Ảnh minh họa
Các thành phần PC hiện nay hoạt động dưới những giới hạn kỹ thuật cụ thể nào đó, rõ nhất là đối với những thành phần chuyển trạng thái điện như GPU, bộ nhớ Flash và RAM. Ngành công nghiệp máy tính gần đạt đến ngưỡng tối đa và đang cần đột phá đối với ngưỡng này. Một trong những nghiên cứu nhằm đạt được điều đó là chồng các module bộ nhớ, là kỹ thuật được sử dụng chủ yếu trong ổ lưu trữ SSD.
Samsung là nhà sản xuất SSD đầu tiên sử dụng kỹ thuật này, và bây giờ họ có ổ SSD dung lượng đến 2TB. Cách đây 3 năm, loại bộ nhớ này chưa từng được biết đến và mật độ lưu trữ trong chip SSD chỉ là 32GB/chip. Đến nay, mật độ đã tăng lên rất nhiều, tạo thành một loại RAM 3D mới và tăng tốc độ truyền lên cao hơn, hình thành một loại bộ nhớ mới mang tên High Bandwidth Memory (HBM). Bạn đã nghe qua thuật ngữ HBM mà AMD từng tiếp thị trong dòng card đồ hoạ R9 Fury X mới nhất của họ (http://www.pcworld.com.vn/T1239342). Đây là sản phẩm dùng HBM đầu tiên trong ngành. AMD đã dùng RAM HBM, chồng 4 lớp bộ nhớ lên nhau, trên cùng một diện tích, thay vì như trước đây chỉ rải những chip nhớ nhiều nơi khác nhau trên bản mạch. Do vậy, Fury hiệu quả về điện năng hơn so với RAM GDDR5 thông thường, đồng thời tốc độ truyền dữ liệu cũng nhanh hơn. HBM hiện được hai công ty hợp tác dùng là AMD và nhà sản xuất bộ nhớ Hàn Quốc SKY Hynix, và dự kiến năm tới sẽ tung ra bộ nhớ HBM thế hệ thứ 2. Những thiết bị này được cho là sẽ tăng được tốc độ bộ nhớ lên rất nhiều, không chỉ cho card đồ hoạ mà còn nhiều thiết bị khác nữa.
Phá vỡ giới hạn tốc độ
Chip RAM hiện chiếm nhiều diện tích trên card đồ họa, và chúng ngốn đến 1/3 điện năng của card. Do đó, để sản xuất card đồ hoạ mạnh hơn, xử lý hình ảnh đẹp hơn, hỗ trợ độ phân giải 4K và kính thực tế ảo VR thì cần bộ nhớ mạnh hơn, nhiều hơn. AMD dùng GDDR5-RAM với dung lượng 8GB cho dòng card đồ hoạ cao cấp của họ. Lúc đó, họ rải 16 chip bộ nhớ xung quanh GPU, mỗi chip như vậy có 32 đường kết nối với GPU. Nên xét chung, mọi đường kết nối cho 19 chip nhớ tạo thành một giao tiếp 512-bit (tối đa). Các nhà sản xuất không thể bỏ thêm nhiều chip RAM hơn được nữa vì thiết kế mạch in chưa cho phép, và còn tác động đến diện tích mạch in và sơ đồ mạch, điện năng tiêu tốn. Cách duy nhất để cải tiến là thu nhỏ kích thước cell RAM lại để mỗi chip nhớ có thể chứa nhiều dữ liệu hơn.
HBM đã tái khởi động cuộc chạy đua về GPU. Đối với những sản phẩm ban đầu, mạch chỉ có giao tiếp 1.024-bit, rộng hơn gấp đôi so với RAM GDDR5 thông thường. Hai sáng kiến quan trọng giúp hiện thực hoá điều này là: Through-Silicon Vertical Interconnect Access (TSV) và mạch điều hướng (interposer). TSV là những dòng dữ liệu nhỏ, được đặt chèn giữa các lớp của một chip chồng. Mỗi lớp gồm nhiều nhóm để các cell RAM riêng lẻ nhóm chung với nhau. Có những lỗ nhỏ đường kính khoảng 10 micromet nằm trên bản mạch silicon. Sau khi được phủ lớp oxide bảo vệ thì những lỗ này được đổ đồng vào. Ý tưởng này đã có từ lâu và đã từng được dùng trong các mẫu chip 3D, nhưng công nghệ này đến nay mới lần đầu được dùng trong sản phẩm đại trà. Trong một chồng bộ nhớ HBM, 1.024 TSV chạy theo chiều dọc, xuyên suốt giữa 4 lớp chip. Chúng được gom thàng 8 kênh, mỗi kênh có độ rộng 128 bit. Cuối cùng, TSV hình thành một dạng micro-bump, là hệ thống kết nối giữa chồng bộ nhớ với một bộ điều khiển logic điện năng thấp. TSV chuyển dữ liệu thẳng đến GPU, hoặc đến những bộ phận khác của card đồ hoạ tuỳ theo loại dữ liệu để tạo ra dữ liệu xuất (nhưng ra màn hình thông qua ngõ HDMI hoặc ra bo mạch chủ qua giao tiếp PCI Express).
Truyền dữ liệu trên 5.000 dòng
Các khối HBM sẽ không hoàn thành việc gửi dữ liệu đến GPU được nếu dùng các luồng dữ liệu thông thường, vì mỗi chồng HBM có 1.024 kết nối, đều cần tiếp cận được GPU. Vì 4 chồng HBM nằm xung quanh GPU nên truyền dữ liệu thô đến GPU cần hơn 4.000 kết nối như vậy. Các dòng dữ liệu định địa chỉ và lệnh quản lý cũng nằm trong băng thông này, có nghĩa là cuối cùng, toàn bộ dữ liệu truyền đi sẽ có tổng cộng khoảng 5.000 kết nối. Một thành phần mới, quản lý việc truyền mọi dữ liệu này là interposer, nằm giữa các khối HBM và GPU, thiết lập một kết nối khác giữa hai thành phần này. Về nguyên tắc, đó là một chip không có khả năng tính toán, nhưng công việc của nó đơn giản là phân luồng, hướng dẫn. Hàng ngàn kết nối TSV được thiết lập thông qua interposer và mỗi một kết nối như vậy là một micro-bump.
 |
Kiến trúc HBM cần có một interposer, yêu cầu GPU và bộ nhớ phải đặt ngay sát bên nhau để chúng có thể dùng được những mạch ngắn giao tiếp với nhau. Cùng lúc đó, TSV cũng giải nhiệt hiệu quả. Mở rộng giao tiếp đến 1.024 kết nối cho mỗi lớp HBM đã giúp giảm được xung nhịp và có được băng thông dữ liệu đến 512GB mỗi giây. Kết hợp nhiều mặt mạnh này, card đồ hoạ HBM giảm được lượng điện năng tiêu tốn và tản nhiệt tốt. Nhưng ngược lại, bất lợi của thiết kế này là HBM thế hệ đầu chỉ có thể có được tối đa 4GB RAM. Đến nay, mức dung lượng RAM này đủ để xử lý nội dung 4K và game mới. Nhưng khi ngày càng có nhiều nội dung 4K hơn và nhu cầu cao hơn thì chắc chắn những tính năng đồ hoạ mới sẽ xuất hiện và lúc ấy 4GB bộ nhớ đồ hoạ là không đủ.
|
Bộ nhớ HBM (High Bandwidth Memory)
HBM chồng 4 lớp RAM trên một diện tích nhỏ, trên bản mạch của card đồ hoạ như card Fury X của AMD, và chồng này được kết nối với GPU. Thiết kế như vậy giảm được điện năng tiêu tốn cho RAM, đồng thời tăng được tốc độ xử lý của card lên rất nhiều.
HBM trên card đồ hoạ
Trong HBM, bit chứa trong cell RAM sẽ được chuyển lên một lớp logic thông qua các kết nối TSV. Lớp logic này dùng một interposer để đưa dữ liệu đến GPU hoặc xuất ra thiết bị ngoại vi.
|
|