Đề tài Các nguyên tắc tắc sáng tạo được sử dụng trong quá trình phát triển của bộ nhớ ram

TRNG ĐI HC CÔNG NGH THÔNG TIN  Đề tài: CÁC NGUYÊN TẮC TẮC SÁNG TẠO ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA BỘ NHỚ RAM GVHD: GS. TSKH HOÀNG KIM SVTH : Nguyn Xuân Nghĩa MSSS : CH1101108 LP : Cao hc khóa 6 TP.HCM 04/2012 Phương pháp luận khoa học sáng tạo Trang 1 Mục lục Mục lục .................................................................................................................................................. 1 Lời nói đầu ............................................................................................................................................. 3 Lịch sử phát triển của ram .................................................................................................................... 4 1. Quá trình phát triển ...................................................................................................................... 4 2. Các loại modul của RAM ............................................................................................................. 6 a. SIMM (Single In-line Memory Module) ................................................................................... 6 b. DIMM (Dual In-line Memory Module) .................................................................................... 7 c. SO-DIMM: (Small Outline Dual In-line Memory Module): ...................................................... 8 Các nguyên tắc sáng tạo được áp dụng trong quá trình phát triển của bộ nhớ RAM ........................ 9 1. Nguyên tắc phân nhỏ ................................................................................................................... 9 2. Nguyên tắc phản đối xứng............................................................................................................ 9 3. Nguyên tắc kết hợp ...................................................................................................................... 9 4. Nguyên tắc vạn năng .................................................................................................................... 9 5. Nguyên tắc “chứa trong” ............................................................................................................ 10 6. Nguyên tắc phản trọng lượng ..................................................................................................... 10 7. Nguyên tắc thực hiện sơ bộ ........................................................................................................ 10 8. Nguyên tắc dự phòng. ................................................................................................................ 10 9. Nguyên tắc đẳng thế................................................................................................................... 11 10. Nguyên tắc đảo ngược ............................................................................................................ 11 11. Nguyên tắc giải “thiếu” hoặc “thừa” ....................................................................................... 11 12. Nguyên tắc chuyển sang chiều khác ....................................................................................... 12 13. Sử dụng các dao động cơ học ................................................................................................. 12 14. Nguyên tắc tác động theo chu kỳ ............................................................................................ 12 15. Nguyên tắc quan hệ phản hồi .................................................................................................. 13 16. Nguyên tắc sử dụng trung gian ............................................................................................... 13 Phương pháp luận khoa học sáng tạo Trang 2 17. Nguyên tắc “rẻ” thay cho “đắt” .............................................................................................. 13 18. Thay thế sơ đồ cơ học: ........................................................................................................... 13 19. Sử dụng vỏ dẻo và màng mỏng ............................................................................................... 14 20. Sử dụng các vật liệu nhiều lỗ .................................................................................................. 14 21. Nguyên tắc thay đổi màu sắc .................................................................................................. 14 22. Nguyên tắc đồng nhất ............................................................................................................. 15 Phương pháp luận khoa học sáng tạo Trang 3 Lời nói đầu Ngày nay, máy tính đóng một vai trò rất quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của con người. Máy tính càng ngày càng đi vào cuộc sống, công việc, giải trí, học hành… Nếu một ngày không được sử dụng máy tính, chắc hẳn các bạn sẽ cảm thấy được sự thiếu vắng, cảm giác bị gò bó. Đối với một số người đó là một cơn ác mộng khi công việc, gặp bạn bè, học hành… đều nằm trên máy tính. Máy tính được cấu thành từ nhiều bộ phận khác nhau, mỗi bộ phận có nhiệm vụ riêng. Trong các bộ phận đó, ram là một trong những bộ phận quan trọng. Nó góp phần tăng cường sức mạnh của hệ thống, giúp máy tính làm việc trơn tru khi phải xử lý khối lượng công việc lớn, đặc biệt trong hệ hệ điều hành đa nhiệm hiện nay. Trong bài viết này, tôi chỉ xin đề cập đến những dòng ram thông dụng trên thị trường. trong quá trình tìm hiểu không tránh khỏi những thiếu xót, mong thầy cô và các bạn góp ý thêm để bài luận ngày càng hoàn thiện. Phương pháp luận khoa học sáng tạo Trang 4 Lịch sử phát triển của ram 1. Quá trình phát triển: Ban đầu người ta thiết kế bộ nhớ cho máy tính bằng nhiều cách khác nhau - Những máy tính thế hệ đầu sử dụng các relay làm chức năng nhớ. Những Relay này chỉ có thể hoạt động theo cách nó đã được thiết kế. Sau đó Gustav Tauschek phát minh bộ nhớ trống (Drum memory) trong năm 1932 ở Áo và được sử dụng rộng rãi vào những năm 1950 và vào năm 1960. Dữ liệu và các chương trình được nạp vào hoặc ra khỏi trống bằng cách sử dụng băng giấy hoặc thẻ đục lỗ. Drum memory được dùng làm bộ nhớ chính và kéo dài cho đến khi bộ nhớ bán dẫn ra đời - Một số Drum memory có thể được mở rộng với chi phí thấp nhưng việc truy cập vào các vị trí khác nhau của bộ nhớ phụ thuộc vào cách bố trí của trống cũng nhưng tốc độ. Latches xây dựng hệ thống ống triodes, sau đó sử dụng transistor. Chúng ngày càng nhỏ hơn và nhanh hơn, hình thành các thanh ghi. Thanh ghi có kích thước tương đối lớn, tốn nhiều năng lượng và đắt khi sử dụng nhiều, thông thường, bộ nhớ như vậy chỉ có vài trăm đến vài ngàn bit. - Loại bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên được Williams giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1947. Nó lưu trữ dữ liệu bằng cách thay đổi điện tích các điểm trên bề mặt của ống tia âm cực. Kể từ khi chùm tia electron của màn hình CRT có thể đọc và ghi theo thứ tự bất kỳ, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên ra đời. Dung lượng của ống Williams từ vài trăm đến khoảng một ngàn bit. Nó nhỏ hơn nhiều, nhanh hơn, và sử dụng năng lượng hiệu quả hơn cách sử dụng ống Latches. - Bộ nhớ lõi từ được phát minh vào năm 1947 và phát triển cho đến giữa năm 1970, nó trở thành một hình thức phổ biến của bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên. Nó dựa trên một loạt các vòng đồng tâm có từ tính. Dữ liệu được lưu trữ bằng cách thay đổi từ tính, mỗi bit tương ứng một vòng. Mỗi vòng có một địa chỉ để dễ dàng truy cập, vì vây có thể truy cập vào vị trí bất kỳ của bộ nhớ. - Trước năm 1970, bộ nhớ lõi từ là chuẩn của bộ nhớ hệ thống cho đến khi xuất hiện bộ nhớ ở thể rắn trong các mạch tích hợp. Năm 1968 Robert H. Dennard phát minh ra bộ nhớ động truy cập ngẫu nhiên (Dynamic random access memory).Công nghệ này cho phép thay thế 4 hoặc 6 transistor bằng transistor đối với mỗi bit của bộ nhớ, giúp tăng mật độ và dung lượng bộ nhớ. Dữ liệu được lưu trong tụ điện nhỏ của cặp tụ điện - transistor, và phải được đồng bộ một vài mili giây một lần. Phương pháp luận khoa học sáng tạo Trang 5 - Tùy theo công nghệ chế tạo, người ta phân biệt thành 2 loại:SRAM (Static RAM - RAM tĩnh) và DRAM (Dynamic RAM - RAM động)  RAM tĩnh: RAM tĩnh được chế tạo theo công nghệ ECL (dùng trong CMOS và BiCMOS). Mỗi bit nhớ gồm có các cổng logic với 6 transistor MOS. SRAM là bộ nhớ nhanh, việc đọc không làm hủy nội dung của ô nhớ và thời gian truy cập bằng chu kỳ của bộ nhớ. SRAM bị mất dữ liệu khi ngưng cung cấp điện. Tuy nhiên mức độ tiêu thụ điện của SRAM trong lúc nhàn rỗi rất thấp, không đáng kể. Tốc độ của SRAM nhanh, tuy nhiên giá thành tương đối mắc. SRAM thường được sử dụng làm bộ nhớ đệm của CPU (cache), làm bộ nhớ đệm của ổ cứng, ổ cd… 6 transistor trong một ô nhớ của RAM tĩnh  RAM động : RAM động dùng kỹ thuật MOS. Mỗi bit nhớ gồm một transistor và một tụ điện. Việc ghi nhớ dữ liệu dựa vào việc duy trì điện tích nạp vào tụ điện và như vậy việc đọc một bit nhớ làm nội dung bit này bị hủy. Do vậy sau mỗi lần đọc một ô nhớ, bộ phận điều khiển bộ nhớ phải viết lại nội dung ô nhớ đó. Chu kỳ bộ nhớ cũng theo đó mà ít nhất là gấp đôi thời gian thâm nhập ô nhớ. Việc lưu giữ thông tin trong bit nhớ chỉ là tạm thời vì tụ điện sẽ phóng hết điện tích đã nạp và như vậy phải làm tươi bộ nhớ sau khoảng thời gian 2μs. Việc làm tươi được thực hiện với tất cả các ô nhớ trong bộ nhớ. Công việc này được thực hiện tự động bởi một vi mạch bộ nhớ. Bộ nhớ DRAM chậm nhưng rẻ tiền hơn SRAM. Phương pháp luận khoa học sáng tạo Trang 6 1 transistor và 1 tụ điện trong một ô nhớ của RAM động 2. Các loại modul của RAM Trước đây, các loại RAM được các hãng sản xuất thiết kế cắm các chip nhớ trên bo mạch chủ thông qua các đế cắm (có dạng DIP theo hình minh hoạ), điều này thường không thuận tiện cho sự nâng cấp hệ thống. Cùng với sự phát triển chung của công nghệ máy tính, các RAM được thiết kế thành các modul như SIMM, DIMM (theo hình minh hoạ) để thuận tiện cho thiết kế và nâng cấp hệ thống máy tính. 1 Megabit chip – sử dụng chân cắm DIP, được phát triển năm 1989 a. SIMM (Single In-line Memory Module)  Được sử dụng làm bộ nhớ máy tính từ đầu những năm 1980 đến cuối những năm 1990. SIMM thường được gắn thành cặp và được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn JEDEC JESD-21C.  Hầu hết các máy tính đầu sử dụng socketed DIP. Sự ra đời của IBM 286 đã đặt ra yêu cầu một lượng bộ nhớ lớn hơn, tiết kiệm không gian và dễ dàng mở rộng bộ nhớ. Thay vì cắm vào tám hoặc chín chip DRAM dạng DIP, chỉ cần bổ sung một module bộ nhớ. Vài máy 286 sử dụng bộ nhớ SIPP 30 chân, nhưng chúng thường xuyên bị uốn cong hoặc gãy trong quá trình lắp đặt. Đó là lý do SIMM nhanh chóng được dùng để thay thế DIP. Phương pháp luận khoa học sáng tạo Trang 7 Edo ram và FPM ram b. DIMM (Dual In-line Memory Module) Bao gồm nhiều chip SDRAM được gắn trên một mạch in và được thiết kế để sử dụng trong máy tính cá nhân, máy trạm và máy chủ. DIMMs bắt đầu thay thế SIMM từ khi bộ vi xử lý Pentium bắt đầu được sử dụng rộng rãi. Sự khác biệt chính giữa SIMM và DIMM là DIMM có thể sử dụng dưới dạng đơn trong khi SIMM phải sử dụng dạng cặp. Một khác biệt nữa là SIMM có băng thông 32-bit trong khi DIMM có băng thông 64-bit. Các dòng Pentium của Intel hoặc của các nhà sản xuất khác như AMD có băng thông 64-bit đòi hỏi SIMM cài đặt thành cặp để truy cập vào hai SIMM cùng một lúc. DIMM ra đời đã giải quyết được vấn đề này. DRAM: được thiết kế thành các thanh để dễ dàng nâng cấp, bổ sung vào hệ thống. SDRAM (Viết tắt từ Synchronous Dynamic RAM) được gọi là DRAM đồng bộ. SDRAM bao gồm các loại ram sau:  SDR SDRAM (Single Data Rate SDRAM), thường được giới chuyên môn gọi tắt là "SDR". Có 168 chân. Được dùng trong các máy vi tính cũ, bus speed chạy cùng vận tốc với clock speed của memory chip, nay đã lỗi thời.  DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM), thường được giới chuyên môn gọi tắt là "DDR". Có 184 chân. DDR SDRAM là cải tiến Phương pháp luận khoa học sáng tạo Trang 8 của bộ nhớ SDR với tốc độ truyền tải gấp đôi SDR nhờ vào việc truyền tải hai lần trong một chu kỳ bộ nhớ. Đã được thay thế bởi DDR2.  DDR2 SDRAM (Double Data Rate 2 SDRAM), Thường được giới chuyên môn gọi tắt là "DDR2". Là thế hệ thứ hai của DDR với 240 chân, lợi thế lớn nhất của nó so với DDR là có bus speed cao gấp đôi clock speed.  DDR III SDRAM (Double Data Rate III Synchronous Dynamic RAM): có tốc độ bus 800/1066/1333/1600 Mhz, số bit dữ liệu là 64, điện thế là 1.5v, tổng số pin là 240. c. SO-DIMM: (Small Outline Dual In-line Memory Module): SO-DIMM có kích thước xấp xỉ một nửa kích thước của DIMM, thường được sử dụng trong các hệ thống bị hạn chế về không gian như máy tính xách tay , máy tính siêu nhỏ, máy in cao cấp… Các loại SO-DIMM được nhận dạng dựa vào khe cắt của ram:  100-pin SO-DIMMs có hai khe,  144-pin SO-DIMM có một khe gần trung tâm  200-pin SO-DIMM có một khe gần một bên hơn.  204-pin SO-DIMM (DDR3) có một khe gần trung tâm hơn so với pin- 200 SO-DIMM. Các loại ram không được hoán đổi cho nhau. Các vị trí khe được thiết kế để ngăn chặn việc gắn nhầm vì điện thế hoạt động của chúng khác nhau, đồng thời dễ dàng xác định loại ram một cách nhanh chóng. Đặc điểm chung của SO-DIMM là chiều dài 6,76 cm và chiều rộng 3,175 cm với chiều sâu tối đa là 0,38 cm. Phương pháp luận khoa học sáng tạo Trang 9 Các nguyên tắc sáng tạo được áp dụng trong quá trình phát triển của bộ nhớ RAM 1. Nguyên tắc phân nhỏ  Nội dung: - Chia đối tượng thành các phần độc lập. - Làm đối tượng trở nên tháo lắp được. - Tăng mức độ phân nhỏ của đối tượng  Áp dng nguyên tắc: Ram được chia thành các modun, mỗi modun được cấu tạo các chip nhớ. Vì được thiết kế dưới dạng modun nên ram có thể dễ dàng tháo lắp và nâng cấp. 2. Nguyên tắc phản đối xứng  Nội dung: Chuyển đối tượng có hình dạng đối xứng thành không đối xứng (nói chung làm giảm bậc đối xứng)  Áp dụng nguyên tắc: thanh ram được thiết kế có các khe cắm không đối xứng nhau để không bị gắn ngược, đồng thời các loại ram khác nhau thì có các khe cắm chống ngược ở các vị trí khác nhau để không bị nhầm lẫn 3. Nguyên tắc kết hợp  Nội dung - Kết hợp các đối tượng đồng nhất hoặc các đối tượng dùng cho các hoạt động kế cận. - Kết hợp về mặt thời gian các hoạt động đồng nhất hoặc kế cận.  Áp dụng nguyên tắc: Bản thân thanh ram không hoàn toàn là các ô nhớ, nó còn chứa các chip điều khiển để thông báo lưu lượng, độ trễ của ram, thời gian truy xuất…. 4. Nguyên tắc vạn năng  Nội dung: Đối tượng thực hiện một số chức năng khác nhau, do đó không cần sự tham gia của đối tượng khác.  Áp dụng nguyên tắc: Ngoài việc sử dụng làm bộ nhớ chính của máy, ram còn được dùng làm ổ đĩa (ram disk) khi hệ thống dư ram hoặc sử dụng một phần ram để lưu trữ đồ họa (share memory) Phương pháp luận khoa học sáng tạo Trang 10 5. Nguyên tắc “chứa trong”  Nội dung: - Một đối tượng được đặt bên trong đối tượng khác và bản thân nó lại chứa đối tượng thứ ba ... - Một đối tượng chuyển động xuyên suốt bên trong đối tượng khác.  Áp dụng nguyên tắc: Thanh ram bao gồm nhiều ô nhớ kết hợp lại trên một mạch điện, các ô nhớ lại được cấu tạo từ nhiều các phần tử nhớ nhỏ hơn. Khi cần truy xuất dữ liệu tại vị trí nào, ta chỉ cần đưa địa chỉ và máy sẽ dẫn đến đúng vị trí cần. 6. Nguyên tắc phản trọng lượng  Nội dung: - Bù trừ trọng lượng của đối tượng bằng cách gắn nó với các đối tượng khác, có lực nâng. - Bù trừ trọng lượng của đối tượng bằng tương tác với môi trường như sử dụng các lực thủy động, khí động...  Áp dụng nguyên tắc: Ram được thiết kế chạy kênh đôi, kênh ba để tăng tốc độ truy cập. Hiện nay các thiết bị phần cứng khác có tốc độ phát triển nhanh chóng, chúng ngày càng hoạt động nhanh, sử dụng tần số lớn. Trong khi ram đang gặp phải giới hạn. Chính vì vậy nên bộ nhớ kênh đôi, kênh 3 giúp cho hệ thống giảm độ chênh lệch về tốc độ giữa ram và các thiết bị phần cứng khác. 7. Nguyên tắc thực hiện sơ bộ  Nội dung: - Thực hiện trước sự thay đổi cần có, hoàn toàn hoặc từng phần, đối với đối tượng. - Cần sắp xếp đối tượng trước, sao cho chúng có thể hoạt động từ vị trí thuận lợi nhất, không mất thời gian dịch chuyển.  Áp dụng nguyên tắc: Ram được thết kế với các hàm, khe chống cắm ngược để không bị cắm sai, sử dụng không đúng loại ram. Đồng thời cũng giúp nhận diện nhanh chóng các loại ram khác nhau trên thị trường. 8. Nguyên tắc dự phòng.  Nội dung: Bù đắp độ tin cậy không lớn của đối tượng bằng cách chuẩn bị trước các phương tiện báo động, ứng cứu, an toàn.  Áp dụng nguyên tắc: Phương pháp luận khoa học sáng tạo Trang 11 Ram có hệ thống kiểm tra lỗi ECC (Error Correction Code). Ðây là một kỹ thuật để kiểm tra và sửa lổi trong trường hợp 1 bit nào đó của memory bị sai giá trị trong khi lưu chuyển data. Những loại RAM có ECC thường dùng cho các loại computer quan trọng như server. 9. Nguyên tắc đẳng thế  Nội dung: Thay đổi điều kiện làm việc để không phải nâng lên hay hạ xuống các đối tượng.  Áp dụng nguyên tắc: Các dòng ram sau này càng ngày dung lượng càng lớn, tốc độ nhanh. Để làm được điều này, các nhà thiết kế đã giảm điện áp làm việc của ram xuống để giảm nhiễu và tiết kiệm năng lượng, đồng thời nâng tần số làm việc của ram lên. 10. Nguyên tắc đảo ngược  Nội dung: - Thay vì hành động như yêu cầu bài toán, hãy hành động ngược lại (ví dụ: không làm nóng mà làm lạnh đối tượng). - Làm phần chuyển động của đối tượng (hay môi trường bên ngoài) thành đứng yên và ngược lại, phần đứng yên thành chuyển động. - Lật ngược đối tượng  Áp dụng nguyên tắc: Trước đây chip ram có thể tháo lắp được, thể hiện thông qua kết nối DIP, điều này gây bất tin khi tháo lắp bộ nhớ vì dễ gây cong, gãy chân. Chính vì vậy các nhà thiết kế đã cải tiến và hiện nay các chip ram được gắn cố định lên một modun. Modun này có thể dễ dàng tháo lắp, nó giúp quá trình nâng cấp bộ nhớ đơn giản hơn. 11. Nguyên tắc giải “thiếu” hoặc “thừa”  Nội dung: Nếu như khó nhận được 100% hiệu quả cần thiết, nên nhận ít hơn hoặc nhiều hơn “một chút”. Lúc đó bài toán có thể trở nên đơn giản hơn và dễ giải hơn.  Áp dụng nguyên tắc: Đối với nhng chương trình đòi hỏi nhiều bộ nhớ ram hơn số lượng ram thực tế trên máy. Vậy để chạy được những chương trình đó, chúng ta phải đi nâng cấp, mở rộng dung lượng ram trước ( gồn nhiều bước: chọn đúng loại, chọn dung lượng, tốn tiền, tốn thời gian….). Có một cách đơn giản hơn nhiều đó là chúng ta sử dụng bộ nhớ ảo (vitual memory), nó giúp hệ thống sử dụng thêm dung Phương pháp luận khoa học sáng tạo Trang 12 lượng ổ đĩa cứng làm nơi lưu trữ tương tự như ram. Tuy nhiên tốc độ không thể so sánh với ram thực được vì tốc độ truy cập của ổ cứng chậm hơn ram khá nhiều. 12. Nguyên tắc chuyển sang chiều khác  Nội dung: - Những khó khăn do chuyển động (hay sắp xếp) đối tượng theo đường (một chiều) sẽ được khắc phục nếu cho đối tượng khả năng di chuyển trên mặt phẳng (hai chiều). Tương tự, những bài toán liên quan đến chuyển động (hay sắp xếp) các đối tượng trên mặt phẳng sẽ được đơn giản hoá khi chuyển sang không gian (ba chiều). - Chuyển các đối tượng có kết cấu một tầng thành nhiều tầng. - Đặt đối tượng nằm nghiêng. - Sử dụng mặt sau của diện tích cho trước. - Sử dụng các luồng ánh sáng tới diện tích bên cạnh hoặc tới mặt sau của diện tích cho trước.  Áp dụng nguyên tắc: Ban đầu bộ nhớ được lưu trữ trên các relay, các ống tia âm cực. chúng vừa chậm, vừa cồng kềnh, lưu trữ ít mà lại tốn nhiều năng lượng. Với sự ra đời của mạch tích hợp đã giải quyết được vấn đề trên. Bộ nhớ ngày nay hoạt động nhanh, ít tốn điện, dung lượng lớn, kích thước nhỏ. 13. Sử dụng các dao động cơ học  Nội dung: - Làm đối tượng dao động. Nế