Tìm hiểu cơ bản về bộ nhớ DDR (Double Data Rate)

Chúng ta đã sử dụng bộ nhớ DDR (Double Data Rate) và chúng đã từng phục vụ chúng ta rất tốt. Tuy vậy, có lẽ đã đến lúc phải nói lời chia tay với công nghệ này - sứ mệnh của nó đã đến hồi kết thúc. Bộ nhớ DDR quá chậm và có một số vấn đề về vận hành. Một số khả năng thay thế đang được xem xét, trong đó có DDR2. Chúng ta sẽ nghiên cứu về DDR2 để tìm hiểu nó làm việc như thế nào. Nếu đang tìm mua bộ nhớ máy tính, đây là những thông tin đáng giá đối với bạn. Bộ vi xử lý có tốc độ ngày càng nhanh và cũng ngày càng nóng hơn khi chạy. Hiện nay có những phần cứng đồ họa tiêu thụ công suất tới 75W, bằng một bóng điện trung bình. Bộ nhớ cũng không phải là một ngoại lệ. Các máy tính được trang bị bộ nhớ ngày càng nhanh và song song với đó, điện năng tiêu thụ và nhiệt tỏa ra khi chạy cũng ngày càng tăng lên. Phần lớn các hệ thống máy tính được bán ra từ trước tới nay sử dụng bộ nhớ DDR. Bộ nhớ DDR hoạt động nhanh gấp đôi so với các bộ nhớ tiền nhiệm bởi vì nó có thể đọc/ghi dữ liệu theo cả chu kỳ lên và chu kỳ xuống của đồng hồ hệ thống, tức mỗi chu kỳ của đồng hồ hệ thống chúng thao tác được 2 mẫu dữ liệu. Chính vì vậy, các bộ nhớ DDR thường được ghi nhãn với thông số tốc độ đồng hồ thực của nó, cao gấp hai lần tốc độ của đồng hồ hệ thống. Ví dụ, một bộ nhớ DDR chạy ở tốc độ đồng hồ hệ thống 200 MHz được ghi nhãn là DDR400. Một cách ghi nhãn khác là căn cứ vào tốc độ truyền dữ liệu thực của bộ nhớ. Bộ nhớ DDR400, có thể truyền 3,2 gigabyte dữ liệu một giây, còn được ghi nhãn là PC320 (3200 Mbit/s). Tốc độ này thoạt đầu tưởng như khá cao, nhưng quả thực so với các tiêu chuẩn bộ vi xử lý hiện nay nó thực sự chưa thể theo kịp. Bộ vi xử lý Pentium 4 (3,4 GHz) hoặc Athlon 64 FX-53 (2,4 GHz ) vẫn phải mất khá nhiều thời gian chờ đợi dữ liệu đọc từ bộ nhớ. Kích thước cache của các bộ vi xử lý đã tăng lên nhằm giảm thiểu thời gian chờ đợi này. Còn có một số vấn đề khác liên quan tới DDR làm ảnh hưởng tới sự ổn định và vận hành của máy tính. Thí dụ, việc kết thúc bộ nhớ (MT - Memory Termination) là rất cần thiết để giảm thiểu sự phản xạ tín hiệu có thể làm giảm độ ổn định. MT không được thiết kế bên trong bộ nhớ DDR mà trên thực tế nó được điều khiển bằng một tập hợp các gói điện trở trong bo mạch chủ. Cách thiết kế này có chi phí tương đối cao và hơn nữa lại làm tăng khả năng mất ổn định khi tốc độ đồng hồ tăng lên do các điện trở kiểm soát việc kết thúc bộ nhớ cách xa các chíp DRAM. DDR2: Giảm năng lượng tiêu thụ và vấn đề về độ trễ Bộ nhớ mới nhất cho các dòng máy tính cá nhân chủ đạo hiện nay là DDR2. DDR2 khắc phục một số vấn đề tiềm ẩn với bộ nhớ DDR nguyên thuỷ (còn được gọi là DDR1). Ví dụ, DDR2 có cơ chế kết thúc bộ nhớ khi thôi sử dụng (on-die termination) cho phép nâng cao tính toàn vẹn của tín hiệu nếu tốc độ đồng hồ tăng lên. DDR2 cũng khắc phục vấn đề điện năng tiêu thụ và nhiệt toả ra cao một cách rất hiệu quả. Tỉ lệ đồng hồ thực sự của bộ nhớ DDR2 bằng 1/2 tỉ lệ đồng hồ hệ thống nhận biết biết được. Trong khi đó, đồng hồ bộ nhớ của DDR1 được giữ ở cùng tốc độ với đồng hồ nhập/xuất (I/O clock) bên ngoài. Ví dụ, một bộ nhớ DDR2/533 (266 MHz) có nhịp đồng hồ nội tại thực tế là 133 MHz. Đồng hồ bộ đệm nhập/xuất là 266 MHz nhưng đó là nhịp đồng hồ dành riêng cho hệ thống. Để giải quyết cho sự không đồng bộ về nhịp đồng hồ này, DDR2 sẽ chuyển tới 4 mẫu dữ liệu cho mỗi chu kỳ đồng hồ. Vì bộ nhớ đệm I/O chạy nhanh gấp đôi, nó chỉ cần xử lý 2 mẫu dữ liệu cho mỗi chu kỳ đồng hồ I/O. Do đó, trên thực tế bộ nhớ chuyển dữ liệu tới bộ nhớ đệm I/O ở tốc độ nhanh gấp bốn (quad data rate) nhưng hệ thống chỉ “nhìn thấy” hai mẫu dữ liệu cho mỗi chu kỳ đồng hồ I/O. Còn độ trễ là một điều hoàn toàn khác. Độ trễ CAS (xung địa chỉ theo cột ) của bộ nhớ DDR1 có thể lên tới 2 chu kỳ đồng hồ, đối với một số môđun trong hệ thống của các nhà sản xuất gốc (OEM) độ trễ có thể lên tới 2,5 hoặc 3 chu kỳ. Độ trễ ghi dữ liệu của DDR là một chu kỳ nhưng ngay cả khi tần số của phần cứng bên ngoài tăng lên, chỉ số này vẫn còn khá thấp. Vì vậy DDR2 chấp nhận một hướng tiếp cận với thuật toán xử lý khá đơn giản, đảm bảo độ trễ ghi luôn kém độ trễ CAS 1 chu kỳ đồng hồ. Vì vậy, nếu độ trễ CAS là 4 (tiêu biểu cho các mô đun DDR2 hiện nay) thì độ trễ ghi luôn là 3 chu kỳ. Đứng trên góc độ của toàn hệ thống, độ trễ thực sự không có ảnh hưởng nhiều lắm. Độ trễ CAS 2 cho DDR400 chỉ vào khoảng 15ms và độ trễ CAS 3 cho DDR2.533 cũng tương tự như vậy. Băng thông tổng thể vẫn tăng lên, bởi vì độ trễ tương đối thấp này chỉ xảy ra đối với lần đọc đầu tiên của một dòng bộ nhớ. Sau đó, bộ nhớ sẽ chuyển dữ liệu cho hệ thống theo một chu kỳ đồng hồ cao hơn. Nếu hệ thống chạy với bộ nhớ DDR2/400, bạn sẽ không thấy một sự khác biệt đáng kể nào trong hiệu suất vận hành. Vấn đề điện năng tiêu thụ cao được xử lý bằng cách hạ thấp điện áp từ 2,5V xuống 1,8V. Khi dung lượng bộ nhớ tăng, điện năng tiêu thụ cho sự gia tăng bộ nhớ cũng tăng theo. Theo tính toán, 4GB bộ nhớ DDR1 tiêu thụ 35-40W điện năng. Điện áp giảm xuống giúp điện năng tiêu thụ cho 4GB bộ nhớ cũng chỉ còn 25-30W. Điện áp thấp còn giúp có thể nâng cao tần số hoạt động của đồng hồ. Bus hệ thống và các bộ điều khiển bộ nhớ Các bộ vi xử lý LGA 774 Pentium 4 sử dụng bus hệ thống (Bus nối CPU và bộ nhớ chính trên bo mạch chủ) tốc độ 200 MHz (tốc độ thực tế 800 MHz) nhưng tốc độ thực sự của đồng hồ bộ nhớ DDR2/533 lại là 266 MHz. Sự khác biệt này làm giảm tính hiệu quả của bộ nhớ cũng như ảnh hưởng tới thông lượng. Lý tưởng nhất, chắc chắn bạn muốn đồng hồ của bus hệ thống đồng bộ với đồng hồ bộ nhớ. Có nhiều khả năng Intel sẽ tăng tốc độ bus hệ thống của dòng Pentium4 vào cuối năm nay. AMD, trái lại, đang phải đối mặt với một vấn đề khác hơn chút ít. Bộ điều khiển bộ nhớ của chíp Athlon 64 được tích hợp sẵn trong CPU. Mặt tích cực của thiết kế này là độ trễ của bộ điều khiển bộ nhớ được giảm xuống đáng kể vì chúng chạy cùng tốc độ với bộ vi xử lý. Nhưng điều đó cũng có nghĩa AMD cần cải tiến lại Athlon 64 để hỗ trợ DDR2. Việc họ có thực hiện sự cải tiến này cho các thế hệ CPU hiện nay hay phải đợi tới công nghệ 90nm vẫn là một câu hỏi ngỏ. Với khả năng vận hành xuất sắc khi chạy hệ thống của AMD với DDR400, sự chưa tương thích này chưa phải đã ảnh hướng nhiều tới họ trong thời gian trước mắt. Các bộ nhớ khác Trong khi DDR và DDR2 chiếm thị phần lớn trên thị trường bộ nhớ hiện nay, các loại bộ nhớ khác đang ganh đua để giành sự chú ý của các nhà chế tạo gốc OEM. Các loại bộ nhớ này bao gồm QBM (quad-band memory) của Kentrol và bộ nhớ XDR mới của Rambus. Sự ủng hộ đối với QBM đã được VIA thông báo khá rầm rộ vào năm ngoái. Sản phẩm này của Kentron không phải là một thiết kế hoàn toàn mới mà kế thừa từ DDR và sử dụng công nghệ chuyển mạch để làm tăng gấp đôi thông lượng. Có thể xem nó như một loại bộ nhớ kênh đôi (dual-channel) trên một môđun đơn. ý tưởng của Kentron là dùng một bộ nhớ có tốc độ và chi phí đều thấp và cải tiến để làm tăng gấp đôi khả năng vận hành nhưng không tăng tốc độ đồng hồ. XDR là nỗ lực gần đây nhất của Rambus nhằm thuyết phục các nhà sản xuất PC và bộ nhớ sử dụng công nghệ độc quyền của công ty này. Một nỗ lực đáng kể trước đây của Rambus trong lĩnh vực chế tạo bộ nhớ máy tính là việc tung ra thị trường sản phẩm RDRAM. Sự kiện này cũng đã gây tác động đáng kể với việc Intel công bố sử dụng RDRAM trong các chipset Intel 820, 850 và 860. XDR DRAM thực sự là một công nghệ hướng tới tương lai. Rambus dự đoán rằng DDR2/667 sẽ là bộ nhớ dòng DDR2 đạt tốc độ tối đa, mặc dù một số nhà quan sát khác lại cho rằng đỉnh cao về tốc độ phải là DDR2/800. Bất cứ kết cục như thế nào, Rambus cũng cho rằng XDR DRAM sẽ là “bước tiếp theo” trong nỗ lực cải thiện khả năng vận hành của bộ nhớ. Tất nhiên, với lịch sử đầy những sự tranh chấp của Rambus, cũng chưa có gì chắc chắn ai sẽ hợp tác với họ. XDR dựa vào công nghệ tín hiệu Yellowstone của Rambus, không có gì phải bàn cãi về bản quyền sở hữu nhưng cần ít nhất 18 tháng để nó có thể chiếm lĩnh được một vị trí đáng kể. Còn nhiều sự thay đổi trong thế giới công nghệ trong khoảng thời gian đó. Những sự lựa chọn khi nâng cấp bộ nhớ Chỉ có hai trường hợp có thể xảy ra: bạn quyết định mua một hệ thống mới hay nâng cấp từ hệ thống cũ. Nếu bạn đang sử dụng DDR1, việc nâng cấp bộ nhớ có thể đồng nghĩa với việc mua thêm các mô đun DDR1. Tuy nhiên, nếu bạn sử dụng một hệ thống cũ và dự định nâng cấp lên một bộ vi xử lý mới, cần cân nhắc kỹ hơn nhu cầu về bộ nhớ trước khi thực hiện việc nâng cấp hệ thống. Nếu bạn quyết định mua một hệ thống mới thì bạn phải xem xét giữa hai lựa chọn: AMD hay Intel. Nếu bạn chọn Intel, cần phải có một bo mạch socket T có thể hỗ trợ các chipset dòng 900 mới và bộ nhớ DDR2. Trong trường hợp này, bạn nên bỏ thêm chi phí và mua luôn bộ nhớ DDR2/533. Một số công ty cũng bắt đầu cung cấp DDR2/667 nhưng hiện nay chưa thực sự rõ ràng là liệu các mô đun với nhãn DDR2/667 có thể làm việc thực sự trong các hệ thống DDR2/667 hay không. Ngoài ra, giá đắt cũng là một vấn đề nữa, vì vậy bây giờ thì DDR2/533 là một lựa chọn tốt nhất. Nếu muốn nâng cấp máy tính lên Athlon 64, lựa chọn của bạn rất đơn giản: DDR400. Với ưu điểm của bộ điều khiển bộ nhớ tích hợp trong thiết kế của Athlon 64, song song với chất lượng tốt, độ trễ thấp của DDR400 cũng cải thiện sự vận hành chút ít. Nhưng bạn cũng nên cân nhắc kỹ sự lựa chọn của mình vì nếu chờ tới mùa thu năm nay, Athlon 64 có thể hỗ trợ cả DDR2. Vị trí của khe cắt (gọi là Key hole) ở cạnh chân DDR2 và DDR cũng khác nhau. Nhưng do khe cắt trên DDR2 được di dời vào gần giữa hơn, khó phân biệt đầu phải, đầu trái hơn, nên bạn phải “cẩn thận gấp đôi” khi gắn thanh DDR2 vào socket. Với DDR2, cấu hình Dual Channel cũng linh hoạt hơn. Bạn có thể gắn và thanh 256MB ở một socket kênh 1, và hai thanh 128MB ở hai socket kênh 2 (chứ không bắt buộc phải dùng mỗi kênh một thanh và có cùng dung lượng như ở DDR).