những điều cần biết về SDD

Kiến thức máy tính
In bài này Gửi bài viết này cho bạn bè
Những điều cần biết về SSD (phần 1)
Thiết bị lưu trữ SSD đã sẵn sàng xâm chiếm một lãnh địa vốn
chỉ dành cho các phương tiện lưu trữ truyền thống. Như một
kết cục tất yếu, SSD đang xuất hiện với số lượng ngày càng
lớn, chinh phục ngày càng nhiều kết quả kiểm định, tạo dựng
các công ty mới hoặc làm phá sản các công ty cũ, cũng như
rơi tự do về giá cả.
Cuộc cách mạng trên thị trường còn non trẻ này khiến ít ai còn nghi ngờ khả năng đạt
đến mức độ cạnh tranh xuất sắc của SSD.
Lịch sử công nghệ flash
Flash có sự khởi đầu khá khiêm tốn tại một phòng thí nghiệm của Tiến sĩ Dr. Fujio
Masuoka trong lúc Toshiba đang nghiên cứu tìm cách giải quyết nhu cầu về bộ nhớ tĩnh
giá rẻ có thể dễ dàng lập trình lại. Trong quá trình kiểm định đầu tiên đối với công nghệ
này, Shoji Ariizumi - một đồng nghiệp của Masuoka nhận xét: việc xóa dữ liệu bằng một
dòng điện (flash) bất ngờ cũng tương tự như một cú nháy flash của camera. Và trong
cuộc Hội thảo thiết bị điện tử IEEE tổ chức năm 1984 bộ nhớ đã được giới thiệu sử dụng
mạch “ NOR “, và Ariizumi đã giữ nguyên tên như thế nên được biết đến với cái tên
‘NOR”.
Tại hội thảo IEEE năm đó, Intel cũng có mặt và nhanh chóng nhận ra tiềm năng to lớn
của công nghệ flash kiểu NOR. Đầu tiên, công ty có trụ sở tại Santa Clara này định
thương mại hóa công nghệ lưu trữ bằng loại IEC 256Kb có giá $20 USD, tức $640 USD
mỗi megabyte. Bất chấp cái giá cắt cổ, sự xuất hiện của bộ nhớ NOR đã đạt thành công
ngoài sức tưởng tượng và mở đường cho hàng loạt công ty mới ra đời. Rõ ràng là nghiên
cứu của Toshiba đã khơi mào cho một phát minh vĩ đại hơn nhiều so với dự định ban
đầu.
Tại Hội thảo Solid-State Circuits quốc tế năm 1989, Toshiba cùng với tiến sĩ Fujio
Masuoka lại một lần nữa gây phấn khích cho người xem bằng việc giới thiệu bộ nhớ
flash dạng NAND. So với NOR, NAND vượt trội cả về tuổi thọ, tốc độ I/O, với giá cả
thấp hơn và kích thước nhỏ hơn. Và trong khi NOR được sản xuất đại trà trong các thiết

bị CompactFlash I của SanDisk năm 1994, thì chỉ một năm sau đó NAND đã tiếp bước
trong loạt sản phẩm SmartMedia của Toshiba.
Mặc dù NAND vẫn là chủ đạo trong thế giới bộ nhớ flash, nhưng nhiều công ty vẫn tiếp
tục nghiên cứu phát triển cả hai dạng flash này ( NOR và NAND ) . Các nhà sản xuất hy
vọng rằng sản phẩm của họ sẽ đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao về dung lượng của
người dùng trong khi vẫn đảm bảo tăng tốc độ, giảm giá thành và cải thiện tính tin cậy
của các thiết bị flash.
Bộ nhớ flash hoạt động ra sao
Cách hoạt động độc đáo của bộ nhớ flash không sử dụng đến bất kỳ thành phần hóa học
nào, mà đưa dữ liệu đến thẳng Electron ( điện tử ) . Để tận dụng được các Electron này,
SSD bắt đầu từ ô bộ nhớ ( Cell ) flash.
Mỗi ô nhớ ( Cell ) có 9 bộ phận chính: Word Line , Bit Line , cổng điều khiển ( Control
Gate ) , Floating Gate , lớp oxit, ống dẫn ( Drain ) , nguồn ( Source ) , nối đất
( Ground ) và chất nền. Các ô siêu nhỏ này có vai trò như những viên gạch xây nên tòa
nhà flash. Có tới hàng triệu ô siêu nhỏ như vậy nằm trên một lưới điện.
Cấu trúc ô flash NAND. Các đường thẳng màu đen biểu thị đường dẫn không dây hoặc
có dây.
Tất cả các bộ nhớ SSD đều được thiết kế để ghi lại trạng thái, hoặc độ lớn của dòng điện
thể hiện bằng một chữ số nhị phân. Mỗi khi dòng điện bị ngắt, các công nghệ khác như
RAM không thể lưu lại được lượng thông tin đã lập trình bởi chúng không có cách nào
giữ lại các electron thể hiện thông tin đó. Ngược lại, NAND vẫn bảo toàn được trạng thái
này bằng cách nhốt các electron lại bằng một quy trình mang tên Fowler-Nordheim
Tunneling.
Quy trình này bắt đầu bằng cách đưa dòng điện dương,khoảng 12 V vào Word Line và
Bit Line . Điện tích dương trên Bit Line sẽ hút một dòng Electron từ nguồn ( Source )
qua ống dẫn ( Drain ) và tạo thành một dòng điện tới đất ( Ground ) . Trên Word Line ,
dòng điện cũng đủ mạnh để lấy được ( hút được ) một số Electron mà đang chạy tới
Drain mà dưới tác dụng của Bit Line . Mặc dù lớp oxit cũng là một chất cách điện khá
mạnh nhưng các Electron này vẫn có khả năng xuyên thủng và mắc kẹt trong Floating
Gate . Đây chính là cách bộ nhớ flash nhốt được Electron và giữ được các Electron nào

có chứa thông tin vừa lập trình.
Chính điện trường (màu xanh) nằm dọc đường dẫn đã đẩy các Electrong xuyên qua lớp
oxit và mắc kẹt lại trong Floating Gate.
Việc đọc thông tin sau của ô nhớ flash này được giao phó cho một cảm biến chuyên làm
nhiệm vụ so sánh điện năng của các Electron bị nhốt với dòng điện tĩnh. Nếu dòng điện
trong cổng có độ lớn vượt quá 50% dòng điện hiện thời thì ô sẽ “đóng lại” và hiển thị
một con số 0. Còn nếu dòng điện có thể đi qua cổng nổi mà không bị cản trở bởi các
Electron mắc kẹt, cổng đó sẽ “mở” và hiển thị số 1. .
Các khối trong bộ nhớ flash chứa đến hàng nghìn ô NAND. Mỗi khối sử dụng Word
Line và Bit Line chung.
Khai thác ô nhớ flash để lưu trữ dữ liệu
Sự khác nhau trong thiết kế NOR ( bên trái ) và NAND ( bên phải )
NAND khác hẳn các công nghệ lưu trữ khác như NOR hay DRAM bởi nó không thể
vừa đọc vừa ghi một byte cùng một lúc. NOR cho phép truy cập vào từng Cell , trong khi
NAND truy cập mỗi Cell lại thông qua những Cell liền kề . Chính vì thế để đến được với
đại đa số người dùng, NAND cần có một hướng đi khác. Để khắc phục hạn chế này, các
ô trong bộ nhớ NAND được nhóm lại vào từng trang, mỗi trang chứa vài trăm ô, và
nhiều trang tạo thành một khối. Mỗi trang sử dụng chung một tập hợp Word Line và Bit
Line , và được sắp xếp theo 4 kiểu cấu hình sau đây:
• 32 trang 512 bytes tạo thành một khối 16 KB
• 64 trang 2,048 bytes tạo thành một khối 128 KB
• 64 trang 4,096 bytes tạo thành một khối 256 KB
• 128 trang 4,096 bytes tạo thành một khối 512 KB
Dữ liệu có thể được Đọc / Ghi theo cả trang hoặc thậm trí cả một khối trong một lần .
Điều đó có nghĩa là một file 4 KB sẽ chiếm trọn một khối có kích thước gấp 128 lần kích
thước file. Phần không gian bị lãng phí này sẽ không được sử dụng cho đến khi được
thay thế bởi các dữ liệu khác sử dụng dung lượng lớn hơn.
Quá trình hợp nhất này được đánh giá bằng một hệ số ghi, giúp so sánh giữa
lượng dữ liệu trong DRAM, bus ATA, và bộ nhớ đệm của ổ với kích thước
ghi thực tế. Nhiều loại ổ cứng hiện đại có hệ số ghi khoảng 20:1, tức là 1GB

dữ liệu được ghi sẽ khiến máy tính phải xoay sở đủ 20GB trước ghi quá
trình ghi bắt đầu.
Tốc độ các loại ổ truyền thống khá ổn định nhưng ổ SSD lại gặp khó khăn
trong việc ghi các gói dữ liệu nhỏ.
Các khối xóa dành cho việc hợp nhất dữ liệu ghi có kích thước trung bình
1MB, đồng nghĩa với việc một file phải có kích thước đúng 1MB hoặc có
thể chia thành các gói 1MB mới có thể khai thác tối đa tốc độ ghi. Sự chênh