Những điều cần biết về SSD
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
