Tổng quan về bộ nhớ

Tổng quan về bộ nhớ - Phần 3

SO-DIMM là dạng bộ nhớ di động phổ biến nhất cho những máy tính xách tay với kích thước chỉ bằng một nửa so với DIMM tiêu chuẩn và số lượng chân nối dao động tuỳ vào từng thế hệ.

Compact DDR

SO-DIMM là dạng bộ nhớ di động phổ biến nhất cho những máy tính xách tay với kích thước chỉ bằng một nửa so với DIMM tiêu chuẩn và số lượng chân nối dao động tuỳ vào từng thế hệ. Dạng bộ nhớ này thường được sử dụng trong máy tính xách tay, hệ thống tích hợp, máy in và thiết bị mạng cao cấp. Bảng dưới đây cho biết sự khác biết giữa hai dạng DDR di động là Mini và Micro DIMM.

$\"/\"$

$\"/\"$ $\"/\"$

So sánh giữa số lượng và số chân DIMM

Các dạng DDR di động như SO-DIMM đều có tính năng điều chỉnh điện năng để giúp kéo dài thời gian sử dụng pin và giảm lượng điện tiêu thụ xuống mức thấp nhất.

Các tính năng trên bao gồm: tự Refresh một phần của mảng nhớ (PASR – Partial Array Self-Refresh ), Tự refresh bù nhiệt (TCSR - Temperature Compensated Self-Refresh) và DPD ( Deep Power Down ). Các nhà thiết kế bộ nhớ di động phải liên tục duy trì tỉ lệ điện năng/tốc độ hợp lý. Và cả các nhà sản xuất DRAM cá nhân cũng sử dụng công nghệ tiết kiệm điện hợp lý như nhà sản xuất bộ nhớ Elpida Memory dùng công nghệ mang tên Siêu Refresh (SSR – Super Self-Refresh ) giúp giảm dòng điện tự refresh DDR1 tới 95% - dựa trên kỹ thuật TCSR hiện tại với ECC ( Error Correction Circuitry ) .

Để hiểu được bản chất của lượng điện năng mà bộ nhớ di động tiêu thụ, bạn chỉ cần dùng công thức sau:

Năng lượng tổng cộng = Năng lượng lõi + Năng lượng I/O

$\"/\"$
Bản tóm tắt sự khác biệt giữa DDR, GDDR và Mobile DDR

Module DDR di động tiết kiệm điện và module DDR tiêu chuẩn có một số sự khác biệt cơ bản sau đây: quy trình khởi tạo, Chênh lệch Vào / Ra và đặc điểm Overclock. Sự khác biệt chủ yếu trong quá trình khởi tạo bao gồm dãy lệnh khởi động và cách bộ nhớ DDR tiêu chuẩn sử dụng lệnh LMR ( Load Mode Register ) để đặt DLL ( Delay-Locked Loop ) cho nhiều tham số khác nhau, bao gồm cả cường độ dòng điện đầu ra.

Do giới hạn điện năng trong module DDR nên thiết bị DLL vốn được dùng để điều chỉnh dữ liệu theo mức xung nhịp đã bị gỡ bỏ, lý do chính khiến cho các thiết bị sử dụng SO-DIMM đều chậm hơn một chút so với những đồng nghiệp để bàn của chúng. Khi hoạt động ở tốc độ cao tương đương với DIMM để bàn, SO-DIMM có thể gặp một số vấn đề về độ ổn định, chỉ trừ khi các nhà sản xuất sử dụng DDR IC và PCB chất lượng cao có thể giúp giải quyết vấn đề này.

Trước khi đến với các tính năng DDR khác, hãy cùng tìm hiểu về bản chất của Công nghệ Refresh DRAM.

Công nghệ tự refresh ( Self-Refresh ) DRAM

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) có nhiệm vụ liên tục Refresh để giữ được mức điện năng hợp lý ngay cả khi không đọc dữ liệu. Tuỳ theo thiết kế và vật liệu sử dụng, lượng điện năng trong tụ điện sẽ giảm dần theo thời gian và cuối cùng không thể ổn định dữ liệu được nữa. Khi đó, năng lượng phải được Refresh.

Đây là sự khác biệt chính giữa RAM và bộ nhớ tĩnh như ROM hay Flash (NAND hoặc NOR). Trong các thiết bị di động như máy tính xách tay, tính năng tự Refresh này được điều chỉnh để giảm được nhiều điện năng và kéo dài thế giới sử dụng pin hơn.

Dưới đây là 4 phương pháp tiết kiệm điện trong bộ nhớ DDR cho máy tính xách tay :

1. Tự Refresh bù nhiệt (TCSR)

2. Tự Refresh một phần (PASR)

3. Giảm sâu điện năng (DPD – Deep Power Down )

4. Mode dừng xung nhịp ( Clock Stop Mode )

Khi máy tính đang ở trạng thái nghỉ ( Hibernation hoặc Sleep ) , nội dung trong bộ nhớ sẽ được copy sang ổ đĩa cứng để duy trì dữ liệu, trước khi tắt tính năng tự Refresh.

Tự Refresh bù nhiệt (TCSR)

TCSR chủ yếu được sử dụng trong SO-DIMM. DDR1 và DDR2 đều dùng mode tự Refresh đơn, còn DDR3 có cải tiến thêm một bước bằng cách sử dụng hai mode tự refresh nhạy cảm với nhiệt độ. Khi nhiệt độ của DDR3 hạ xuống dưới 85˚C , khoảng thời gian giữa hai lần refresh là 7.8µs. Còn nếu nhiệt độ trong khoảng 85˚C và 95˚C , khoảng refresh sẽ hạ xuống còn 3.9µs, tức là tốc độ refresh nhanh gấp đôi.

Nguyên lý cơ bản ở đây là khoảng thế giới để DRAM duy trì dữ liệu tỉ lệ trực tiếp với nhiệt độ điều hành. Nhiệt độ càng cao, DRAM càng mất dữ liệu nhanh hơn do rò rỉ điện năng. Do đó, việc Refresh phải được tiến hành thưòng xuyên hơn để duy trì dữ liệu ở trạng thái ổn định.

Khi nhiệt độ hạ thấp, thời gian tự Refresh sẽ kéo dài hơn, vì thế theo lý thuyết, khi DDR hoạt động ở nhiệt độ dưới 85˚C , nó sẽ tiết kiệm được 50% lượng điện tiêu thụ. Trong module bộ nhớ máy tính để bàn, hiếm khi nhiệt độ DIMM vượt quá 60˚C do máy tính để bàn có nhiều chỗ đặt thiết bị làm mát hơn.

Khoảng cách giữa hai lần Refresh có thể dao động nhẹ theo từng nhà sản xuất DRAM -- tuỳ thuộc vào công nghệ sản xuất chip do nhà sản xuất sử dụng, nhưng độ chênh lệch giữa chúng có thể dẫn đến một số vấn đề tương thích giữa bộ nhớ di động và BIOS thiết bị. Một số công ty cũng có thể điều chỉnh tính năng này theo vị trí đặt cảm biến nhiệt; trong Silicon của Chip nhớ hay trên DIMM. Việc đặt cảm biến nhiệt trong Silicon của Chip nhớ có thể xác định chính xác nhiệt độ nhân bộ nhớ, còn đặt trên DIMM lại giúp xác định nhiệt độ môi trường.

Tự Refresh một phần (PASR)

Bên trong chip DRAM là các dãy bộ nhớ gồm nhiều hàng và cột, tương tự như bảng tính trong Microsoft Excel. Với PASR, DRAM được lập trình trước với tính năng tự Refresh địa chỉ hoá theo một quy luật nào đó với hàng và cột để giảm lượng điện tiêu thụ.

Ví dụ:

· Mảng đầy đủ : Banks 0, 1, 2, và 3

· 1/2 mảng : Banks 0 và 1

· 1/4 mảng: Bank 0

· 1/8 mảng: Bank 0 với địa chỉ hàng MSB = 0

· 1/16 mảng: Bank 0 với địa chỉ hàng MSB và MSB-1 đều bằng 0

Để tiết kiệm điện trong quá trình tự Refresh, Bộ nhớ DDR di động được thiết kế với tính năng Refresh chọn lọc một số dãy nhất định trong khi không đụng tới các dãy còn lại. Những dãy chứa dữ liệu không cần thiết sẽ không được Refresh.

$\"/\"$
Mode tự refresh và tự refresh một phần ( PASR ) – bên phải
Nguồn: Elpida Memory

$\"/\"$
Các cấu hình PASR khác nhau với mức điện áp tương ứng
Nguồn: Micron Technology

Dòng điện dùng trong quá trình tự refresh sẽ hạ khi có ít mảng được Refresh, nhưng sẽ tự động tăng khi nhiệt độ cao hơn, bởi các mảng cần được Refresh thường xuyên hơn. Tính năng này thường sử dụng cảm biết nhiệt tích hợp bên trong chip Silicon ( Die ) của bộ nhớ để nhận biết nhiệt độ chính xác hơn.

Giảm sâu điện năng (DPD)

Trong mode DPD, hệ thống cung cấp điện nội bộ bị vô hiệu hoá, đồng thời tất cả các quá trình Refresh cũng bị đình lại. Do đó, dữ liệu sẽ không được duy trì sau khi bước vào mode DPD.

Ở điều kiện bình thường, một Bank nhớ hoạt động đơn thường sử dụng dưới 80mA. Khi quá trình Refresh được kích hoạt, lượng điện tiêu thụ sẽ tăng gấp ba so với trạng thái bình thường. Còn trong mode DPD, dòng điện dùng giảm xuống còn khoảng 10µA.

$\"/\"$

Mode tự refresh và DPD
Nguồn: Elpida Memory

Mode dừng xung nhịp

Tính năng này giúp đẩy mạnh khả năng tiết kiệm điện bằng cách sử lí một số quá trình quá độ trong bộ phận xung nhịp đồng hồ . Theo Micron Technology, để thực hiện việc này có hai phương pháp chủ yếu:

· Thay đổi tốc độ xung nhịp khi tốc độ truyền dữ liệu với những tốc độ khác nhau , hoặc

· Đặt CKE ở mức HIGH, CK LOW và CK HIGH trong suốt quá trình sử dụng

Việc sử dụng phương pháp nào là tuỳ thuộc vào yêu cầu thiết bị. Bộ nhớ DDR di động có thể thường xuyên thay đổi tần số xung nhịp trong quá trình hoạt động, nhưng chỉ khi toàn bộ yêu cầu Timing và Refresh đã được đáp ứng.

Theo JEDEC, thậm chí có thể dừng hoàn toàn xung nhịp nếu thực hiện những điều kiện sau:

· Lệnh cuối cùng (ACTIVE, READ, WRITE, PRECHARGE, AUTO REFRESH hay MODE REGISTER SET) đã được thực thi; số lượng xung nhịp trong mỗi lệnh truy cập tùy thuộc vào tham số timing AC và tần số xung nhịp của thiết bị.

· Các điều kện timing có liên quan (tRCD, tWR, tRP, tRFC, tMRD) đã được đáp ứng.

· CKE đặt ở mức High.

$\"/\"$
Mode kết thúc xung nhịp

Nguồn: JEDEC

Vỏ ngoài DRAM

Thiết kế gói chip bộ nhớ đã thay đổi đáng kể từ khi ngành công nghiệp máy tính chuyển từ SDR sang DDR. Hiện tại có một số loại gói DRAM thường gặp TSOP ( Thin Small-Outline Package TSOP), CSP ( Chip-Scale Packaging ), LQFP ( Low-Profile Quad Flat Pack ) và BGA ( Ball Grid Array ).

Loại thường gặp nhất trong DDR bao gồm các phiên bản BGA hoặc TSOP, trong đó STOP phổ biến hơn trong DDR1, còn DDR2 và DDR3 lại sử dụng FBGA, vốn chỉ có một số khác biệt nhỏ tuỳ vào hãng sản xuất.

$\"/\"$

Các mẫu FBGA khác nhau
Nguồn: Spansion Memory

Ưu điểm chính của FBGA là mật độ dữ liệu cao, toả nhiệt tốt và đầu nối ngắn giúp hạn chế việc méo tín hiệu. Bạn cũng cần chú ý là FBGA rất dễ nhầm với Fortifield BGA và sẽ được giải thích bên dưới ..

Mối nối BGA với mạch in

Nhưng mặt khác, bộ nối ngắn được sắp xếp dạng lưới ở đáy chip có thể dẫn đến tình trạng căng không đều giữa các cực hoặc mối hàn trong quá trình giãn nở nhiệt, do DRAM nóng lên và giãn nở với trị số không đều so với Bảng mạch in (PCB).

Độ chênh giữa tỉ số giãn nở của Bảng mạch in ( PCB ) và chip DRAM làm căng các mối hàn và có thể làm nứt bộ đầu nối - một trong số những lý do khiến người dùng không nên tăng điện áp DRAM cao hơn quy định, trừ khi họ đảm bảo giữ được nhiệt độ thấp cho bộ nhớ. Điện áp cao sẽ toả ra nhiều nhiệt hơn và làm thoái hoá mạch điện bên trong DRAM nhanh hơn.

Một số module bộ nhớ nhất định do OCZ (FlexXLC, Reaper, ReaperX) và Corsair (DHX, Dominator) sản xuất đã chứng tỏ một bước tiến trong công nghệ nhiệt, giúp giảm độ chênh lệch giữa DRAM và Bảng mạch in trong quá trình giãn nở nhiệt.

OCZ và Corsair làm tăng tính hiệu quả của công nghệ truyền nhiệt PCB bằng cách ép Module của họ ở mức nhiệt độ cực đại trong một thời gian dài, rồi kiểm tra vết nứt trên mối hàn DRAM bằng tia X. Đây là một quy trình rất tốn thời gian và là một trong những điểm quan trọng nhất cần nhớ nếu bạn định tiến hành overclock.

$\"/\"$
Hệ thống làm mát chuyên dụng PCB cho FBGA DRAM do OCZ và Corsair sản xuất
Nguồn: OCZ Technology and Corsair Memory

Như đã đề cập ở trên, một dạng công nghệ BGA khác là Fortified-BGA (BGA củng cố). Đúng như tên gọi, công nghệ này giúp tăng tính ổn định của DRAM trong quá trình giãn nở nhiệt (từ nóng sang lạnh và ngược lại) bằng cách củng cố các điểm nối. Đường kính mối nối ở đáy chip DRAM liên quan trực tiếp tới độ ổn định của nó khi nhiệt độ thay đổi. Đường kính càng lớn, mối nối càng chắc – đây là một trong số những nguyên nhân khiến một số module bộ nhớ có khả năng chịu được nhiệt độ cao hơn.

Kiểm tra mối nối BGA

Các nhà sản xuất module bộ nhớ thường dùng tia X để kiểm tra sản phẩm mẫu từ một chuyến hàng xem có mối nối nào bị lỗi không.

Các bộ nối BGA thường rất khó tiếp xúc từ mọi hướng, và vì thế cần dùng đến các công nghệ kiểm tra cao cấp như tia X và kính hiển vi chuyên dụng.

Tia X có thể thu được hình ảnh từ mọi góc độ để kiểm tra mối nối giữa chip DRAM và PCB. Hiện tại các công nghệ tiến bộ có thể hoạt động được với mối nối không chì - điều kiện tuân thủ theo tiêu chuẩn RoHS (Hạn chế dùng hoá chất độc trong sản phẩm điện tử).

$\"/\"$
Kiểm định BGA bằng tia X
Nguồn: STL Electronics

Một số lỗi BGA thường gặp bao gồm mối nối gãy, thiếu mối nối, mối nối hở và không thẳng hàng. Quy trình kiểm tra chất lượng thường được tiến hành tự động với phần mềm kiểm tra quang học. Thiết bị sẽ phát hiện các lỗi thông thường như đứt mối nối, mối nối rỗng, mối nối có đường kính bất thường hoặc không có hình tròn. Tất cả các nhà sản xuất đều sử dụng một số công nghệ tia X sau đây:

$\"/\"$
Mối nối BGA – Vành đen xung quanh thể hiện tính chịu nước tốt, còn vùng sáng thể hiện phần rỗng trong mối nối.
Nguồn: Phoenix/X-ray GmbH

Các phần rỗng trong mối nối ảnh hưởng không tốt đến chất lượng mối nối nhưng lại cực kỳ khó nhận biết trong quá trình sử dụng và thường được giữ ở mức cho phép. Nhưng khi phần rỗng có thể tích quá lớn, nó sẽ làm yếu mối nối và giảm khả năng kết nối. Phần rỗng quá lớn trong mối nối BGA sẽ làm giảm tuổi thọ của module bộ nhớ và suy yếu khả năng kết nối trong quá trình giãn nở nhiệt.

Ngoài ra còn một số phương pháp kiểm tra thủ công khác như kiểm định chức năng, kiểm tra dòng điện nội mạng (ICT) và máy dò chuyên dụng. Đôi khi công nghệ tia X OVHM (phóng đại tối đa hình ảnh góc) được dùng thay thế cho phương pháp kiểm tra nghiêng điển hình để xem xét mối nối từ góc độ nghiêng mà không làm giảm mức phóng đại.

Công nghệ chồng ( Stack ) và tăng dung lượng

Phương pháp chồng thường được sử dụng để làm tăng mật độ dữ liệu của bộ nhớ PC một cách tiết kiệm bằng cách thêm vào các lớp bổ sung – khuông, IC và / hoặc PCB. Thường thì có hai cách sắp xếp khác nhau: Card-trên-Card ( Card – on – Card ) và Gói-trên-Gói ( Package – on – Package ) .

Để tăng mật độ chip đơn, công nghệ chồng MCP ( Multi-Chip Package ) ) được sử dụng với chip BGA. Thay vì xếp nhiều chip dọc DIMM, thì các khuôn sẽ được xếp chồng lên nhau trong một gói chip đơn. Các nhà sản xuất DRAM thường có những cách riêng để làm mỏng và thu nhỏ wafer để có gói nhỏ hơn và số lượng Die lớn hơn.

$\"/\"$

Kể từ năm 2007, Samsung Semiconductors sẽ sử dụng công nghệ silicon TSV ( Through Silicon Via ) với cấu hình chồng toàn bộ DRAM -- thiết kế sẽ nhỏ gọn hơn , ngăn nắp hơn , nhanh hơn và tiết kiệm điện nhiều hơn. Nhưng Samsung cũng không phải là công ty duy nhất sử dụng công nghệ này, bởi Intel đã biểu diễn công nghệ Terascale tại IDF mùa xuân năm ngoái, trong đó họ đặt bộ nhớ trên đỉnh một bộ xử lý 80 nhân.

Công nghệ MCP hiện tại có nhược điểm là các lớp DRAM khác nhau chỉ được nối lại bằng một dây dẫn mỏng manh. Cấu hình này tạo ra khoảng trống dày hàng chục micron giữa các lớp, và loại kết nối này cũng cần không gian bề ngang rộng hàng trăm micron để đặt dây nối. Ngoài ra công nghệ này rất đắt tiền và khó kiểm soát chất lượng, bởi rất khó tìm ra và sửa chữa một sợi dây dẫn nhỏ giữa hàng trăm dây dẫn.

$\"/\"$

Công nghệ xếp lớp Wafer của Samsung
Nguồn: Samsung Electronics

Theo Samsung, công nghệ Chồng xếp gói Wafer WSP ( Wafer-level-processed Stacked Package ) của họ “tạo ra những lỗ siêu nhỏ có kích thước tính bằng micron được cắt bằng laser giúp xuyên thẳng qua lớp silicon để nối mạch bộ nhớ thẳng với khung đồng, không cần đến bất kỳ khoảng trống hay dây dẫn nào. Những ưu điểm này cho phép công nghệ WSP của Samsung tạo ra những gói có kích thước nhỏ hơn nhiều.”

Kết quả mới nhất của công nghệ này là module cải tiến 4GB DDR2 của Samsung với tốc độ cao hơn hẳn. Mỗi chip chứa 4 lớp DRAM 512 Megabit, mật độ 2 Gigabit mỗi chip. Công nghệ TSV cải tiến sẽ được sử dụng trong bộ nhớ DDR3.

$\"/\"$
MCP mỏng nhất thế giới: 1.4mm với 20 khuôn xếp lớp
Nguồn: Elpida Memory

Trong nửa đầu năm 2007, Akita Elpida Memory đã phát triển thành công loại MCP dày 1.4mm nhưng chứa được tới 20 khuôn. Họ đã sử dụng một công nghệ đan lưới độc nhất vô nhị để tạo ra những con chip dày 30µm, cùng với những sáng tạo độc đáo để thao tác với những con chip này, trong đó các dây nối được đưa vào các khe nhỏ để tách riêng các lớp. Công nghệ này có hiệu quả cao và giá thành khá thấp, quả là một thành tựu đáng kinh ngạc.

$\"/\"$