單端式DRAM陣列提升超頻效益
2020-08-14
作者
湯朝景，憶闊科技
目前超頻所帶來的最大效能是CPU的執行速度變得更快，但CPU與主記憶體之間的資料交換時間不會有多大的縮短，所以，在單純處理大量資料的應用軟體中，為了提高資料處理的速度就必須減小速度箱的數值，而非SDRAM的外部頻率…
筆者曾經在DFI LAN PARTY超頻主機板之上實現CMOS RELOADED，隨後被指派去實現免進作業系統的自動超頻(auto overclock)，也就是在BIOS之中安插超頻程式碼以及測試程式碼，這樣可讓主機板不必連接硬碟機，也不必進入作業系統。這從無到有的開發經驗讓我發現超頻的硬體費用難以產生超值的效能，但能夠在不更換硬體平台的條件下達到近似新世代主機板的標準效能。
超頻
遊戲軟體需要場景變換的流暢度和動作指令的反應速度。在CPU售價太高時，超頻玩家可以購買低價位的CPU來達到近似的效能。超頻主機板需要可程式化電壓調節器和可程式化時脈產生器，在硬體平台上提供可以超頻的能力。
在個人電腦中存在無法超頻的標準介面，例如I2C介面、SATA介面、USB介面，也有不能超頻的標準裝置，例如硬碟機、網路介面卡、USB裝置；如果北橋晶片組和南橋晶片組沒有考慮CPU在超頻後所產生的資料緩衝空間，那麼整體的效能也會被限制。所以，在個人電腦上，超頻的主要目標裝置就是CPU和主記憶體，但會直接連動北橋晶片組，超頻的效能指標就是微處理器的時脈頻率、等待DRAM陣列被啟動(activate)的閒置時間，以及微處理器與主記憶體完成資料交換的時間。
單端式DRAM陣列
積體電路的製程變異引發製造良率，但CPU和DRAM的超頻能力也受其影響。如果DRAM的超頻效能不是來自於電路設計上的技術能力，那麼就需要在封裝測試進行海量篩選，甚至要由超頻玩家自行篩選。SDRAM的整體性能是由外部頻率和速度箱(speed bin)來決定，提升外部頻率也會增加速度箱的數值，這是目前使用差動式DRAM陣列的正常狀況，也就是CPU與主記憶體之間的存取效率在超頻後也不會大幅提升，換言之，僅是明顯地提升SDRAM介面的時脈頻率。
以DDR4 SDRAM 2400為例，產品參數的平均值是18，在超頻之後，數值可能需要設定成21，所以，外部頻率和速度箱的乘積值不會有多大的變化。若想在超頻之後獲得更大的效能差異，則唯有固定住速度箱的數值，這是單端式DRAM陣列可以達成的目標。
目前的存取技術是經由電荷共享來感應儲存電容器的電壓值，它有許多優異之處，但也限制感應時間難以縮短。反其道而行的即是單端式DRAM陣列，這種陣列形式不能使用長久以來的差動式感應放大器，並且需要在短時間內鑑別邏輯準位，這樣的特性迫使儲存電容器的電壓值必須在很短的時間內被感應到；對應到速度箱，單端式DRAM陣列的數值會低於18，如果主記憶體控制器的最小設定值是18，那麼在DDR4 SDRAM 2400中就可使其速度箱的數值不會隨著外部頻率的升高而增加。
單通道與雙通道
SDRAM介面在訊號傳輸的過程中區分出啟動、寫入/讀取、預充電，速度箱的數值直接影響這些命令的操作時間，並且也是計算頁命中率(page hit rate)的參數。電荷共享的技術需要長時間控制介面訊號來完成各種命令，所以SDRAM介面的時脈頻率不是計算資料吞吐量的唯一參數，加入頁命中率的計算後形成一個概率分佈值，這是單通道的極限性能。
支援雙通道的SDRAM控制器會在介面上多出一倍的訊號接腳，這在個人電腦的主機板是使得PCB的繞線更加複雜，也需要克服訊號干擾；對於嵌入式系統就必須在面積、成本、性能之間努力取捨。如果可以減小速度箱的數值，那麼單通道的資料吞吐量就能夠與雙通道相差不遠，這就可以大量縮減面積和減少成本。
低溫超頻
單獨使用散熱風扇進行超頻會在使用者的身邊帶來吵雜的噪音，水冷式超頻的降溫效果有其限制，所以為了超頻而設計的專用冰箱和液態氮散熱片應運而生。低於負100攝氏度的超頻設備提供更大的超頻能力，這些製冷設備也會消耗能源，若沒有長時間大量資料處理和高速運算的需求，極低溫度的超頻會浪費更多的能源。
動態超頻(dynamic overclock)的軟體技術不能在短時間內控制製冷設備進行降溫和升溫，所以低溫超頻不適合用於一般的使用環境，但是在穩定性達到要求時則有助於一些複雜的數學運算。
結論
最初的超頻是使用者對於低速的個人電腦進行自力救濟，現在的超頻則是使用者期望在同一世代的硬體平台上達到更加優越的運算效能。如果將SDRAM的外部頻率類比成乙太網路的傳輸速度，將SDRAM的速度箱類比成硬碟機的世代演進，在超頻前如同是10Mbps的乙太網路搭配PCIE固態硬碟機(SSD)，在超頻後如同是1Gbps的乙太網路搭配IDE硬碟機(HD)；儘管網路的傳輸速度上升了，但是每一筆資料在傳輸之前所要等待的時間也變得更長了；這樣的類比方式是要突顯目前的主記憶體在超頻之後不會大量提升整體性能。
目前超頻所帶來的最大效能是CPU的執行速度變得更快，但CPU與主記憶體之間的資料交換時間不會有多大的縮短，所以，在單純處理大量資料的應用軟體中，為了提高資料處理的速度就必須減小速度箱的數值，而非SDRAM的外部頻率。電荷共享的技術使得速度箱的數值無法減小，只好隨著SDRAM的世代演進而往上增加。
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年8月號
