Thiết kế topology đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì tín hiệu ổn định dọc đường truyền bộ nhớ. Các kỹ sư bộ nhớ (mặc dù không chỉ chuyên về bộ nhớ) đều biết rằng khi tốc độ bộ nhớ càng tăng, tín hiệu sẽ càng có nguy cơ gặp lỗi cao hơn. Và để giảm bớt tác động tiêu cực của tốc độ bộ nhớ cao, mỗi thế hệ RAM máy tính đều đòi hỏi phải có một thiết kế mới. Và chỉ đơn giản nhất và tốt nhất chính là việc rút ngắn đường truyền dữ liệu, vấn đề chất lượng tín hiệu đã được giải quyết. 

Trong phần cuối bài, chúng ta sẽ tìm hiểu sự khác biệt giữa topology của Registered DDR3 và Unbuffered DDR3.

Nhưng hiện tại, bạn cần biết những khái niệm quan trọng sau đây về bộ nhớ: tần số nhân DRAM, Tần số bộ nhớ đệm Input Output (IO), tần số bus bộ nhớ và tần số dữ liệu. Những khái niệm này đều chỉ tốc độ tại những vùng khác nhau trên hệ thống bộ nhớ.

Tất cả các module bộ nhớ đều được đánh giá dựa trên tần số dữ liệu. Ví dụ như, số 800 trong DDR2-800 cho biết module này có khả năng vận hành tại tần số dữ liệu 800MHz. Mặt khác, tần số bộ nhớ đệm IO và tần số bus sẽ chạy ở tần số 400MHz, trong khi nhân DRAM là 200MHz.

Mối quan hệ giữa tần số (MHz) và dữ liệu truyền qua (Mbps) đơn giản như sau: mỗi mẩu tín hiệu đơn chứa 1 bit dữ liệu: 0 hoặc 1. Dữ liệu này được thể hiện bằng một chấm “Action” hình tròn màu đen trong sơ đồ dưới đây. Tần số dữ liệu 800MHz đồng nghĩa với việc nó sẽ gửi 1 bit dữ liệu với tần số 800 triệu lần/giây, do đó tổng hợp cả hai kết quả, ta có dữ liệu truyền qua bằng 800 Megabit/giây (Mbps). (Chú ý: bit và byte là hai đơn vị khác nhau. 8bit = 1byte, vì thế tốc độ 800Mbps chỉ bằng 100MBps hay 100 Megabyte/giây).

Đối với mỗi mức tần số dữ liệu cho trước, thông lượng dữ liệu thực thường thấp hơn so với dự tính. Ví dụ: DDR2 800MHz không dành toàn bộ tần số này cho dòng dữ liệu. Thay vào đó, một lượng nhất định được dùng cho tín hiệu lệnh và tín hiệu điều khiển. Điều này cũng giống như việc bạn mua một ổ cứng 160GB, nhưng sau khi format, chỉ còn 149GB dành để chứa dữ liệu. Đó là do một phần ổ cứng đã bị trưng dụng bởi những ứng dụng khác như Master Boot Record (MBR) và Partition Tables.

Nhưng đối với những người ưa tìm tòi khám phá, thì đây lại là một cơ hội tuyệt vời để overclock bộ nhớ lên tần số cao hơn, đưa thông tần dữ liệu đạt gần tới, thậm chí vượt qua mức 800MHz. Việc này sẽ dễ thực hiện hơn với module DDR2 1066MHz.

Mode kênh đơn ( Single-Channel ) và kênh đôi  ( Dual-Channel )

Một sáng tạo quan trọng của DDR chính là khả năng sử dụng cấu hình kênh đôi thay vì bus bộ nhớ kênh đơn truyền thống. Thiết kế này giúp cải thiện cơ bản tốc độ bộ nhớ. Hiện tại hầu hết chipset bo mạch chủ là  hỗ trợ tính năng này.

Trên chipset kênh đôi kiểu Đối xứng ( Symmetrical ) , người dùng sẽ có được tốc độ kênh đôi nếu đặt hai module bộ nhớ và các khe cắm cùng màu, nhưng bo mạch chủ của họ sẽ trở lại mode kênh đơn nếu như họ dùng 3 module bộ nhớ trên một bo mạch chủ 4 khe cắm. Các chipset kênh đôi kiểu Không đối xứng Asymmetrical đều có thể hoạt động tại mode kênh đôi với 3 DIMM, giúp người dùng có được tốc độ bộ nhớ 128bit.

Công nghệ bộ nhớ DDR dùng cho máy tính để bàn hiện tại chưa thể hỗ trợ quá 2 DIMM trên mỗi kênh, nhưng những mạch điều khiển bộ nhớ FB-DIMM (Fully Buffered DIMM) dùng cho máy chủ hoặc máy tính trạm (của Intel) ngay từ khi thiết kế đã có 8DIMM trên mỗi kênh. Các máy tính cao cấp này thường được trang bị cấu hình 4 kênh, nên chúng phải có ít nhất 4 DIMM mới sử dụng được. 

Mỗi thanh nhớ để bàn tiêu chuẩn hỗ trợ đường truyền 64bit, trong khi các thanh nhớ dùng cho máy chủ lại sử dụng tới 72-bit dữ liệu mỗi kênh: 8 bit thêm kia được dùng cho Codec sửa lỗi (EEC). DIMM Registered và FB có giá cao hơn nhiều so với DIMM dùng cho máy tính để bàn tiêu chuẩn chính vì hiệu suất phụ trợ với tính năng sửa lỗi của chúng.

Quá trình phát triển băng thông và CPU 

Hệ thống bộ nhớ có mối quan hệ trực tiếp với quá trình tiến hoá của chiếc CPU. Khi ngày càng nhiều các bộ xử lý mạnh tham gia xâm chiếm thị trường, thì băng thông bộ nhớ càng cần được nâng cao để bắt kịp tốc độ xử lý của CPU. Một hệ thống bộ nhớ chậm chạp sẽ không thể cung ứng đủ dữ liệu cho một chiếc CPU hiện đại, khiến bộ xử lý phải “ngồi chơi xơi nước” trong khi chờ dữ liệu đến. Vì thế mục tiêu của hệ thống bộ nhớ là lưu trữ và tìm nạp một khối lượng lớn dữ liệu cho nhiều chức năng khác nhau trong thời gian ngắn nhất có thể. Nếu thiếu một hệ thống bộ nhớ có tốc độ tương đương, CPU sẽ trở nên thiếu hiệu quả và thừa thãi.  

Biểu đồ sau đây sẽ giúp bạn hình dung rõ hơn hiện tượng này. Định luật Moore cho biết cứ sau 18 tháng, khả năng xử lý của CPU lại tăng gấp đôi. David “Dadi” Perlmutter, trưởng nhóm Core tại Intel gọi đây là “sự miêu tả đơn giản cho bước phát triển kinh tế kỹ thuật.” Hiệu quả của chiếc máy tính phụ thuộc phần lớn vào việc hệ thống bộ nhớ có đuổi kịp những tiến bộ mà CPU đạt được hay không. 

Những bộ vi xử lí Single-Core có thể tăng tốc đơn giản bằng cách nâng tần số xử lý trong phạm vi một thế hệ , trong thế hệ của nó cấu trúc cũng được cải tiến và số lượng Transistor tăng lên . Tuy vậy, trong năm 2004-2005, một thiết kế CPU để bàn đã thay đổi hoàn toàn cách thức nâng cấp bộ xử lý, từ chỗ chỉ tăng tốc độ sang việc tăng cả tốc độ lẫn gấp đôi số lượng nhân.  

Do đó, mức tăng tốc độ CPU phụ thuộc vào việc nâng cao tần số của nhân, số lượng nhân trong một gói bộ xử lý, công nghệ cache với chức năng tối ưu hoá pre-fetch ( lấy dữ liệu về ) và cải tiến thuật toán dự đoán lệnh cùng với hiệu suất bus cải tiến để tránh tắc nghẽn. Các thuật toán pre-fetch và dự đoán dữ liệu để truy cập bộ nhớ có tác động lớn đến hiệu suất bộ xử lý. Ngoài ra còn cần một số yếu tố khác như cách sử dụng cache L1, L2 (và L3) cùng các thuật toán tương ứng và việc phân phối mức truy cập.

Chính vì biết rằng tốc độ bộ nhớ không bao giờ theo kịp tốc độ CPU, nên các nhà thiết kế hệ thống bộ nhớ thường sử dụng phương pháp cải tiến nhiều mặt. Vì lý do kinh tế nên mục tiêu chính của họ là giữ giá thành sản xuất càng thấp càng tốt.

Thay vì chỉ dựa vào việc tăng tốc độ bộ nhớ - vốn rất tốn kém, các nhà thiết kế đầy sáng tạo đã nghĩ ra rất nhiều phương pháp truy cập song song để bù lại mức tăng tốc độ quá chậm chạp. Các phương pháp  này gồm có: công nghệ Tốc độ dữ liệu gấp đôi (DDR), mode kênh đôi ( Dual-Channel ) hoặc kênh 4 ( Quad-Channel ) , công nghệ Pre-fetching, cùng nhiêu phương pháp khác. 

Cần chú ý rằng chính một số giới hạn về tài chính trong công nghệ DDR DRAM đã khíên tốc độ nhân không thể vượt quá 200MHz. Tăng hiệu suất bus bằng cách nâng tần số làm việc cao hơn dễ dàng hơn nhiều so với việc tăng tần số nhân DRAM.   

Trong thiết kế và trong sản xuất người ta đã chắc chắc điều khiển được mức tín hiệu đảm bảo chính xác và hạn chế sự giao thao điện từ ( EMI ) trên Motherboard và trên thanh nhớ . Do đó, việc cải thiện tốc độ không chỉ là vấn đề của riêng các nhà thiết kế DRAM, mà là nỗ lực chung của toàn ngành, từ các kiến trúc sư CPU, các nhà thiết kế chipset và DRAM cho tới các công ty sản xuất bo mạch chủ và module bộ nhớ.

Mạch điều khiển bộ nhớ

Nhiệm vụ của mạch điều khiển bộ nhớ là ra lệnh, quản lý và dẫn đường cho tín hiệu ra vào module bộ nhớ. Thường thì mỗi DRAM có 4 hoặc 8 bank được truy cập theo cách tương tự như một bảng tính Microsoft Excel: theo từng hàng và cột. Mỗi khi CPU cần đọc hoặc lưu trữ dữ liệu, nó lại gửi thông tin đến RAM qua mạch điều khiển bộ nhớ.

Năm 2007, Intel đã cho ra mắt thế hệ bo mạch chủ DDR3 đầu tiên trong serie “Bearlake” 3 dưới dạng chipset P35 và X38. Các chipset tương lai do Nvidia và sau đó là AMD sản xuất cho CPU riêng của họ cũng sẽ hỗ trợ DDR3 trong năm nay. Còn các bo mạch DDR2/DDR3 hiện tại chỉ có khả năng hỗ trợ module bộ nhớ DDR2-800 hoặc DDR3-1066/1333, nhưng không phải cả hai tiêu chuẩn cùng một lúc, bởi DDR2 và DDR3 dùng các khe cắm bộ nhớ khác nhau do có vị trí khoá trên thanh nhớ khác nhau. 

AMD là nhà sản xuất bo mạch chủ duy nhất có mạch điều khiển bộ nhớ tích hợp sẵn trong CPU, và họ đã thực hiện điều này kể từ khi Athlon 64 ra mắt 3 năm về trước. Intel cũng sẽ đi theo xu hướng này vào cuối năm 2008 với nhân "Nehalem" mới. Còn cuối tháng 12 vừa rồi, AMD đã hỗ trợ công nghệ HyperTransport thế hệ thứ ba, cùng với một socket CPU mới có mật danh AM2+. Còn hỗ trợ công nghệ DDR3 của công ty này sẽ có dạng socket AM3 và nhân Deneb, Propus và Regor 45nm ra mắt trong năm nay. 

Một điều thú vị là, khi AMD đã trở lại học thuyết tương thích ngược bộ xử lý-socket, nhiều khả năng các nhân 45nm cũng sẽ tương thích được với thế hệ trước đó. 

Lợi ích kinh tế đầu tiên của việc tích hợp bộ nhớ vào gói CPU là khả năng tiết kiệm chi phí sản xuất bo mạch chủ cho nền tảng đó. Còn lợi ích về kỹ thuật là việc gỡ bỏ được một bước trong quá trình truyền dữ liệu. Việc tích hợp mạch điều khiển bộ nhớ khiến FSB không còn cần thiết nữa. Điều này giúp các nhà sản xuất bo mạch chủ đơn giản hoá quá trình thiết kế và kiểm tra bằng cách chuyển gánh nặng lên vai các nhà thiết kế CPU – có ít vấn đề EMI hơn và toàn bộ hệ thống có thiết kế tiết kiệm điện ngay từ đầu. Về lý thuyết, giải pháp này có thể đẩy mạnh tốc độ bộ nhớ do xoá bỏ nguy cơ nghẽn băng thông FSB.  

Nhưng mặt trái của việc tích hợp mạch điều khiển bộ nhớ là nó chiếm mất chỗ trên khuôn bộ xử lý - vốn có thể dành cho cache L1, L2 và L3 bổ sung. Ngoài ra bạn còn bị hạn chế trong một mạch điều khiển bộ nhớ duy nhất, thay vì có quyền tuỳ chọn chipset như với hệ thống của Intel. Thêm vào đó, trong hệ thống AMD, bất kỳ đường Truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA) nào cũng phải đi qua CPU trước khi đến bộ nhớ, làm tăng thời gian trễ ở các bộ phận khác như card đồ hoạ - thiết bị yêu cầu tốc độ truy cập nhanh.

Thời gian trễ là khoảng thời gian bị ngắt quãng hoặc dừng lại . Khi các lệnh tín hiệu DDR thay đổi, các hệ thống phụ bộ nhớ cần dừng lại một khoảng giữa các lệnh bộ nhớ khác nhau. Điều này cũng tương tự như việc một chuyến tàu vào ga và phải dừng lại để đón trả khách. 

Có rất nhiều loại thời gian trễ, trong đó thời gian trễ CAS vẫn được xem là thông số quan trọng nhất. Tuy nhiên, khi các thế hệ bộ nhớ DDR ngày một phát triển, thì thời gian trễ này càng trở nên kém quan trọng so với nhiều loại thời gian trễ khác. Trong một số modul bộ nhớ, thời gian trễ CAS được ký hiệu là “CL” hoặc đơn giản là “C”. Tương tự, các module bộ nhớ có CAS kéo dài 3 chu kì xung nhịp thường được gọi là CL3 hoặc C3. 

Quá trình phát triển

Được dẫn dắt bởi nhu cầu thông lượng dữ liệu ngày càng lớn, công nghệ DDR đã trải qua nhiều bước phát triển mang tính tiến hoá cao, trong khi vẫn giữ được mức giá phải chăng nhất có thể.

Hai trở ngại chính đối với quá trình tăng tần số làm việc trong bộ nhớ cho việc truyền dữ liệu là mức độ nhiễu dữ liệu  liệu và độ chính xác của thời gian, thường liên quan tới DVW ( Valid Data Window hay Data-Valid Window ), hoặc chỉ đơn giản là “Data Eye”. Đây là yếu tố quyết định mức độ ổn định tín hiệu.

Có rất nhiều phương pháp giảm nhiễu tín hiệu như: bộ nhớ DDR1 áp dụng cách giảm điện trở bo mạch chủ, còn bọ nhớ DDR2 lại dùng ODT ( On-Die Termination ) ngay trên thanh nhớ. DDR3 đưa ODT đến một bước phát triển cao hơn bằng cách cho phép tuỳ nghi thay đổi giá trị ODT dựa vào từng hoàn cảnh. Khi được kết hợp với nhiều kỹ năng chỉnh sửa tín hiệu, khả năng tích hợp dữ liệu sẽ được thay đổi cho phù hợp với tốc độ đường truyền cao hơn. Trong quá trình thiết kế và sau khi đã hoàn thành, tất cả các bo mạch chủ và module bộ nhớ đều cần phải được kiểm tra độ chính xác tín hiệu để đảm bảo các hệ thống điều chỉnh tích hợp đều hoạt động tốt. 

Để tăng hiệu suất và giảm nhiệt lượng toả ra thì điện áp làm việc cho bộ nhớ phải hạ xuống. Các trung tâm dữ liệu cũng như người dùng máy tính đang ngày càng quan tâm tới các máy tính tiết kiệm điện vì nhiều lý do, trong đó phổ biến nhất vẫn là để bảo vệ môi trường, tăng thời gian sử dụng pin và giảm chi phí vận hành.

Mỗi trung tâm dữ liệu hiệu đại đều tiêu thụ một lượng lớn điện năng để chạy máy điều hoà nhiệt độ. Ví dụ như trung tâm dữ liệu của LucasFilm dùng tới 25 tấn chất lỏng làm nguội trong 32 chiếc máy điều hoà nhiệt độ để đảm bảo máy tính vận hành tốt. Hiệu suất điện thường được tính bằng tỉ số giữa tốc độ với lượng điện năng sử dụng, vì thế việc giảm lượng năng lượng điện tiêu thụ cho cùng một tốc độ như nhau là động lực của toàn ngành công nghiệp.

Hệ thống bộ nhớ máy tính sẽ không thể thực hiện những bước nhảy lớn nếu thiếu một kế hoạch lâu dài quy mô lớn có sự tham gia của toàn ngành công nghiệp máy tính. Hàng loạt mẫu cải tiến đã được các thành viên gửi lên các cơ quan quản lý thiết kế như JEDEC, và một hội đồng thẩm định sẽ nghiên cứu các cải tiến và thiết kế này.

Trong đó chi phí đắt đỏ cho việc thiết kế và kiểm định thiết bị trong quá trình sản xuất là một rào cản lớn khó vượt qua bởi Hệ thống kiểm tra tự động (ATE) có giá cực cao, thường là hàng triệu đôla mỗi đơn vị. Theo Brad Snoulten của MOSAID Systems, thì hiện có hai thử thách chính sau đây:

·       Các nhà sản xuất bộ nhớ không có đủ tiền để mua hoặc thay thế những hệ thống kiểm tra trị giá hàng triệu đôla nhằm đáp ứng nhu cầu kiểm định sản phẩm ngày càng tăng.

·       Các công ty phân phối ATE bộ nhớ gặp vấn đề trong việc thiết kế những giải pháp giá rẻ nhưng có khả năng sử dụng lâu dài. Ngoài ra, tính bất ổn đặc thù của bộ nhớ càng làm trầm trọng thêm vấn đề này.

Tiến bộ là một quá trình tiến hoá lâu dài hơn là những bước nhảy đột xuất trong thiết kế.

Bộ nhớ DDR cho đồ hoạ GDDR ( Graphics DDR )

Nếu chiếc PC của bạn có tuổi đời không quá ba năm thì nhiều khả năng nó sẽ có ít nhất một giao diện mở rộng đồ hoạ PCI Express. Các card đồ hoạ này sử dụng loại bộ nhớ DDR, hoặc đồ hoạ DDR (GDDR) chuyên dụng, dao động từ vài chục Megabyte cho tới hơn một Gigabyte.

GDDR thường được dùng trong hệ đồ hoạ có tốc độ cực cao và băng thông cực lớn. Nó có cấu trúc khác hoàn toàn so với DDR và do vậy, không nằm trong cùng tính năng kĩ thuật theo tiêu chuẩn DDR của JEDEC. 

Công nghệ GDDR mới nhất đã đạt đến thế hệ thứ năm, được gọi một cách dễ hiểu là GDDR5. Điểm khác biệt chủ yếu giữa các thế hệ này là tốc độ và băng thông. So với DDR, GDDR có tốc độ cao hơn, nhưng lại có giá cao hơn rất nhiều tính theo chi phí sản xuất và lượng điện tiêu thụ.

GDDR3 sử dụng điện áp 2.0v chứ không phải 1.5v như DDR3, do đó có tốc độ cao hơn nhưng lại có xu hướng rò rỉ nhiều điện hơn và toả nhiều nhiệt hơn trong quá trình vận hành. Cùng với nhân đồ hoạ lớn, mức điện năng này khiến các card đồ hoạ thường toả nhiều nhiệt hơn cả CPU và bo mạch chủ cộng lại.   

Qimonda GDDR3 trên Nvidia 8800GT

GDDR thường có Bus dữ liệu rộng hơn và bộ nhớ đệm lớn hơn. Những thiết bị sử dụng GDDR như card đồ hoạ có dung lượng ít hơn so với các thiết bị dùng bộ nhớ DDR do tiêu thụ nhiều điện hơn và có giá thành cao hơn. Việc tăng dung lượng bộ nhớ GDDR của thiết bị sẽ làm tăng lượng điện tiêu thụ và chi phí bỏ ra.

QDR và XDR

Hệ thống bộ nhớ Tốc độ dữ liệu gấp 4 (QDR) xuất hiện lần đầu vào năm 1999 và là sản phẩm hợp tác giữa Cypress Semiconductor, IDT và NEC. Kể từ đó, nhiều công ty như Micron Technology, Renesas, Samsung Electronics và Hitachi cũng đã nhảy vào lĩnh vực này.

Hiện tại không có nhiều khả năng bộ nhớ QDR sẽ thay thế bộ nhớ DDR bởi nó không thể đạt được yêu cầu tối cần thiết là tỉ lệ giá/bit thấp. Ngoài ra, sự thay thế này cũng tương đương với một biến chuyển lớn trong công nghệ bộ nhớ, điều mà các nhà sản xuất không thích chút nào. Tất cả đều là vì lý do kinh tế.

Mặc dù QDR có tần số dữ liệu và Valid Data Window cao hơn rất nhiều, cùng với thời gian trễ rất nhỏ, nhưng nó lại có dung lượng bộ nhớ khá thấp so với DDR. Tiêu chuẩn dung lượng bộ nhớ QDR3 chỉ được tính bằng MB trong khi DDR3 đã đạt ngưỡng 8GB/thanh nhớ. Cấu trúc QDR cũng được thiết kế chuyên dành cho các ứng dụng kết nối tốc độ cao.

Theo Lattice Semiconductor, nhược điểm của công nghệ DDR so với QDR là: 

·       Việc Đọc và Ghi cùng được chia xẻ trên cùng một Bus dữ liệu 2 chiều, do đó băng thông bị giảm xuống một nửa so với cấu trúc QDR, đặc biệt là khi tỉ lệ Đọc/Ghi gần bằng 1:1.

·       Cần phải ngắt quãng đường truyền dữ liệu để làm tưới lại dữ liệu (Refresh).

·       Thời gian trễ truy cập lớn.

·       Phải khởi tạo sau khi bật máy, đồng thời kích hoạt dòng trước và sau khi truy cập (Giao diện bộ nhớ đã đơn giản hoá quá trình này).

Chính sự tồn tại song song của QDR và thậm chí cả ODR ( Octal – Data Rate , Tốc độ dữ liệu gấp 8) đã làm nên sự thú vị của thị trường máy tính. Sony PlayStation 3 sử dụng thiết kế XDR ( Extreme Data Rate ) của Rambus – có khả năng gửi 8 bit dữ liệu trong mỗi vòng xung nhịp so với 2 bit trong DDR2. Hiện tại thiết kế XDR được nhiều công ty sử dụng như Samsung, Qimonda, Elpida, IBM, Toshiba, AMD... Các hệ thống bộ nhớ này vô cùng đắt và không phổ biến bằng DDR. 

Ngoài ra còn có một dạng DDR2 khác rất hiếm gặp là DDR2+ ( hay Enhanced DDR2) có khả năng vận hành ở tần số nhân 333MHz so với tiêu chuẩn DDR2 200MHz. DDR2+ cũng được phát triển bởi cộng đồng QDR.