uma foto enquanto você a edita.

Por que a RAM esquece quando a energia acaba

A maior parte da RAM guarda cada bit como uma carga minúscula que vaza se não for renovada muitas vezes por segundo, então tudo o que está nela se perde quando a energia acaba. É isso que “volátil” quer dizer. O armazenamento guarda dados sem energia. Um SSD prende carga em células de memória flash que a mantêm por anos, e um disco rígido grava bits como pontos magnetizados em pratos que giram. O armazenamento é muito maior e mais barato por byte, mas muito mais lento de acessar, então os programas são copiados do armazenamento para a RAM antes de rodar. Essa cópia é o que está acontecendo enquanto um app diz que está carregando.

Como a CPU acha um byte entre bilhões

A memória é uma longa fileira de células, cada uma guardando um byte, e cada célula tem um número chamado endereço, a partir de 0. Para ler ou escrever, a CPU põe um endereço num conjunto de fios e recebe de volta o byte guardado ali. A quantidade de bits de endereço define quanta memória pode ser alcançada. Quatro bits de endereço, como no computador de brinquedo, dão 2 elevado a 4 = 16 células. Dezesseis bits dão 65 536. Trinta e dois bits dão 4 294 967 296 bytes, que são exatamente 4 GiB, e é por isso que sistemas antigos de 32 bits não conseguiam usar mais de 4 GiB de RAM. Os processadores de 64 bits de hoje conseguem nomear muito mais.

Uma célula não faz ideia do que seus bits querem dizer. No computador de brinquedo, os 8 bits 00000100 numa célula de dados são o número 4, mas lidos como instrução os mesmos bits querem dizer HALT 4. Só o jeito como a CPU chega a uma célula decide qual dos dois, como a próxima instrução ou como dado indicado por uma instrução. Isso vem direto da ideia de von Neumann de guardar os dois numa só memória. É também por isso que um bug que escreve no endereço errado pode arruinar um programa inteiro.

Cada camada abaixo é maior e mais lenta

Memória rápida é cara, então os computadores usam camadas. Mais perto dos circuitos ficam os registradores, algumas dezenas de valores com que a CPU trabalha diretamente, como o acumulador do brinquedo. Depois vêm os caches, pequenos blocos de memória rápida no próprio chip do processador, geralmente chamados L1, L2 e L3, que guardam cópias de partes da RAM usadas recentemente. Depois a RAM, depois o SSD ou disco rígido e, além disso, a rede. Cada camada abaixo é maior e mais lenta. Um programa roda rápido quando quase tudo de que precisa já está nas camadas de cima. É por isso que ler dados em ordem costuma ser mais rápido que ficar pulando de um lugar para outro.