Những bí ẩn của bộ nhớ PC - Phần 1

Những bí ẩn của bộ nhớ PC - Phần 1 Tất cả những công ty sản xuất nên chiếc máy tính bạn đang sử dụng đều là thành viên của EIA và JEDEC. Kể từ năm 1958 cho đến nay, JEDEC đã trở thành nhà phát triển tiêu chuẩn hàng đầu trong ngành công nghiệp bán dẫn. Trong vòng 15 năm, tốc độ DRAM đã tăng tới 4,000%, trong khi thiết kế của chúng vẫn vô cùng đơn giản. Thực ra đây là một điều có chủ ý từ trước. Điều cốt yếu trong công nghệ RAM là yêu cầu phải có nguồn cung cấp năng lượng liên tục để duy trì dữ liệu. Quy trình này có tên Self-Refreshing (tự làm mới). Thiết kếhệ thống bộ nhớ luôn bị chi phối bởi động lực kinh tế, đơn giản là bởi có quá nhiều tiền của đổ vào cơ sở vật chất hiện tại, chủ yếu tập trung ở mạch điều khiển bộ nhớ. Điều này cho phép sản xuất DRAM với số lượng lớn, và do đó, hạ giá thành sản phẩm. Thường thì các nhà sản xuất đều cố gắng làm cho sản phẩm của mình trở nên càng rẻ càng tốt để được người tiêu dùng dễ dàng tiếp nhận, hơn là một sản phẩm siêu việt hơn về kỹ thuật nhưng lại có giá cao hơn hẳn. Theo Graham Allan và Jody Defazio của tập đoàn công nghệ MOSAID thì “DDR2 SDRAM,kẻ thống lĩnh thị trường hiện tại, có tính bảo đảm cao, dung lượng lưu trữ lớn, giá thành thấp, và băng thông kênh hợp lý nhưng lại có giao diện thô kệch và mạch điều khiển rắc rối.” Để cho rõ ràng, chúng ta sẽ gọi SD-RAM là “SDR”, thế hệ DDR SD-RAM đầu tiên là “DDR1”, còn “DDR” sẽ đại diện cho toàn bộ gia đình bộ nhớ liên quan đến tiêu chuẩn DDR. Đơn vị đo Khi nói đến bộ nhớ, chúng ta không thể tránh khỏi những thuật ngữ như chu kỳ xung nhịp, timing, Megabits/giây (Mbps) và Megahertz (MHz). Chúng đều liên quan tới khái niệm tốc độ của hệ thống bộ nhớ trong các hoàn cảnh khác nhau. MegaByte (MB) và GigaByte (GB) thường được dùng để chỉ dung lượng lưu trữ. Băng thông và Tốc độ là hai đơn vị đo lường khác nhau, sự khác nhau nằm ở cách chúng ta mô tả hiệu suất hệ thống như thế nào . Nó không hạn chế chỉ liên quan bộ nhớ mà cả các bộ phận khác trong máy tính nữa. Một đơn vị dùng để minh hoạ lượng dữ liệu được gửi đi (bit), thường được tính bằng lượng đơn vị trong một khoảng thời gian nhất định (bit/giây). Đơn vị còn lại để diễn tả độ nhanh của dòng dữ liệu (Hz). Càng nhiều đơn vị dữ liệu được chuyển qua một dây, dòng luân chuyển càng nhanh. Khi bàn về tốc độ trong hệ thống bộ nhớ, hai khái niệm này có thể được dùng tráo đổi cho nhau. Những người dùng có kinh nghiệm thường để ý đến một đơn vị đo khác có tên Chu kỳ xung nhịp (CK hoặc tCK). Nó được dùng để mô tả thời gian trễ bộ nhớ, tức khoảng thời gian ngưng trệ cần thiết trong quá trình bộ nhớ hoặc động, khoảng thời gian này càng ngắn, tốc độ bộ nhớ càng cao. Ngoài ra, một vòng xung nhịp còn được đổi ra thành nano giây (ns). Trong phần sau, chúng ta sẽ bàn kỹ hơn về chủ đề này. Lưu lượng băng thông Đường luân chuyển bộ nhớ cũng giống như những con đường vậy. Còn băng thông (bit/giây) thì tương tự như lượng xe cộ mà một tuyến đường có thể chứa trong một khoảng thời gian nhất định. Nó liên quan trực tiếp với số lượng tuyến đường sẵn có. Tần số (Hz) tương đương với tốc độ tối đa mà các xe có thể chạy. Giới hạn tốc độ càng cao, xe càng có thể chạy với tốc độ cao hơn, nhưng cũng dễ va chạm hơn. Khi đó, thời gian trễ bộ nhớ có thể xem như những ngã tư với đèn giao thông, tạo ra những khoảng dừng cần thiết để giảm bớt tai nạn. Việc giảm thời gian chờ đợi sẽ giúp tăng lưu lượng xe cộ, nhưng với điều kiện là chúng đã sẵn sàng và có đủ thời gian lăn bánh. Cấu trúc bộ nhớ Phần dễ nhận thấy nhất trên hệ thống bộ nhớ máy tính bao gồm những thanh nhớ và khe cắm. Đối khi những bộ phận này được gọi chung là Bank. Mỗi thế hệ và thể loại bộ nhớ lại có một cấu trúc khác nhau một chút để tránh việc vô tình cài đặt module không tương thích có thể dẫn đến thiệt hại ngoài ý muốn. Trên mỗi module bộ nhớ lại có những con chip bộ nhớ nhỏ có tên DRAM, đôi khi còn được gọi bằng một cái tên bình dân hơn là IC. Nhân DRAM là một mảng tụ điện được gọi là các ngăn ( Cell ) có chứa dữ liệu (0 hoặc 1) bằng cách giữ lại những điện tử được nạp . Trước khi đọc dữ liệu, tụ điện trên phải được phóng điện vào bộ khuếch đại. Khi đó, mỗi tín hiệu đọc là một hành động nguy hiểm, có thể xoá sạch tụ điện. Do đó, các nhà sản xuất phải bổ sung thêm một bước là nạp lại các ngăn đã được đọc. Đây chính là điểm khác biệt cơ bản giữa công nghệ RAM và bộ nhớ kiểu Solid State như NAND và NOR. Theo Kingston Memory, ở bộ nhớ DDR1 (thế hệ thứ nhất), một máy tính trung bình mất khoảng 200ns (nano giây) để truy cập một bộ nhớ vật lý, và mất 12,000,000ns đối với ổ cứng. Nói một cách dễ hiểu, nó hoạt động với vận tốc chậm hơn 60000 lần, tương đương với sự khác biệt giữa 1 phút và 42 ngày. Sự khác nhau giữa Bộ nhớ Cache và RAM Cache là một loại bộ nhớ nhanh hơn rất nhiều so với những bộ nhớ tiêu chuẩn như DDR. Loại bộ nhớ này hoạt động giống như những khu vực lưu trữ chuyên dụng dành cho những dữ liệu thường xuyên được sử dụng, cho phép truy cập dữ liệu cực nhanh. Tuỳ từng trường hợp, đôi khi chúng còn được gọi là “bộ nhớ đệm.” Bên trong khuôn ( Die ) bộ vi xử lý, những cache này được phân loại dựa trên mức ưu tiên và tốc độ truy cập: Mức 1 (L1), Mức 2 (L2) và Mức 3 (L3). L1 có tốc độ nhanh nhất và thời trễ nhỏ nhất, nhưng dung lượng thấp nhất (Kilobytes). Các lệnh và dữ liệu thường được sử dụng nhất trong module bộ nhớ DDR được copy sang cache L1 trong quá trình xử lý dữ liệu. Cache có rất nhiều tính năng khác nhau: một số chỉ được dùng cho dữ liệu, trong khi một số khác chuyên được dùng cho mã lệnh và lệnh chương trình. Tất cả các CPU để bàn đều có cache L1 riêng dành cho cả lệnh và dữ liệu. Tốc độ của cache L1 có thể nhanh gấp nhiều lần so với bộ nhớ DDR2 hoặc thậm chí là cả DDR3 chuẩn . Intel E6750 kết hợp với chipset Intel X38 có tốc độ cache L1 khoảng 42500MB/giây. Tiếp đến là cache L2 tuy có chậm hơn, nhưng lại lớn hơn hẳn (Megabytes) với tốc độ khoảng 20500MB/giây. Còn bộ nhớ DDR3 kênh đôi mới ( Dual-Channel ) nhất với tần số 1,333MHz và thiết lập thời gian trễ trung bình có băng thông khoảng 8,800MB/giây. Một số module bộ nhớ DDR sử dụng công nghệ đệm để có độ ổn định và tốc độ cao hơn. Những bộ nhớ “đệm” này có mạch điện cao cấp chuyên dụng cho máy tính trạm và máy chủ. Fully-Buffered DIMM (FB-DIMM) sử dụng Bộ nhớ đệm cao cấp (AMB) để nâng cao khả năng truyền dữ liệu, tính toàn vẹn của tín hiệu và phát hiện lỗi. Nó được thiết kế để chuyển lần lượt dữ liệu (không phải theo cấu trúc Bus Song song mà theo phương thức Nối tiếp) giữa AMB và mạch điều khiển bộ nhớ. Một vấn đề của FB-DIMM chính là việc hiệu suất làm việc của nó liên quan tới TPD ( Thermal Power Design ) – là một Chip phụ nằm trên thanh nhớ để điều khiển việc truy cập dữ liệu liên quan tới năng lượng toả ra ( năng lượng toả ra một mức độ nào đó thì nó sẽ tăng thời gian trễ của bộ nhớ để giảm nhiệt độ ). Các máy tính để bàn thông thường dựa trên module bộ nhớ được gọi là “Un- buffered” DIMM; sử dụng công nghệ bus bộ nhớ khác và rẻ hơn nhiều. Bạn đọc nên chú ý rằng mặc dù được dán mác "DDR2", những thanh nhớ cho kiểu FB-DIMM không tương thích đươợ với các máy tính để bàn thông thường. Bộ nhớ kiểu Solid State Bạn cần phân biệt rõ hai loại bộ nhớ sau đây: công nghệ RAM Volatile (linh động) và bộ nhớ Non-Volatile dựa trên Flash . Bộ nhớ Flash dựa trên hai công nghệ cơ bản là NAND và NOR. Nhưng tại sao chúng ta lại phải để ý đến những bộ nhớ này trong khi chúng chẳng liên quan gì đến DDR? Tương lai của hệ thống máy tính phụ thuộc rất nhiều vào khả năng hợp tác giữa các bộ nhớ DDR hiện tại với bộ nhớ Flash để nâng cao tốc độ tổng thể của hệ thống . Khác với công nghệ RAM (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên ), các bộ nhớ Flash có khả năng duy trì dữ liệu mà không cần bất kỳ nguồn điện nào. Mặc dù tốc độ truy cập của chúng thấp hơn so với công nghệ DDR hiện tại, nhưng lại nhanh hơn so với ổ cứng cơ học trong việc đọc ngẫu nhiên bởi chúng không phải thực hiện bộ phận di chuyển cơ học nào. Microsoft Vista, trong chế độ ReadyBoost, cũng như các hệ điều hành tương lai sẽ sử dụng cả hai loại bộ nhớ này cùng lúc để tăng tốc độ hệ thống tổng thể. Ví dụ tiêu biểu là “Turbo Memory” của Intel, dựa trên công nghệ NAND Flash, trước khi phát hành còn có tên khác là công nghệ “Robson” Intel. Nhưng hiện tại thì Turbo Memory lại đóng vai trò không thể thiếu trong nền tảng "Santa Rosa" Centrino mới nhất. Nó có vai trò như một cache lớn chứa những file và ứng dụng thường xuyên sử dụng, và có tốc độ truy cập ngẫu nhiên nhanh hơn so với ổ cứng cơ khí thông thường . Các hệ điều hành hỗ trợ loại công nghệ lưu trữ đôi này có lợi thế ở thời gian khởi động bởi các file hệ điều hành quan trọng sẽ được chứa trong bộ nhớ flash trong quá trình khởi động. Cũng chính nhờ khả năng này mà trong tương lai, bộ nhớ flash sẽ hoạt động nhiều hơn và hợp tác chặt chẽ hơn với bộ nhớ DDR. Tuy nhiên, trong tương lai gần, thì không chiếc máy tính nào phụ thuộc nhiều vào khả năng này bởi bộ nhớ flash có tuổi thọ ngắn so với ổ cứng thông thường và bộ nhớ DDR.