RAM là gì? Cơ chế hoạt động và phân loại RAM hiện nay

Bizfly Cloud

3105

17-11-2024

RAM, hay bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, là thành phần quan trọng quyết định tốc độ xử lý của máy tính. Hãy cùng Bizfly Cloud tìm hiểu về cơ chế hoạt động, các loại RAM phổ biến và xu hướng phát triển của công nghệ này.

RAM là gì

RAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên) là phần cứng trong thiết bị điện toán cung cấp bộ lưu trữ tạm thời cho hệ điều hành (OS), các chương trình phần mềm và bất kỳ dữ liệu nào đang sử dụng. Điều này giúp chúng có sẵn nhanh chóng cho bộ xử lý của thiết bị. RAM thường được gọi là bộ nhớ chính của máy tính, trái ngược với bộ nhớ đệm của bộ xử lý hoặc các loại bộ nhớ khác.

RAM được coi là một phần của bộ nhớ chính của máy tính. Nó có tốc độ đọc và ghi nhanh hơn nhiều so với bộ lưu trữ thứ cấp, chẳng hạn như ổ đĩa cứng (HDD), ổ đĩa thể rắn (SSD) hoặc ổ đĩa quang. Tuy nhiên, RAM dễ bay hơi; nó chỉ lưu giữ dữ liệu khi máy tính đang bật. Nếu mất điện, dữ liệu cũng sẽ mất. Khi máy tính được khởi động lại, hệ điều hành và các tệp khác phải được tải lại vào RAM, thường là từ HDD hoặc SSD.

Cơ chế hoạt động của RAM

Thuật ngữ truy cập ngẫu nhiên, hoặc truy cập trực tiếp, khi áp dụng cho RAM dựa trên sự thật là bất kỳ vị trí lưu trữ nào cũng có thể được truy cập trực tiếp thông qua địa chỉ bộ nhớ của nó và việc truy cập có thể là ngẫu nhiên. RAM được tổ chức và kiểm soát theo cách cho phép dữ liệu được lưu trữ và truy xuất trực tiếp đến và từ các vị trí cụ thể. Các loại bộ nhớ khác -- chẳng hạn như HDD hoặc CD-ROM -- cũng có thể được truy cập trực tiếp và ngẫu nhiên, nhưng thuật ngữ truy cập ngẫu nhiên không được sử dụng để mô tả chúng.

Ban đầu, thuật ngữ bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên được sử dụng để phân biệt bộ nhớ lõi thông thường với bộ nhớ ngoại tuyến. Bộ nhớ ngoại tuyến thường đề cập đến băng từ, từ đó một phần dữ liệu cụ thể chỉ có thể được truy cập bằng cách định vị địa chỉ tuần tự, bắt đầu từ đầu băng. RAM tương tự về mặt khái niệm với một tập hợp các hộp được sắp xếp thành các cột và hàng, mỗi hộp chứa 0 hoặc 1 (nhị phân). Mỗi hộp có một địa chỉ duy nhất được xác định bằng cách đếm theo cột và hàng. Một tập hợp các hộp RAM được gọi là một mảng và mỗi hộp được gọi là một ô.

Để tìm một ô cụ thể, bộ điều khiển RAM gửi địa chỉ cột và hàng xuống một đường điện mỏng được khắc trên chip. Mỗi hàng và cột trong một mảng RAM có đường địa chỉ riêng. Bất kỳ dữ liệu nào được đọc từ mảng sẽ được trả về trên một đường dữ liệu riêng biệt.

RAM có kích thước vật lý nhỏ và được lưu trữ trong các vi mạch. Các vi mạch này được tập hợp thành các mô-đun bộ nhớ, được cắm vào các khe trên bo mạch chủ của máy tính. Một bus, hoặc một tập hợp các đường dẫn điện, được sử dụng để kết nối các khe cắm trên bo mạch chủ với bộ xử lý. RAM cũng nhỏ về lượng dữ liệu mà nó có thể lưu trữ. Một máy tính xách tay thông thường có thể đi kèm với 8 GB hoặc 16 GB RAM, trong khi ổ cứng có thể chứa 10 TB dữ liệu. Ổ cứng lưu trữ dữ liệu trên bề mặt từ hóa trông giống như một đĩa nhựa vinyl. Ngoài ra, SSD lưu trữ dữ liệu trong các chip nhớ, không giống như RAM, chúng không dễ bay hơi. Chúng không yêu cầu nguồn điện liên tục và sẽ không mất dữ liệu nếu tắt nguồn.

Nhu cầu RAM của bạn là bao nhiêu?

Hầu hết các PC cho phép người dùng thêm mô-đun RAM đến một giới hạn nhất định. Việc có nhiều RAM hơn trong máy tính giúp giảm số lần bộ xử lý phải đọc dữ liệu từ ổ cứng hoặc ổ đĩa thể rắn, một thao tác mất nhiều thời gian hơn so với việc đọc dữ liệu từ RAM. Thời gian truy cập RAM tính bằng nano giây, trong khi thời gian truy cập bộ nhớ tính bằng mili giây.

RAM chỉ có thể chứa một lượng dữ liệu hạn chế, ít hơn nhiều so với bộ lưu trữ thứ cấp như SSD hoặc HDD. Nếu RAM đầy và cần thêm dữ liệu, hệ thống phải giải phóng dung lượng trong RAM cho dữ liệu mới. Quá trình này có thể liên quan đến việc di chuyển dữ liệu tạm thời sang bộ nhớ thứ cấp, thường bằng cách hoán đổi hoặc phân trang các tệp. Các thao tác như vậy có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất, đó là lý do tại sao điều quan trọng là hệ thống phải có đủ RAM để hỗ trợ khối lượng công việc của nó.

Lượng RAM cần thiết phụ thuộc vào cách hệ thống đang được sử dụng. Ví dụ, khi chỉnh sửa video, bạn nên có ít nhất 16 GB RAM, mặc dù nhiều hơn là tốt hơn. Đối với chỉnh sửa hình ảnh trong Photoshop, Adobe khuyến nghị hệ thống có ít nhất 8 GB RAM để chạy Photoshop Creative Cloud trên máy Mac. Tuy nhiên, nếu người dùng đang làm việc với nhiều ứng dụng cùng lúc, ngay cả 8 GB RAM cũng có thể không đủ và hiệu suất sẽ bị ảnh hưởng.

Các loại RAM

RAM có hai dạng chính:

• DRAM (Dynamic Random Access Memory - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động). DRAM thường được sử dụng cho bộ nhớ chính của máy tính. Như đã lưu ý trước đó, nó cần nguồn điện liên tục để lưu giữ dữ liệu đã lưu trữ. DRAM rẻ hơn SRAM và cung cấp mật độ cao hơn, nhưng nó tạo ra nhiều nhiệt hơn, tiêu thụ nhiều năng lượng hơn và không nhanh bằng SRAM.

Each DRAM lưu trữ một điện tích dương hoặc âm được giữ trong một tụ điện. Dữ liệu này phải được làm mới liên tục bằng điện tích cứ sau vài mili giây để bù cho sự rò rỉ từ tụ điện. Một bóng bán dẫn đóng vai trò như một cổng, xác định xem giá trị của tụ điện có thể được đọc hoặc ghi hay không.

• SRAM (Static Random Access Memory - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh). Loại RAM này thường được sử dụng cho bộ nhớ đệm tốc độ cao của hệ thống, chẳng hạn như L1 hoặc L2. Giống như DRAM, SRAM cũng cần nguồn điện liên tục để giữ dữ liệu, nhưng nó không cần phải được làm mới liên tục như DRAM. SRAM đắt hơn DRAM và có mật độ thấp hơn, nhưng nó tạo ra ít nhiệt hơn, tiêu thụ ít năng lượng hơn và mang lại hiệu suất tốt hơn. 

IN SRAM, thay vì tụ điện giữ điện tích, bóng bán dẫn hoạt động như một công tắc, với một vị trí là 1 và vị trí kia là 0. RAM tĩnh yêu cầu một số bóng bán dẫn để lưu giữ một bit dữ liệu so với RAM động, chỉ cần một bóng bán dẫn cho mỗi bit. Đây là lý do tại sao chip SRAM lớn hơn và đắt hơn nhiều so với một lượng DRAM tương đương.

Do sự khác biệt giữa SRAM và DRAM, SRAM chủ yếu được sử dụng với số lượng nhỏ, đáng chú ý nhất là bộ nhớ đệm bên trong bộ xử lý của máy tính.

Lịch sử phát triển RAM: RAM vs. SDRAM

RAM ban đầu không đồng bộ vì các vi mạch RAM có tốc độ xung nhịp khác với bộ xử lý của máy tính. Đây là một vấn đề khi bộ xử lý trở nên mạnh hơn và RAM không thể theo kịp các yêu cầu dữ liệu của bộ xử lý.

Đầu những năm 1990, tốc độ xung nhịp đã được đồng bộ hóa với sự ra đời của SDRAM (Synchronous Dynamic RAM - RAM động đồng bộ). Bằng cách đồng bộ hóa bộ nhớ của máy tính với các đầu vào từ bộ xử lý, máy tính có thể thực hiện các tác vụ nhanh hơn.

Tuy nhiên, SDR SDRAM (Single Data Rate SDRAM - SDRAM tốc độ dữ liệu đơn) ban đầu đã nhanh chóng đạt đến giới hạn của nó. Vào khoảng năm 2000, DDR SRAM (Double Data Rate SDRAM - SDRAM tốc độ dữ liệu kép) đã được giới thiệu. DDR SRAM di chuyển dữ liệu hai lần trong một chu kỳ xung nhịp, ở đầu và cuối.

Kể từ khi được giới thiệu, DDR SDRAM đã tiếp tục phát triển. Thế hệ thứ hai được gọi là DDR2, tiếp theo là DDR3 và DDR4, và cuối cùng là DDR5, thế hệ mới nhất. Mỗi thế hệ đều mang lại tốc độ truyền dữ liệu được cải thiện và giảm mức sử dụng năng lượng. Tuy nhiên, các thế hệ không tương thích với các phiên bản trước đó vì dữ liệu đang được xử lý theo các lô lớn hơn.

GDDR SDRAM

GDDR (Graphics DDR) là một loại SDRAM khác được sử dụng trong card đồ họa và video. Giống như DDR SDRAM, công nghệ này cho phép dữ liệu được di chuyển tại các điểm khác nhau trong chu kỳ xung nhịp CPU. Tuy nhiên, GDDR chạy ở điện áp cao hơn và có thời gian chặt chẽ hơn DDR SDRAM.

Với các tác vụ song song, chẳng hạn như kết xuất video 2D và 3D, thời gian truy cập chặt chẽ không cần thiết và GDDR có thể cho phép tốc độ cao hơn và băng thông bộ nhớ cần thiết cho hiệu suất GPU (Graphics Processing Unit - Bộ xử lý đồ họa).

Tương tự như DDR, GDDR đã trải qua nhiều thế hệ phát triển, với mỗi phiên bản mang lại hiệu suất cao hơn và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn. GDDR7 là thế hệ bộ nhớ đồ họa mới nhất.

RAM vs. Bộ Nhớ Ảo

Máy tính có thể bị thiếu bộ nhớ chính, đặc biệt là khi chạy nhiều chương trình cùng lúc. Hệ điều hành có thể bù đắp cho sự thiếu hụt bộ nhớ vật lý bằng cách tạo bộ nhớ ảo.

Với bộ nhớ ảo, hệ thống tạm thời chuyển dữ liệu từ RAM sang bộ nhớ thứ cấp và tăng không gian địa chỉ ảo. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng bộ nhớ đang hoạt động trong RAM và bộ nhớ không hoạt động trong bộ nhớ thứ cấp để tạo thành một không gian địa chỉ liền kề có thể chứa một ứng dụng và dữ liệu của nó.

Với bộ nhớ ảo, hệ thống có thể tải các chương trình lớn hơn hoặc nhiều chương trình chạy cùng lúc, cho phép mỗi chương trình hoạt động như thể nó có bộ nhớ vô hạn mà không cần phải thêm RAM. Bộ nhớ ảo có thể xử lý số lượng địa chỉ gấp đôi RAM. Các hướng dẫn và dữ liệu của chương trình ban đầu được lưu trữ tại các địa chỉ ảo. Khi chương trình được thực thi, các địa chỉ đó được chuyển đổi thành địa chỉ bộ nhớ thực tế.

Một nhược điểm của bộ nhớ ảo là nó có thể khiến máy tính hoạt động chậm vì dữ liệu phải được ánh xạ giữa bộ nhớ ảo và bộ nhớ vật lý. Chỉ với bộ nhớ vật lý, các chương trình hoạt động trực tiếp từ RAM.

RAM vs. Bộ Nhớ Flash

Bộ nhớ flash và RAM đều được tạo thành từ các chip trạng thái rắn. Tuy nhiên, hai loại bộ nhớ này đóng các vai trò khác nhau trong hệ thống máy tính do sự khác biệt về cách chúng được tạo ra và hoạt động, cũng như chi phí của chúng.

Bộ nhớ flash được sử dụng để lưu trữ dữ liệu. RAM nhận dữ liệu từ SSD flash và cung cấp cho bộ xử lý (thông qua bộ nhớ đệm). Bằng cách này, bộ xử lý có dữ liệu cần thiết nhanh hơn nhiều so với khi nó truy xuất dữ liệu trực tiếp từ SSD.

Một điểm khác biệt đáng kể giữa RAM và bộ nhớ flash là dữ liệu phải được xóa khỏi bộ nhớ flash NAND theo từng khối. Điều này làm cho nó chậm hơn RAM, nơi dữ liệu có thể được xóa theo từng bit riêng lẻ. Tuy nhiên, bộ nhớ flash NAND rẻ hơn RAM và không dễ bay hơi, có nghĩa là nó có thể lưu giữ dữ liệu ngay cả khi tắt nguồn, không giống như RAM.

RAM vs. ROM

ROM (Read-Only Memory - Bộ nhớ chỉ đọc) là bộ nhớ máy tính chứa dữ liệu chỉ có thể đọc, không thể ghi (ngoại trừ lần ghi ban đầu). Chip ROM thường được sử dụng để lưu trữ mã khởi động chạy mỗi khi máy tính được bật. Dữ liệu thường không thể bị thay đổi hoặc lập trình lại.

Dữ liệu trong ROM không dễ bay hơi, vì vậy nó không bị mất khi tắt nguồn máy tính. Do đó, ROM có thể được sử dụng để lưu trữ dữ liệu vĩnh viễn. Mặt khác, RAM chỉ có thể lưu giữ dữ liệu tạm thời. Chip ROM của máy tính thường chỉ chứa vài megabyte dung lượng lưu trữ, trong khi RAM thường chứa vài gigabyte.

Xu hướng phát triển tương lai

RRAM (Resistive Random Access Memory - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện trở) hoặc ReRAM là bộ nhớ không bay hơi có thể thay đổi điện trở của vật liệu điện môi rắn mà nó được cấu tạo. Các thiết bị ReRAM chứa một memristor trong đó điện trở thay đổi khi các điện áp khác nhau được áp dụng.

ReRAM tạo ra các khoảng trống oxy, là các khuyết tật vật lý trong một lớp vật liệu oxit. Các khoảng trống này đại diện cho hai giá trị trong hệ nhị phân, tương tự như các electron và lỗ trống của chất bán dẫn.

ReRAM có tốc độ chuyển mạch cao hơn so với các công nghệ lưu trữ không bay hơi khác, chẳng hạn như flash NAND. Nó cũng hứa hẹn mật độ lưu trữ cao hơn và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn so với flash NAND. Điều này làm cho ReRAM trở thành một lựa chọn tốt cho bộ nhớ trong các cảm biến được sử dụng cho các ứng dụng công nghiệp, ô tô và internet vạn vật (IoT).

Các nhà cung cấp đã phải vật lộn trong nhiều năm để phát triển công nghệ ReRAM và đưa chip vào sản xuất. Tuy nhiên, họ đã đạt được tiến bộ chậm nhưng ổn định và một số nhà cung cấp hiện đang xuất xưởng các thiết bị ReRAM.

Có thời điểm, ngành công nghiệp bộ nhớ đã đặt rất nhiều hy vọng vào các công nghệ SCM (Storage-Class Memory - Bộ nhớ lớp lưu trữ) như 3D XPoint. 3D XPoint có kiến trúc giao điểm không bóng bán dẫn, trong đó các bộ chọn và ô nhớ nằm ở giao điểm của các dây vuông góc. 3D XPoint không nhanh bằng DRAM, nhưng nó nhanh hơn NAND và cung cấp bộ nhớ không bay hơi.

Tuy nhiên, kết quả đáng kể duy nhất của nỗ lực này là dòng sản phẩm Optane của Intel, bao gồm cả SSD và mô-đun bộ nhớ. Hy vọng rằng Optane cuối cùng có thể lấp đầy khoảng cách giữa RAM động và bộ nhớ flash NAND, đóng vai trò cầu nối giữa chúng.

Về hiệu suất và giá cả, Optane đã tự định vị ở đâu đó giữa DRAM nhanh nhưng tốn kém và flash NAND chậm hơn, ít tốn kém hơn. Thật không may, công nghệ này chưa bao giờ cất cánh và công ty đã ngừng nỗ lực phát triển Optane. Tương lai của Optane và các công nghệ SCM tương tự vẫn chưa chắc chắn.

Tăng cường hiệu suất với LPDDR5

Vào tháng 2 năm 2019, Hiệp hội Công nghệ Trạng thái rắn JEDEC đã công bố tiêu chuẩn JESD209-5, LPDDR5 (Low Power Double Data Rate 5 - Tốc độ dữ liệu kép năng lượng thấp 5). Bộ nhớ LPDDR5 hứa hẹn tốc độ dữ liệu lên tới 6400 MT/s (Mega Transfers per Second - Mega chuyển mỗi giây), cao hơn 50% so với phiên bản đầu tiên của LPDDR4, đạt tốc độ 3200 MT/s.

Vào tháng 7 năm 2019, Samsung Electronics đã bắt đầu sản xuất hàng loạt DRAM di động LPDDR5 12 Gb đầu tiên của ngành. Theo Samsung, DRAM đã được tối ưu hóa để kích hoạt các tính năng 5G và AI trong điện thoại thông minh tương lai. Kể từ đó, một số nhà cung cấp khác đã tung ra bộ nhớ LPDDR5, với dung lượng hiện đạt 64 GB.

LPDDR5 hứa hẹn sẽ tăng đáng kể tốc độ và hiệu quả bộ nhớ cho nhiều ứng dụng, bao gồm các thiết bị điện toán di động như điện thoại thông minh, máy tính bảng và máy tính xách tay siêu mỏng, cũng như máy tính xách tay cao cấp như MacBook Pro.

Chi phí của RAM

Giá DRAM đã giảm đáng kể vào đầu năm 2023, nhưng xu hướng đó đã đảo ngược vào cuối năm, với giá tiếp tục tăng. Đầu năm, đã có sự dư cung DRAM, một phần do nhu cầu thấp hơn. Đáp lại, các nhà sản xuất bắt đầu cắt giảm sản xuất, bắt đầu đẩy giá trở lại.

Trên thực tế, thị trường có thể chứng kiến sự tăng giá đáng kể vào năm 2024, tùy thuộc vào mức sản xuất và hàng tồn kho, cũng như nhu cầu sản phẩm. Theo công ty phân tích TrendForce, giá hợp đồng cho một mô-đun bộ nhớ DDR5 8 GB trung bình khoảng 17.50 USD vào cuối tháng 11 năm 2023, tăng 2.94% so với tháng trước. Cho dù giá tiếp tục tăng hay giảm trở lại, thị trường DRAM vẫn biến động như bao giờ hết.