单端式DRAM阵列提升超频效益

 
笔者曾经在DFI LAN PARTY超频主机板之上实现CMOS RELOADED，随后被指派去实现免进作业系统的自动超频(auto overclock)，也就是在BIOS之中安插超频程式码以及测试程式码，这样可让主机板不必连接硬碟机，也不必进入作业系统。这从无到有的开发经验让我发现超频的硬体费用难以产生超值的效能，但能够在不更换硬体平台的条件下达到近似新世代主机板的标准效能。

游戏软体需要场景变换的流畅度和动作指令的反应速度。在CPU售价太高时，超频玩家可以购买低价位的CPU来达到近似的效能。超频主机板需要可程式化电压调节器和可程式化时脉产生器，在硬体平台上提供可以超频的能力。

在个人电脑中存在无法超频的标准介面，例如I2C介面、SATA介面、USB介面，也有不能超频的标准装置，例如硬碟机、网路介面卡、USB装置；如果北桥晶片组和南桥晶片组没有考虑CPU在超频后所产生的资料缓冲空间，那么整体的效能也会被限制。所以，在个人电脑上，超频的主要目标装置就是CPU和主记忆体，但会直接连动北桥晶片组，超频的效能指标就是微处理器的时脉频率、等待DRAM阵列被启动(activate)的闲置时间，以及微处理器与主记忆体完成资料交换的时间。

积体电路的制程变异引发制造良率，但CPU和DRAM的超频能力也受其影响。如果DRAM的超频效能不是来自于电路设计上的技术能力，那么就需要在封装测试进行海量筛选，甚至要由超频玩家自行筛选。SDRAM的整体性能是由外部频率和速度箱(speed bin)来决定，提升外部频率也会增加速度箱的数值，这是目前使用差动式DRAM阵列的正常状况，也就是CPU与主记忆体之间的存取效率在超频后也不会大幅提升，换言之，仅是明显地提升SDRAM介面的时脉频率。

以DDR4 SDRAM 2400为例，产品参数的平均值是18，在超频之后，数值可能需要设定成21，所以，外部频率和速度箱的乘积值不会有多大的变化。若想在超频之后获得更大的效能差异，则唯有固定住速度箱的数值，这是单端式DRAM阵列可以达成的目标。

目前的存取技术是经由电荷共享来感应储存电容器的电压值，它有许多优异之处，但也限制感应时间难以缩短。反其道而行的即是单端式DRAM阵列，这种阵列形式不能使用长久以来的差动式感应放大器，并且需要在短时间内鉴别逻辑准位，这样的特性迫使储存电容器的电压值必须在很短的时间内被感应到；对应到速度箱，单端式DRAM阵列的数值会低于18，如果主记忆体控制器的最小设定值是18，那么在DDR4 SDRAM 2400中就可使其速度箱的数值不会随着外部频率的升高而增加。

SDRAM介面在讯号传输的过程中区分出启动、写入/读取、预充电，速度箱的数值直接影响这些命令的操作时间，并且也是计算页命中率(page hit rate)的参数。电荷共享的技术需要长时间控制介面讯号来完成各种命令，所以SDRAM介面的时脉频率不是计算资料吞吐量的唯一参数，加入页命中率的计算后形成一个概率分布值，这是单通道的极限性能。

支援双通道的SDRAM控制器会在介面上多出一倍的讯号接脚，这在个人电脑的主机板是使得PCB的绕线更加复杂，也需要克服讯号干扰；对于嵌入式系统就必须在面积、成本、性能之间努力取舍。如果可以减小速度箱的数值，那么单通道的资料吞吐量就能够与双通道相差不远，这就可以大量缩减面积和减少成本。

单独使用散热风扇进行超频会在使用者的身边带来吵杂的噪音，水冷式超频的降温效果有其限制，所以为了超频而设计的专用冰箱和液态氮散热片应运而生。低于负100摄氏度的超频设备提供更大的超频能力，这些制冷设备也会消耗能源，若没有长时间大量资料处理和高速运算的需求，极低温度的超频会浪费更多的能源。

动态超频(dynamic overclock)的软体技术不能在短时间内控制制冷设备进行降温和升温，所以低温超频不适合用于一般的使用环境，但是在稳定性达到要求时则有助于一些复杂的数学运算。

最初的超频是使用者对于低速的个人电脑进行自力救济，现在的超频则是使用者期望在同一世代的硬体平台上达到更加优越的运算效能。如果将SDRAM的外部频率类比成乙太网路的传输速度，将SDRAM的速度箱类比成硬碟机的世代演进，在超频前如同是10Mbps的乙太网路搭配PCIE固态硬碟机(SSD)，在超频后如同是1Gbps的乙太网路搭配IDE硬碟机(HD)；尽管网路的传输速度上升了，但是每一笔资料在传输之前所要等待的时间也变得更长了；这样的类比方式是要突显目前的主记忆体在超频之后不会大量提升整体性能。

目前超频所带来的最大效能是CPU的执行速度变得更快，但CPU与主记忆体之间的资料交换时间不会有多大的缩短，所以，在单纯处理大量资料的应用软体中，为了提高资料处理的速度就必须减小速度箱的数值，而非SDRAM的外部频率。电荷共享的技术使得速度箱的数值无法减小，只好随着SDRAM的世代演进而往上增加。