Các công nghệ RAM: DRAM là gì, SRAM, SDRAM và các công nghệ RAM mới hơn

Khoa học - Bởi Hà Huy Dũng Cách đây 4 tuần - 21 view - 0 comment
DRAM là gì?
DRAM là viết tắt của Dynamic random-access memory (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động hay RAM động), một loại bộ nhớ được sử dụng rộng rãi trên các hệ thống máy tính như là bộ nhớ chính. Về mặt năng lực, nó có thể đạt được 8GB cho mỗi chip trong IC hiện đại.

Về mặt vật lý, DRAM lưu trữ mỗi bit dữ liệu trong một tụ điện riêng bên trong mạch tích hợp. Tụ điện có thể được nạp hoặc xả, hai trạng thái này đại diện cho hai trạng thái của một bit (thường được gọi là 0 và 1). DRAM được gọi là động vì nó cần được làm tươi (refresh) hoặc nạp điện sau khoảng vài mili giây để bù đắp cho sự rò rỉ điện từ tụ điện. Vì tụ điện bị rò điện nên nếu không được làm tươi hoặc nạp điện lại đều đặn thì các bit dữ liệu lưu trên DRAM sẽ mất dần.

RAM truyền thống trên máy tính đều là DRAM. Những máy tính mới hơn sử dụng DDR (Dual Data Rate - tạm dịch: tốc độ dữ liệu kép) DRAM để nâng cao hiệu suất.
cac cong nghe ram dram la gi sram sdram va cac cong nghe ram moi hon
Một thanh DRAM DDR3

SRAM là gì?
SRAM là viết tắt của Static random-access memory (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh hay RAM tĩnh). SRAM lưu giữ các bit dữ liệu trong bộ nhớ miễn là nguồn điện được cung cấp đầy đủ. Không giống như DRAM, lưu bit dữ liệu trong các pin chứa tụ điện và bóng bán dẫn, SRAM không cần phải làm tươi theo định kỳ.

SRAM chỉ chứa bóng bán dẫn và biến tần, dữ liệu được đưa vào SRAM với sự trợ giúp của bitline và được chuyển tiếp bởi wordline. Biến tần được sử dụng để tạo feedback, dùng làm đầu vào cho các bóng bán dẫn, nhờ đó SRAM không cần phải làm mới hàng nghìn lần trong một chu kỳ như DRAM. Nhưng trong một bit bộ nhớ có 6 bóng bán dẫn của SRAM khiến cho nó khá cồng kềnh và đòi hỏi nhiều không gian hơn DRAM (1 bit bộ nhớ chỉ có 1 bóng bán dẫn của DRAM). Điện năng mà SRAM cần cũng nhiều hơn DRAM vì nó cần vận hành 6 bóng bán dẫn (thay vì 1 bóng như DRAM).

SRAM nhanh hơn và đắt hơn DRAM, nó thường được sử dụng bên trong CPU [CPU là gì?]. Do tốc độ cao, SRAM cũng được sử dụng như bộ nhớ cache và bộ nhớ chính trong các máy chủ để có hiệu năng tốt nhất.
cac cong nghe ram dram la gi sram sdram va cac cong nghe ram moi hon
Một chip RAM tĩnh từ một bản sao của Nintendo Entertainment System (2K x 8 bit). Nguồn ảnh: Wikipedia

SDRAM là gì?
SDRAM là viết tắt của Synchronous dynamic random access memory (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động đồng bộ). SDRAM là DRAM được đồng bộ hóa với bus hệ thống. Đây là tên chung cho những loại DRAM khác nhau được đồng bộ hóa với tốc độ xung nhịp tối ưu của vi xử lý. SDRAM có thể chạy ở tốc độ xung nhịp cao hơn nhiều so với bộ nhớ thông thường. Được đồng bộ với bus của CPU và có khả năng chạy ở mức 133MHz, nhanh hơn khoảng 3 lần so với RAM FPM thông thường, nhanh hơn DRAM EDO và DRAM BEDO khoảng 2 lần. SDRAM đang dần thay thế DRAM EDO trong nhiều máy tính đời mới.
cac cong nghe ram dram la gi sram sdram va cac cong nghe ram moi hon
Tám IC SDRAM trên một gói PC100 DIMM. Nguồn ảnh: Wikipedia

MRAM là gì?
MRAM là viết tắt của Magnetoresistive Random Access Memory (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ điện trở hay RAM từ điện trở), là loại bộ nhớ không tự xóa, lưu trữ dữ liệu dựa trên nguyên lý hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (hay chính xác hơn là hiệu ứng từ điện trở chui hầm). MRAM lưu trữ thông tin trong nam châm nano. Độ trễ đọc có thể nhanh như bất cứ thứ gì trong CPU, độ trễ khi ghi là một nano giây (1 phần tỷ giây). Bộ nhớ này khá phức tạp và có bài viết chi tiết trên Wikipedia, bạn quan tâm có thể tìm đọc thêm nhé.

MRAM sử dụng ít năng lượng hơn các công nghệ RAM khác, vì thế nó lý tưởng cho các bộ nhớ trên chip. Nó cũng có khả năng lưu trữ lớn hơn, thời gian truy cập nhanh hơn RAM thường. MRAM giữ lại nội dung cho đến khi máy tính bị ngắt điện.

Hiện tại MRAM có mặt trên thị trường với dung lượng nhỏ, dung lượng lớn khá khó để đạt được.


ReRAM là gì?
ReRAM là viết tắt của Resistive Random Access Memory (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện trở hay RAM điện trở), một sự thay thế hiện đại cho công nghệ flash với cấu trúc và đặc điểm tương tự như MRAM.

ReRAM có hai ưu điểm so với MRAM. ReRAM có điện trở cao hơn, cho phép cấu trúc bộ nhớ dày hơn, gọi là điểm tràn. Điều này dẫn đến diện tích ô nhớ (cell) ít hơn. ReRAM cũng có thể lưu trữ nhiều mức hơn cho mỗi ô, cho phép lưu trữ nhiều bit. Điều này nghĩa là một mảng ReRAM riêng lẻ có thể tăng công suất mà không cần tốn thêm diện tích. ReRAM với 7 bit cho mỗi ô đã được chứng minh là có thể đạt được.

ReRAM có hai nhược điểm là cần điện áp cao tương đối để ghi và độ bền kém. Điện áp cao góp phần làm tiêu tốn năng lượng và làm cho việc tích hợp với các tiến trình CMOS trở nên khó khăn hơn. Vấn đề về độ bền của ReRAM khiến nó không được dùng để làm bộ nhớ cache.

Nhìn chung, ReRAM đã đạt được tốc độ đọc, ghi ở mức nano giây, có nhiều tiềm năng cho đĩa, và công nghệ DRAM.

PCM là gì?
PCM là viết tắt của Phase change memory, bộ nhớ thay đổi pha, có nhiều đặc tính giống với ReRAM nhưng cơ chế vật lý thì hoàn toàn khác. Kết quả là, nó có độ bền thấp khoảng 10^8. Tuy nhiên, các nhà thiết kế hệ thống đã tạo ra những thủ thuật thông minh để khiến PCM có thể thay thế một số ứng dụng của DRAM. PCM cũng đã được chế tạo và những bộ phận tương thích với DIMM đã có sẵn.

FRAM là gì?
FRAM là viết tắt của Ferroelectric random access memory (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện-sắt hay RAM điện-sắt), hoạt động theo cách tương tự như DRAM. Sự khác biệt chính là vật liệu trong tụ điện là nam châm và do đó, nó lưu trữ thông tin bằng cách thay đổi giá trị điện dung. Hãy tưởng tượng tụ điện như một thùng chứa điện, thì quá trình thay đổi giá trị điện dung này giống như việc thay đổi kích thước của thùng để lưu trữ thông tin. FRAM có độ bền rất cao, hơn 10^15. Có một số vấn đề với FRAM, nó có hiệu suất tương tự như DRAM nhưng không động nên đây là lợi thế duy nhất. Về mặt lý thuyết, FRAM tốt hơn DRAM nhưng nó chưa được đầu tư xứng đáng.

FRAM của Ramtron
cac cong nghe ram dram la gi sram sdram va cac cong nghe ram moi hon
FRAM của Ramtron. Nguồn ảnh: Wikipedia

Kết luận
Có 3 lớp ứng dụng dành cho bộ nhớ, tùy thuộc từng lớp mà đòi hỏi về tốc độ hay mức tiêu hao năng lượng khác nhau: lưu trữ lâu dài, bộ nhớ chính và bộ nhớ cache trên chip.

SRAM và DRAM là những công nghệ bộ nhớ cổ điển, khả biến và có thể mở rộng. Những công nghệ bộ nhớ mới hơn cho thấy hiệu suất nhanh hơn và bổ sung thêm tính năng không khả biến (non-volatility), giúp tiết kiệm lượng điện rò rỉ.

Trong số những công nghệ này, MRAM và FRAM có độ bền tốt đủ để sử dụng trên chip. MRAM có độ trễ đạt yêu cầu đối với các mạch chip. ReRAM và PCM có khả năng thay thế công nghệ DRAM và dễ dàng vượt qua flash, disk cho việc lưu trữ lâu dài.