Internal Memory dan External Memory

Chapter 1: Internal Memory

1.1 Semiconductor Main Memory

Semiconductor main memory merupakan komponen kritis dalam sistem komputer yang digunakan untuk menyimpan data dan instruksi yang sedang diproses. Memory semikonduktor terbagi menjadi dua kategori utama: RAM (Random Access Memory) dan ROM (Read-Only Memory).

RAM bersifat volatile, artinya data akan hilang ketika daya dimatikan. RAM terdiri dari DRAM (Dynamic RAM) yang memerlukan refresh secara berkala, dan SRAM (Static RAM) yang lebih cepat namun lebih mahal. DRAM menggunakan kapasitor untuk menyimpan bit data, sementara SRAM menggunakan flip-flop yang lebih stabil tetapi membutuhkan lebih banyak transistor per bit.

ROM bersifat non-volatile dan digunakan untuk menyimpan firmware atau program bootstrap. Variasi ROM meliputi PROM (Programmable ROM), EPROM (Erasable PROM), dan EEPROM (Electrically Erasable PROM).

Referensi: Stallings, W. (2018). Computer Organization and Architecture: Designing for Performance (10th ed.). Pearson Education.

1.2 Error Correction

Error correction dalam memory sangat penting untuk menjaga integritas data. Kesalahan dapat terjadi karena noise elektrik, radiasi kosmik, atau defek manufaktur. Terdapat dua jenis error utama:

1. Soft errors: kesalahan sementara yang disebabkan oleh gangguan eksternal
2. Hard errors: kerusakan permanen pada chip memory

Error Detection dan Correction Codes:

• Parity bit: metode sederhana yang menambahkan satu bit untuk mendeteksi single-bit error
• Hamming code: dapat mendeteksi dan memperbaiki single-bit error serta mendeteksi double-bit error
• ECC (Error Correcting Code): menggunakan algoritma seperti SEC-DED (Single Error Correction-Double Error Detection) untuk meningkatkan reliabilitas system

Implementasi ECC menambah overhead sekitar 12.5% untuk memory, namun sangat penting untuk aplikasi mission-critical.

Referensi:

Hamming, R. W. (1950). “Error Detecting and Error Correcting Codes”. Bell System Technical Journal, 29(2), 147–160.

Hennessy, J. L., & Patterson, D. A. (2017). Computer Architecture: A Quantitative Approach (6th ed.). Morgan Kaufmann.

1.3 DDR DRAM

DDR (Double Data Rate) DRAM merupakan evolusi dari SDRAM (Synchronous DRAM) yang mentransfer data pada kedua sisi clock cycle (rising dan falling edge), sehingga efektif menggandakan bandwidth tanpa meningkatkan frekuensi clock.

Evolusi DDR:

• DDR: 2.5V, bandwidth hingga 3.2 GB/s
• DDR2: 1.8V, prefetch 4-bit, bandwidth hingga 6.4 GB/s
• DDR3: 1.5V, prefetch 8-bit, bandwidth hingga 17 GB/s
• DDR4: 1.2V, bank groups, bandwidth hingga 25.6 GB/s
• DDR5: 1.1V, dual-channel architecture, bandwidth hingga 51.2 GB/s per modul

Setiap generasi DDR menawarkan peningkatan bandwidth, efisiensi daya yang lebih baik, dan kapasitas yang lebih besar melalui inovasi arsitektur seperti bank grouping dan on-die termination.

Referensi:

JEDEC Solid State Technology Association. (2020). DDR4 SDRAM Standard.

Jacob, B., Ng, S., & Wang, D. (2007). Memory Systems: Cache, DRAM, Disk. Morgan Kaufmann.

1.4 eDRAM

eDRAM (embedded DRAM) adalah teknologi yang mengintegrasikan DRAM langsung ke dalam chip processor atau SoC (System-on-Chip). Berbeda dengan SRAM yang biasa digunakan untuk cache, eDRAM menawarkan density lebih tinggi dengan konsumsi daya yang lebih rendah.

Karakteristik eDRAM:

• Density 3–4x lebih tinggi dibanding SRAM
• Access time sedikit lebih lambat dari SRAM namun lebih cepat dari DRAM eksternal
• Memerlukan refresh seperti DRAM konvensional
• Ideal untuk large cache (L3, L4) dalam processor

eDRAM telah digunakan dalam berbagai aplikasi seperti IBM POWER7/8 processors, Intel Iris Pro graphics, dan game consoles seperti PlayStation 4.

Referensi:

Barth, J. E., et al. (2011). “A 45 nm SOI Embedded DRAM Macro for POWER7™ 32 MB On-Chip L3 Cache”. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 46(1), 64–75.

Stallings, W. (2018). Computer Organization and Architecture (10th ed.). Pearson.

1.5 Flash Memory

Flash memory adalah teknologi non-volatile yang menggunakan floating-gate transistor untuk menyimpan data. Flash memory dapat diprogram dan dihapus secara elektrik, menjadikannya ideal untuk storage portabel dan embedded systems.

Jenis Flash Memory:

1. NAND Flash:
   > Density tinggi, cocok untuk mass storage
   > Read/write dalam page (2–4KB), erase dalam block (128–256KB)
   > Digunakan dalam SSD, USB drives, memory cards
2. NOR Flash:
   > Random access lebih cepat
   > Execute-in-place capability
   > Digunakan untuk code storage, firmware

Karakteristik Kunci:

• Write endurance: terbatas (10K-100K cycles untuk MLC, 100K+ untuk SLC)
• SLC (Single-Level Cell): 1 bit per cell, lebih cepat dan durable
• MLC (Multi-Level Cell): 2 bits per cell
• TLC (Triple-Level Cell): 3 bits per cell
• QLC (Quad-Level Cell): 4 bits per cell, density tertinggi namun endurance terendah

Referensi:

Bez, R., et al. (2003). “Introduction to Flash Memory”. Proceedings of the IEEE, 91(4), 489–502.

Micheloni, R., Crippa, L., & Marelli, A. (2010). Inside NAND Flash Memories. Springer.

1.6 Newer Nonvolatile Solid-State Memory Technologies

Teknologi memory non-volatile baru dikembangkan untuk mengatasi keterbatasan Flash memory dan menjembatani gap antara DRAM dan storage.

Phase-Change Memory (PCM/PRAM):

• Menggunakan material chalcogenide yang dapat berubah antara crystalline (low resistance) dan amorphous (high resistance)
• Write endurance lebih baik dari Flash (>10⁸ cycles)
• Access time lebih cepat dari Flash (~50ns)
• Dikomersialkan oleh Intel (Optane Memory menggunakan teknologi serupa)

Resistive RAM (ReRAM/RRAM):

• Menyimpan data berdasarkan perubahan resistansi material oxide
• Sangat cepat (<10ns), low power
• Scalability baik hingga sub-10nm
• Potensial untuk neuromorphic computing

Magnetoresistive RAM (MRAM):

• Menggunakan magnetic tunnel junction untuk menyimpan data
• Non-volatile, endurance hampir unlimited
• STT-MRAM (Spin-Transfer Torque) menjanjikan untuk menggantikan SRAM dan DRAM

Ferroelectric RAM (FeRAM):

• Menggunakan ferroelectric layer untuk storage
• Sangat cepat, low power
• Terbatas dalam density

Referensi:

Wong, H. S. P., et al. (2012). “Phase Change Memory”. Proceedings of the IEEE, 98(12), 2201–2227.

Apalkov, D., et al. (2013). “Magnetoresistive Random Access Memory”. Proceedings of the IEEE, 104(10), 1796–1830.

Burr, G. W., et al. (2017). “Neuromorphic computing using non-volatile memory”. Advances in Physics: X, 2(1), 89–124.

1.7 Key Terms

Key Terms:

• Volatile vs Non-volatile memory
• SRAM, DRAM, ROM
• Access time, cycle time
• Memory hierarchy
• ECC (Error Correcting Code)
• DDR (Double Data Rate)
• Flash memory: SLC, MLC, TLC, QLC
• Emerging memory: PCM, ReRAM, MRAM, FeRAM
• Write endurance
• Memory interleaving

Chapter 2: External Memory

2.1 Magnetic Disk

Magnetic disk atau hard disk drive (HDD) merupakan teknologi storage sekunder yang telah digunakan selama beberapa dekade. HDD menyimpan data secara magnetik pada piringan (platter) yang berputar.

Komponen Utama:

• Platter: disk berbahan metal atau glass yang dilapisi material magnetik
• Read/Write Head: menggunakan teknologi inductive atau magnetoresistive untuk membaca/menulis data
• Actuator: menggerakkan head ke track yang diinginkan
• Spindle motor: memutar platter dengan kecepatan konstan (5400–15000 RPM)

Parameter Performa:

1. Seek time: waktu untuk memposisikan head ke track (3–15ms)
2. Rotational latency: waktu tunggu sektor berada di bawah head (rata-rata 0.5 rotasi)
3. Transfer time: waktu actual untuk transfer data
4. Access time = Seek time + Rotational latency + Transfer time

Recording Technologies:

• Longitudinal Recording: magnetisasi parallel dengan permukaan disk
• Perpendicular Recording: magnetisasi tegak lurus, density lebih tinggi
• Shingled Magnetic Recording (SMR): overlapping tracks untuk meningkatkan capacity
• Heat-Assisted Magnetic Recording (HAMR): menggunakan laser untuk meningkatkan density

Referensi:

Tanenbaum, A. S., & Bos, H. (2014). Modern Operating Systems (4th ed.). Pearson.

Wood, R., et al. (2009). “The feasibility of magnetic recording at 10 terabits per square inch on conventional media”. IEEE Transactions on Magnetics, 45(2), 917–923.

2.2 RAID

RAID (Redundant Array of Independent Disks) adalah teknologi yang mengkombinasikan multiple disk drives untuk meningkatkan performance, reliability, atau keduanya melalui redundancy dan parallelism.

RAID Levels:

Get Satria DC’s stories in your inbox

Join Medium for free to get updates from this writer.

Remember me for faster sign in

RAID 0 (Striping):

• Data di-stripe across multiple disks tanpa redundancy
• Performance tinggi (parallel I/O)
• No fault tolerance — failure satu disk menyebabkan data loss
• Capacity: N × disk size

RAID 1 (Mirroring):

• Data di-mirror ke dua atau lebih disks
• Fault tolerance tinggi (dapat survive N-1 disk failures)
• Read performance meningkat, write sama dengan single disk
• Capacity: disk size (overhead 100%)

RAID 2, 3, 4:

• Jarang digunakan dalam praktek modern
• Menggunakan bit/byte-level striping dengan dedicated parity disk

RAID 5 (Distributed Parity):

• Block-level striping dengan distributed parity
• Dapat survive single disk failure
• Good balance antara performance, capacity, dan reliability
• Capacity: (N-1) × disk size
• Write penalty karena parity calculation

RAID 6 (Dual Parity):

• Seperti RAID 5 namun dengan dua parity blocks
• Dapat survive dua concurrent disk failures
• Capacity: (N-2) × disk size
• Write performance lebih rendah dari RAID 5

RAID 10 (1+0) dan RAID 01 (0+1):

• Kombinasi striping dan mirroring
• RAID 10: stripe of mirrors (lebih robust)
• RAID 01: mirror of stripes
• Performance dan reliability tinggi, overhead 100%

Referensi:

Patterson, D. A., Gibson, G., & Katz, R. H. (1988). “A case for redundant arrays of inexpensive disks (RAID)”. ACM SIGMOD Record, 17(3), 109–116.

Chen, P. M., et al. (1994). “RAID: High-performance, reliable secondary storage”. ACM Computing Surveys, 26(2), 145–185.

2.3 Solid State Drives

SSD (Solid State Drive) menggunakan NAND flash memory untuk storage, menggantikan komponen mekanik HDD dengan elektronik solid-state, menghasilkan performance yang jauh lebih tinggi.

Arsitektur SSD:

• Flash memory chips: menyimpan data actual
• Controller: mengelola flash, FTL (Flash Translation Layer), wear leveling, garbage collection
• DRAM cache: buffer untuk mapping table dan data caching
• Interface: SATA, SAS, PCIe (NVMe)

Keunggulan SSD:

• Random access time sangat cepat (~0.1ms vs 10ms HDD)
• Sequential read/write speed tinggi (hingga 7000+ MB/s untuk NVMe)
• Tahan guncangan (no moving parts)
• Konsumsi daya lebih rendah
• Silent operation

Challenges SSD:

• Write amplification: data written > user data karena erase block size
• Wear leveling: mendistribusikan writes untuk memperpanjang lifetime
• Garbage collection: reclaiming invalid pages
• TRIM command: OS memberi tahu SSD tentang deleted data
• Over-provisioning: extra capacity untuk wear leveling dan performance

Interface Technologies:

• SATA III: hingga 600 MB/s, legacy interface
• PCIe/NVMe: low latency, high bandwidth (hingga 7–14 GB/s untuk Gen4/Gen5)
• U.2, M.2: form factors untuk enterprise dan consumer

Referensi:

Choudhuri, S., & Givargis, T. (2011). “Performance improvement of block based NAND flash translation layer”. IEEE International Conference on Hardware/Software Codesign and System Synthesis, 257–262.

Hu, Y., et al. (2009). “Performance impact and interplay of SSD parallelism through advanced commands, allocation strategy and data granularity”. International Conference on Supercomputing, 96–107.

2.4 Optical Memory

Optical memory menggunakan teknologi laser untuk membaca dan menulis data pada media optical disc. Data direpresentasikan sebagai pits dan lands pada disc surface.

Jenis Optical Media:

CD (Compact Disc):

• Capacity: 700 MB
• Wavelength: 780nm (infrared laser)
• Data rate: 150 KB/s (1x speed)
• Variasi: CD-ROM (read-only), CD-R (write-once), CD-RW (rewritable)

DVD (Digital Versatile Disc):

• Capacity: 4.7 GB (single layer), 8.5 GB (dual layer)
• Wavelength: 650nm (red laser)
• Data rate: 1.32 MB/s (1x speed)
• Smaller pits, tighter track pitch dari CD

Blu-ray Disc:

• Capacity: 25 GB (single layer), 50 GB (dual layer), hingga 128 GB (BDXL)
• Wavelength: 405nm (blue-violet laser)
• Data rate: 4.5 MB/s (1x speed)
• Numerical aperture lebih besar untuk focusing

Teknologi Recording:

• Phase-change recording: mengubah crystalline state material
• Dye-based recording: untuk write-once media
• Magneto-optical: kombinasi magnetic dan optical

Kegunaan Modern:

• Archival storage (longevity 50+ years dalam kondisi ideal)
• Media distribution (movies, games)
• Backup systems
• Long-term data preservation

Referensi:

Marchant, A. B. (1990). Optical Recording: A Technical Overview. Addison-Wesley.

Bouwhuis, G., et al. (1985). Principles of Optical Disc Systems. Adam Hilger Ltd.

Stan, S. (1998). The CD-ROM Drive: A Brief System Description. Springer.

2.5 Magnetic Tape

Magnetic tape merupakan teknologi storage tertua yang masih digunakan, terutama untuk backup, archival, dan data preservation jangka panjang dengan cost per gigabyte terendah.

Karakteristik Magnetic Tape:

• Sequential access: data harus diakses secara berurutan
• High capacity: cartridge modern dapat menyimpan 15–30 TB uncompressed
• Low cost per GB: jauh lebih murah dibanding disk atau SSD
• Longevity: dapat bertahan 30+ tahun dengan storage proper
• Portability: mudah dipindahkan off-site untuk disaster recovery

Format Modern:

LTO (Linear Tape-Open):

• LTO-9 (2021): 18 TB native, 45 TB compressed
• Transfer rate: hingga 400 MB/s
• Backward compatibility (read 2 generations, write 1 generation)
• WORM (Write Once Read Many) capability

IBM Enterprise Tape:

• TS1160: hingga 20 TB native
• Untuk mainframe dan enterprise applications
• Very high reliability

Tape Libraries dan Automation:

• Robot automation untuk mengakses ribuan cartridges
• Hierarchical Storage Management (HSM)
• Virtual tape libraries (VTL) menggunakan disk sebagai cache

Use Cases:

• Backup dan disaster recovery: long-term retention
• Archival: compliance, regulatory requirements
• Cold storage: data jarang diakses
• Data migration: transfer bulk data antar sites

Keunggulan:

• Biaya terendah per TB
• Energy efficient (powered off ketika tidak digunakan)
• Air-gap security (offline dari network)
• Portability untuk off-site storage

Keterbatasan:

• Slow access time (sequential)
• Tidak cocok untuk frequent random access
• Memerlukan drive maintenance

Referensi:

Chervenak, A., et al. (1998). “Protecting file systems: A survey of backup techniques”. Joint NASA and IEEE Mass Storage Conference.

LTO Consortium. (2021). LTO Ultrium Format Specification.

Tanagawa, M., et al. (2018). “High-density recording for magnetic tape”. IEEE Transactions on Magnetics, 54(2), 1–8.

2.6 Key Terms

Key Terms:

• HDD: seek time, rotational latency, transfer rate
• Track, sector, cylinder
• RAID levels (0, 1, 5, 6, 10)
• Striping, mirroring, parity
• SSD: NAND flash, controller, FTL
• Wear leveling, garbage collection, TRIM
• NVMe, SATA
• Optical disc: CD, DVD, Blu-ray
• Magnetic tape: LTO, sequential access
• Storage hierarchy
• Backup strategies

Referensi:

Stallings, W. (2018). Computer Organization and Architecture (10th ed.). Pearson Education.

Tanenbaum, A. S., & Bos, H. (2014). Modern Operating Systems (4th ed.). Pearson.

Kesimpulan

Internal memory dan external memory merupakan komponen fundamental dalam hierarchy storage sistem komputer modern. Internal memory (RAM, cache) menyediakan akses cepat untuk data yang sedang diproses, sementara external memory (HDD, SSD, optical, tape) menyediakan persistent storage dengan capacity besar.

Perkembangan teknologi terus menghadirkan inovasi seperti DDR5, NVMe SSD, emerging non-volatile memories (PCM, ReRAM, MRAM), dan high-capacity tape systems yang semakin mengaburkan batasan antara memory dan storage tradisional, membentuk storage-class memory (SCM) sebagai tier baru dalam memory hierarchy.

Pemilihan teknologi storage yang tepat bergantung pada trade-off antara performance, capacity, cost, reliability, dan energy efficiency sesuai dengan kebutuhan aplikasi spesifik.