Dram là gì? Cấu tạo và đánh giá ưu nhược điểm của bộ nhớ dram

Theo dõi Thuevpsgiare.vn trên Google News
  • Home
  • Blog
  • Dram là gì? Cấu tạo và đánh giá ưu nhược điểm của bộ nhớ dram
Th1 24, 2025

Rate this post

Trong thế giới công nghệ, bộ nhớ là một thành phần không thể thiếu của bất kỳ hệ thống máy tính nào. Trong số các loại bộ nhớ, DRAM (Dynamic Random-Access Memory – Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động) đóng vai trò là bộ nhớ chính của máy tính, nơi lưu trữ dữ liệu và chương trình đang được sử dụng bởi CPU. Vậy DRAM là gì? Nó hoạt động như thế nào? Bài viết này sẽ cung cấp cho bạn cái nhìn toàn diện về DRAM, từ cấu tạo đến ưu nhược điểm và các loại DRAM phổ biến.

DRAM là gì?

DRAM (Dynamic Random-Access Memory) là một loại bộ nhớ bán dẫn, cho phép truy cập ngẫu nhiên đến bất kỳ vị trí nào trong bộ nhớ với thời gian truy cập tương đương. “Dynamic” trong tên gọi ám chỉ việc DRAM cần được làm tươi (refresh) định kỳ để duy trì dữ liệu, do dữ liệu được lưu trữ dưới dạng điện tích trong các tụ điện, và điện tích này sẽ bị rò rỉ theo thời gian.

DRAM là gì?

DRAM là gì?

Cấu tạo của DRAM

Cấu tạo của DRAM (Dynamic Random-Access Memory – Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động) là yếu tố then chốt quyết định cách thức hoạt động và những đặc điểm của loại bộ nhớ này. Khác với SRAM sử dụng flip-flop, DRAM dựa trên nguyên lý lưu trữ điện tích trong các tụ điện, mang đến mật độ lưu trữ cao hơn nhưng cũng đòi hỏi cơ chế làm tươi phức tạp hơn.

Cấu tạo của DRAM

Cấu tạo của DRAM

Ô nhớ DRAM (Memory Cell):

Đơn vị lưu trữ dữ liệu cơ bản nhất trong DRAM là ô nhớ, mỗi ô nhớ chứa một bit thông tin (0 hoặc 1). Cấu trúc của một ô nhớ DRAM cực kỳ đơn giản, chỉ bao gồm một transistor (thường là MOSFET – Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) và một tụ điện. Đây chính là điểm khác biệt lớn nhất so với SRAM, vốn cần đến 4-6 transistor cho mỗi ô nhớ.

  • Tụ điện (Capacitor): Đóng vai trò lưu trữ bit dữ liệu. Sự hiện diện của điện tích trong tụ điện biểu diễn giá trị 1, trong khi tụ điện không có điện tích biểu diễn giá trị 0. Do bản chất của tụ điện là giữ điện tích không vĩnh viễn, điện tích sẽ dần rò rỉ theo thời gian, đây là lý do DRAM cần phải được làm tươi.
  • Transistor (Transistor): Đóng vai trò như một công tắc, điều khiển việc truy cập vào tụ điện. Khi transistor được kích hoạt (bằng cách đặt một điện áp vào cực cổng – gate), nó cho phép dòng điện chạy qua, nạp điện vào tụ điện (ghi dữ liệu) hoặc cho phép mạch đọc phát hiện điện tích trong tụ điện (đọc dữ liệu).
    Ma trận ô nhớ (Memory Array):
  • Các ô nhớ DRAM không hoạt động độc lập mà được sắp xếp thành một ma trận lớn, bao gồm nhiều hàng và cột. Cách sắp xếp này cho phép truy cập đến từng ô nhớ một cách hiệu quả bằng cách kết hợp địa chỉ hàng và địa chỉ cột.
  • Đường Word Line (WL – Word Line): Mỗi hàng của ma trận được kết nối với một đường Word Line. Khi một đường Word Line được kích hoạt (đặt ở mức điện áp cao), tất cả các transistor trong hàng đó sẽ mở, kết nối các tụ điện tương ứng với các đường Bit Line.
    Đường Bit Line (BL – Bit Line): Mỗi cột của ma trận được kết nối với một đường Bit Line. Đường Bit Line được sử dụng để truyền dữ liệu vào hoặc ra khỏi các tụ điện. Mỗi cột thường có hai đường Bit Line, một đường BL và một đường BLB (Bit Line bù/đảo), để tăng tốc độ đọc và giảm nhiễu.

Mạch cảm biến (Sense Amplifier):

Do điện tích được lưu trữ trong tụ điện rất nhỏ, sự khác biệt điện áp trên đường Bit Line khi đọc dữ liệu cũng rất nhỏ. Mạch cảm biến được sử dụng để khuếch đại sự khác biệt điện áp này, biến nó thành một tín hiệu rõ ràng có thể được xử lý bởi các mạch điện tử khác. Mạch cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác của quá trình đọc dữ liệu.

Quá trình làm tươi (Refresh):

  • Như đã đề cập, điện tích trong tụ điện của DRAM sẽ bị rò rỉ theo thời gian. Để ngăn chặn mất dữ liệu, DRAM cần được làm tươi định kỳ. Quá trình làm tươi bao gồm việc đọc dữ liệu từ mỗi ô nhớ và ghi lại giá trị đó. Quá trình này được thực hiện theo từng hàng, tức là lần lượt kích hoạt từng đường Word Line để đọc và ghi lại dữ liệu trên tất cả các ô nhớ thuộc hàng đó.
  • Cách thức hoạt động của DRAM (Dynamic Random-Access Memory – Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động) phức tạp hơn so với SRAM do cơ chế lưu trữ dữ liệu dựa trên tụ điện và yêu cầu làm tươi liên tục. Tuy nhiên, việc hiểu rõ cách DRAM hoạt động sẽ giúp chúng ta nắm bắt được lý do tại sao nó lại được sử dụng rộng rãi làm bộ nhớ chính trong các hệ thống máy tính.

1. Lưu trữ dữ liệu trong tụ điện:

  • Như đã đề cập, mỗi ô nhớ DRAM chứa một tụ điện và một transistor. Tụ điện là thành phần chính lưu trữ dữ liệu. Sự hiện diện của điện tích trong tụ điện biểu diễn giá trị logic “1”, trong khi trạng thái không có điện tích hoặc điện tích thấp biểu diễn giá trị logic “0”.
  • Điểm mấu chốt ở đây là tụ điện không thể giữ điện tích vĩnh viễn. Điện tích sẽ dần rò rỉ theo thời gian, tương tự như việc nước rò rỉ khỏi một chiếc xô bị thủng. Tốc độ rò rỉ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chất lượng của tụ điện, nhiệt độ và điện áp. Chính vì sự rò rỉ này mà DRAM cần phải được làm tươi liên tục.

2. Transistor như một công tắc:

Transistor trong ô nhớ DRAM đóng vai trò như một công tắc điều khiển việc truy cập vào tụ điện. Khi transistor được kích hoạt (bằng cách đặt một điện áp vào cực cổng – gate), nó sẽ cho phép dòng điện chạy qua, kết nối tụ điện với đường Bit Line (BL). Ngược lại, khi transistor bị khóa, tụ điện sẽ được cách ly khỏi đường Bit Line.

3. Tổ chức bộ nhớ DRAM thành ma trận:

  • Các ô nhớ DRAM được sắp xếp thành một ma trận hai chiều, bao gồm nhiều hàng và cột. Cách sắp xếp này cho phép truy cập đến từng ô nhớ một cách riêng biệt bằng cách sử dụng địa chỉ hàng và địa chỉ cột.
  • Đường Word Line (WL – Word Line): Mỗi hàng của ma trận được kết nối với một đường Word Line. Đường WL hoạt động như một “công tắc chung” cho tất cả các transistor trong hàng đó. Khi một đường WL được kích hoạt (đặt ở mức điện áp cao), tất cả các transistor trong hàng đó sẽ mở, kết nối các tụ điện tương ứng với các đường Bit Line.
  • Đường Bit Line (BL – Bit Line): Mỗi cột của ma trận được kết nối với một đường Bit Line. Đường BL được sử dụng để truyền dữ liệu vào hoặc ra khỏi các tụ điện. Để tăng tốc độ và độ tin cậy, mỗi cột thường có hai đường Bit Line: BL và BLB (Bit Line bù/đảo).

4. Quá trình ghi dữ liệu:

Để ghi một bit dữ liệu vào một ô nhớ DRAM cụ thể, các bước sau được thực hiện:

  • Chọn hàng: Bộ điều khiển bộ nhớ sẽ gửi địa chỉ hàng đến bộ giải mã hàng (row decoder). Bộ giải mã hàng sẽ kích hoạt đường Word Line (WL) tương ứng với địa chỉ đó. Điều này sẽ mở tất cả các transistor trong hàng đó.
  • Đặt dữ liệu lên đường Bit Line: Bộ điều khiển bộ nhớ sẽ đặt giá trị dữ liệu (0 hoặc 1) lên đường Bit Line (BL). Nếu muốn ghi giá trị 1, BL sẽ được đặt ở mức điện áp cao. Nếu muốn ghi giá trị 0, BL sẽ được đặt ở mức điện áp thấp.
  • Lưu trữ dữ liệu trong tụ điện: Do transistor đã được mở bởi đường WL, điện tích từ BL sẽ được nạp vào tụ điện. Giá trị dữ liệu bây giờ đã được lưu trữ trong tụ điện.

5. Quá trình đọc dữ liệu:

Quá trình đọc dữ liệu từ một ô nhớ DRAM cũng bao gồm các bước:

  1. Chọn hàng: Tương tự như quá trình ghi, bộ điều khiển bộ nhớ sẽ kích hoạt đường Word Line (WL) tương ứng với địa chỉ hàng.
  2. Phát hiện sự thay đổi điện áp trên Bit Line: Khi transistor được mở, điện tích trong tụ điện (nếu có) sẽ được chia sẻ với đường Bit Line (BL). Do điện dung của BL lớn hơn nhiều so với tụ điện, sự thay đổi điện áp trên BL là rất nhỏ.
  3. Khuếch đại tín hiệu bằng mạch cảm biến (Sense Amplifier): Mạch cảm biến được sử dụng để phát hiện và khuếch đại sự thay đổi điện áp nhỏ này thành một tín hiệu logic rõ ràng (0 hoặc 1). Mạch cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác của quá trình đọc.
  4. Đọc dữ liệu: Tín hiệu đã được khuếch đại từ mạch cảm biến sẽ được gửi đến bộ điều khiển bộ nhớ.

6. Quá trình làm tươi (Refresh):

Đây là đặc điểm quan trọng nhất và cũng là điểm khác biệt chính giữa DRAM và SRAM. Do điện tích trong tụ điện bị rò rỉ, dữ liệu sẽ bị mất nếu không được làm tươi. Quá trình làm tươi bao gồm việc đọc dữ liệu từ mỗi ô nhớ và ghi lại giá trị đó.

  • Cách thức làm tươi: Quá trình làm tươi được thực hiện theo từng hàng. Bộ điều khiển bộ nhớ sẽ lần lượt kích hoạt từng đường Word Line, đọc dữ liệu từ tất cả các ô nhớ trong hàng đó, và sau đó ghi lại giá trị đó vào chính các ô nhớ đó. Quá trình này được lặp lại cho tất cả các hàng trong ma trận ô nhớ.
  • Tần suất làm tươi: Tần suất làm tươi được quy định bởi nhà sản xuất và thường được đo bằng mili giây (ms). Ví dụ, một chip DRAM có thể cần được làm tươi mỗi 64ms.
  • Ảnh hưởng đến hiệu suất: Quá trình làm tươi chiếm một phần thời gian truy cập bộ nhớ, làm giảm hiệu suất tổng thể. Tuy nhiên, việc làm tươi là bắt buộc để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu.

7. Các loại làm tươi:

Có một số phương pháp làm tươi khác nhau, bao gồm:

  • Auto-refresh: Bộ điều khiển bộ nhớ tự động thực hiện quá trình làm tươi theo định kỳ.
  • Self-refresh: DRAM tự thực hiện quá trình làm tươi mà không cần sự can thiệp của bộ điều khiển bộ nhớ. Chế độ này thường được sử dụng khi hệ thống ở chế độ tiết kiệm năng lượng.

Cách thức hoạt động của DRAM

Cách thức hoạt động của DRAM (Dynamic Random-Access Memory – Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động) phức tạp hơn so với SRAM do cơ chế lưu trữ dữ liệu dựa trên tụ điện và yêu cầu làm tươi liên tục. Tuy nhiên, việc hiểu rõ cách DRAM hoạt động sẽ giúp chúng ta nắm bắt được lý do tại sao nó lại được sử dụng rộng rãi làm bộ nhớ chính trong các hệ thống máy tính.

Hoạt động của DRAM

Hoạt động của DRAM

1. Lưu trữ dữ liệu trong tụ điện:

Như đã đề cập, mỗi ô nhớ DRAM chứa một tụ điện và một transistor. Tụ điện là thành phần chính lưu trữ dữ liệu. Sự hiện diện của điện tích trong tụ điện biểu diễn giá trị logic “1”, trong khi trạng thái không có điện tích hoặc điện tích thấp biểu diễn giá trị logic “0”.

Điểm mấu chốt ở đây là tụ điện không thể giữ điện tích vĩnh viễn. Điện tích sẽ dần rò rỉ theo thời gian, tương tự như việc nước rò rỉ khỏi một chiếc xô bị thủng. Tốc độ rò rỉ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chất lượng của tụ điện, nhiệt độ và điện áp. Chính vì sự rò rỉ này mà DRAM cần phải được làm tươi liên tục.

2. Transistor như một công tắc:

Transistor trong ô nhớ DRAM đóng vai trò như một công tắc điều khiển việc truy cập vào tụ điện. Khi transistor được kích hoạt (bằng cách đặt một điện áp vào cực cổng – gate), nó sẽ cho phép dòng điện chạy qua, kết nối tụ điện với đường Bit Line (BL). Ngược lại, khi transistor bị khóa, tụ điện sẽ được cách ly khỏi đường Bit Line.

3. Tổ chức bộ nhớ DRAM thành ma trận:

Các ô nhớ DRAM được sắp xếp thành một ma trận hai chiều, bao gồm nhiều hàng và cột. Cách sắp xếp này cho phép truy cập đến từng ô nhớ một cách riêng biệt bằng cách sử dụng địa chỉ hàng và địa chỉ cột.

  • Đường Word Line (WL – Word Line): Mỗi hàng của ma trận được kết nối với một đường Word Line. Đường WL hoạt động như một “công tắc chung” cho tất cả các transistor trong hàng đó. Khi một đường WL được kích hoạt (đặt ở mức điện áp cao), tất cả các transistor trong hàng đó sẽ mở, kết nối các tụ điện tương ứng với các đường Bit Line.
  • Đường Bit Line (BL – Bit Line): Mỗi cột của ma trận được kết nối với một đường Bit Line. Đường BL được sử dụng để truyền dữ liệu vào hoặc ra khỏi các tụ điện. Để tăng tốc độ và độ tin cậy, mỗi cột thường có hai đường Bit Line: BL và BLB (Bit Line bù/đảo).

4. Quá trình ghi dữ liệu:

Để ghi một bit dữ liệu vào một ô nhớ DRAM cụ thể, các bước sau được thực hiện:

  • Chọn hàng: Bộ điều khiển bộ nhớ sẽ gửi địa chỉ hàng đến bộ giải mã hàng (row decoder). Bộ giải mã hàng sẽ kích hoạt đường Word Line (WL) tương ứng với địa chỉ đó. Điều này sẽ mở tất cả các transistor trong hàng đó.
  • Đặt dữ liệu lên đường Bit Line: Bộ điều khiển bộ nhớ sẽ đặt giá trị dữ liệu (0 hoặc 1) lên đường Bit Line (BL). Nếu muốn ghi giá trị 1, BL sẽ được đặt ở mức điện áp cao. Nếu muốn ghi giá trị 0, BL sẽ được đặt ở mức điện áp thấp.
    Lưu trữ dữ liệu trong tụ điện: Do transistor đã được mở bởi đường WL, điện tích từ BL sẽ được nạp vào tụ điện. Giá trị dữ liệu bây giờ đã được lưu trữ trong tụ điện.

5. Quá trình đọc dữ liệu:

Quá trình đọc dữ liệu từ một ô nhớ DRAM cũng bao gồm các bước:

  • Chọn hàng: Tương tự như quá trình ghi, bộ điều khiển bộ nhớ sẽ kích hoạt đường Word Line (WL) tương ứng với địa chỉ hàng.
    Phát hiện sự thay đổi điện áp trên Bit Line: Khi transistor được mở, điện tích trong tụ điện (nếu có) sẽ được chia sẻ với đường Bit Line (BL). Do điện dung của BL lớn hơn nhiều so với tụ điện, sự thay đổi điện áp trên BL là rất nhỏ.
  • Khuếch đại tín hiệu bằng mạch cảm biến (Sense Amplifier): Mạch cảm biến được sử dụng để phát hiện và khuếch đại sự thay đổi điện áp nhỏ này thành một tín hiệu logic rõ ràng (0 hoặc 1). Mạch cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác của quá trình đọc.
  • Đọc dữ liệu: Tín hiệu đã được khuếch đại từ mạch cảm biến sẽ được gửi đến bộ điều khiển bộ nhớ.

6. Quá trình làm tươi (Refresh):

Đây là đặc điểm quan trọng nhất và cũng là điểm khác biệt chính giữa DRAM và SRAM. Do điện tích trong tụ điện bị rò rỉ, dữ liệu sẽ bị mất nếu không được làm tươi. Quá trình làm tươi bao gồm việc đọc dữ liệu từ mỗi ô nhớ và ghi lại giá trị đó.

  • Cách thức làm tươi: Quá trình làm tươi được thực hiện theo từng hàng. Bộ điều khiển bộ nhớ sẽ lần lượt kích hoạt từng đường Word Line, đọc dữ liệu từ tất cả các ô nhớ trong hàng đó, và sau đó ghi lại giá trị đó vào chính các ô nhớ đó. Quá trình này được lặp lại cho tất cả các hàng trong ma trận ô nhớ.
  • Tần suất làm tươi: Tần suất làm tươi được quy định bởi nhà sản xuất và thường được đo bằng mili giây (ms). Ví dụ, một chip DRAM có thể cần được làm tươi mỗi 64ms.
  • Ảnh hưởng đến hiệu suất: Quá trình làm tươi chiếm một phần thời gian truy cập bộ nhớ, làm giảm hiệu suất tổng thể. Tuy nhiên, việc làm tươi là bắt buộc để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu.

7. Các loại làm tươi:

Có một số phương pháp làm tươi khác nhau, bao gồm:

  • Auto-refresh: Bộ điều khiển bộ nhớ tự động thực hiện quá trình làm tươi theo định kỳ.
  • Self-refresh: DRAM tự thực hiện quá trình làm tươi mà không cần sự can thiệp của bộ điều khiển bộ nhớ. Chế độ này thường được sử dụng khi hệ thống ở chế độ tiết kiệm năng lượng.

Ưu và nhược điểm của DRAM

Ưu và nhược điểm của DRAM

Ưu và nhược điểm của DRAM

Ưu điểm của DRAM:

  • Mật độ lưu trữ cao: Đây là một trong những ưu điểm lớn nhất của DRAM. So với SRAM (Static Random-Access Memory), DRAM có thể lưu trữ nhiều dữ liệu hơn trên cùng một diện tích chip. Điều này là do cấu trúc ô nhớ của DRAM đơn giản hơn, chỉ bao gồm một transistor và một tụ điện, trong khi SRAM cần 4-6 transistor cho mỗi ô nhớ. Mật độ lưu trữ cao giúp giảm chi phí sản xuất trên mỗi bit dữ liệu và cho phép tạo ra các module bộ nhớ dung lượng lớn.
  • Giá thành rẻ hơn SRAM: Do cấu trúc đơn giản và quy trình sản xuất ít phức tạp hơn, DRAM có giá thành sản xuất thấp hơn đáng kể so với SRAM. Đây là lý do chính khiến DRAM được sử dụng rộng rãi làm bộ nhớ chính của hệ thống, nơi yêu cầu về dung lượng lớn và chi phí thấp được ưu tiên hơn tốc độ.
  • Tốc độ truy cập tương đối nhanh: Mặc dù chậm hơn SRAM, DRAM vẫn cung cấp tốc độ truy cập dữ liệu đủ nhanh cho hầu hết các ứng dụng thông thường. Tốc độ truy cập của DRAM đã được cải thiện đáng kể qua các thế hệ như DDR, DDR2, DDR3, DDR4 và DDR5. Các thế hệ DDR mới hơn cho phép truyền dữ liệu với tốc độ ngày càng cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về băng thông của các ứng dụng hiện đại.
  • Khả năng mở rộng dung lượng: Việc nâng cấp dung lượng RAM (DRAM) trong máy tính tương đối dễ dàng. Người dùng có thể mua thêm các module RAM và cắm vào các khe cắm RAM trên bo mạch chủ. Điều này cho phép người dùng tùy chỉnh dung lượng bộ nhớ theo nhu cầu sử dụng.

Nhược điểm của DRAM:

  • Cần làm tươi (Refresh): Đây là nhược điểm lớn nhất của DRAM. Do dữ liệu được lưu trữ dưới dạng điện tích trong tụ điện, điện tích này sẽ bị rò rỉ theo thời gian. Để duy trì dữ liệu, DRAM cần phải được làm tươi định kỳ bằng cách đọc và ghi lại giá trị của mỗi ô nhớ. Quá trình làm tươi này tiêu thụ năng lượng và chiếm một phần thời gian truy cập bộ nhớ, làm giảm hiệu suất tổng thể.
  • Tốc độ chậm hơn SRAM: Do cần quá trình làm tươi và cấu trúc mạch khác biệt, DRAM có tốc độ truy cập chậm hơn đáng kể so với SRAM. Đây là lý do SRAM được sử dụng cho bộ nhớ cache của CPU, nơi tốc độ là yếu tố quan trọng nhất.
  • Dữ liệu dễ bay hơi (Volatile): Giống như hầu hết các loại RAM khác, DRAM là bộ nhớ dễ bay hơi. Điều này có nghĩa là dữ liệu được lưu trữ trong DRAM sẽ bị mất khi nguồn điện bị ngắt. Do đó, DRAM chỉ được sử dụng để lưu trữ dữ liệu tạm thời trong quá trình hoạt động của máy tính. Dữ liệu cần được lưu trữ vĩnh viễn sẽ được ghi vào các thiết bị lưu trữ không bay hơi như ổ cứng (HDD/SSD).
  • Tiêu thụ năng lượng (so với các công nghệ bộ nhớ mới): Mặc dù tiêu thụ năng lượng của DRAM đã được cải thiện qua các thế hệ, nhưng so với các công nghệ bộ nhớ mới như MRAM (Magnetoresistive RAM) hay ReRAM (Resistive RAM), DRAM vẫn tiêu thụ năng lượng tương đối cao, đặc biệt là trong quá trình làm tươi.

Tổng kết

Tóm lại, DRAM (Dynamic Random-Access Memory) đóng vai trò then chốt trong hệ thống máy tính, là bộ nhớ chính lưu trữ dữ liệu và chương trình đang hoạt động. Với ưu điểm mật độ lưu trữ cao và giá thành hợp lý, DRAM đáp ứng nhu cầu bộ nhớ lớn của các ứng dụng hiện đại. Tuy nhiên, nhược điểm cần làm tươi liên tục và tốc độ truy cập chậm hơn so với SRAM cũng cần được cân nhắc. Sự phát triển không ngừng của công nghệ DRAM, với các thế hệ DDR ngày càng tiên tiến, tiếp tục tối ưu hiệu suất và dung lượng, khẳng định vị thế quan trọng của nó trong kiến trúc máy tính. Hiểu rõ về DRAM giúp người dùng lựa chọn và sử dụng hiệu quả hệ thống máy tính của mình.

Để lại một bình luận