Buzz
Khi đọc các quảng cáo và giới thiệu về các sản phẩm SSD mới trên thị trường, chúng ta thường bắt gặp các thuật ngữ viết tắt và mô tả về công nghệ sản xuất chip nhớ NAND. Ngày xưa, chúng ta sử dụng planar NAND để xếp các cell nhớ dưới dạng phẳng. Nhưng giờ đây, công nghệ 3D NAND đã xuất hiện, cho phép chồng lên nhau các lớp cell nhớ, tăng mật độ lưu trữ cho mỗi chip NAND. Còn về các loại cell nhớ, chúng ta có MLC, TLC và QLC.
Hãy tạm gác qua tất cả những cụm từ phức tạp đó và đi tìm câu trả lời cho câu hỏi đơn giản nhất. Làm thế nào một chiếc ổ cứng nhỏ gọn như kẹo cao su có thể lưu trữ lượng dữ liệu lớn như một chiếc ổ cứng cồng kềnh?
Ổ cứng từ - HDD
Đầu tiên, công nghệ lưu trữ trên máy tính cá nhân đã phát triển dựa trên ổ cứng từ. Một ổ cứng lưu trữ dữ liệu trên các đĩa quay với tốc độ cao. Đầu đọc/ghi trên ổ cứng sẽ di chuyển đến vị trí chính xác trên đĩa để đọc hoặc ghi dữ liệu.
Do đầu đọc phải luôn ở gần vị trí của dữ liệu trên đĩa, nên đĩa phải luôn quay. Điều này dẫn đến độ trễ khi truy cập dữ liệu. Trong trường hợp các phần mềm hoặc dữ liệu lớn, đầu đọc phải tìm kiếm dữ liệu ở nhiều vị trí khác nhau trên đĩa trước khi khởi động. Nếu ổ cứng không hoạt động, sẽ mất vài giây cho đĩa quay lên tốc độ hoạt động lý tưởng.
Từ ban đầu, công nghệ của ổ cứng dựa trên đĩa từ luôn chậm hơn tốc độ xử lý của chip CPU. Độ trễ trong ổ cứng được tính bằng mili giây, trong khi tốc độ xử lý của CPU được tính bằng nano giây, nhanh hơn tới hàng triệu lần. Một ổ cứng thông thường cần từ 10 đến 15 ms để tìm kiếm dữ liệu trên đĩa và bắt đầu đọc.
Giới hạn của ổ cứng từ là giới hạn vật lý cơ bản. Một số nhà sản xuất đã cố gắng giảm kích thước của đĩa từ, sử dụng bộ nhớ đệm flash trên ổ, và tăng tốc độ quay của đĩa từ để vượt qua giới hạn này. Tuy nhiên, ổ cứng tiêu chuẩn như Western Digital VelociRaptor chỉ đạt tốc độ 10.000 vòng mỗi phút. Ổ cứng doanh nghiệp có thể đạt ngưỡng 15.000 vòng mỗi phút.
Dù tốc độ quay càng nhanh, bộ nhớ đệm càng lớn, thì tốc độ truy xuất dữ liệu của ổ cứng từ vẫn chậm so với tốc độ xử lý của CPU.SSD khác biệt như thế nào?
Được gọi là “ổ cứng thể rắn” vì không sử dụng bất kỳ bộ phận chuyển động nào, không có đĩa từ quay hàng nghìn vòng, cũng không có đầu đọc chạy qua chạy lại. Thay vào đó, dữ liệu được lưu trữ trong các chip NAND flash. Để tạo ra NAND, cần gia công các transistor dạng floating gate. Khác biệt với transistor trong chip nhớ DRAM, NAND flash là một loại bộ nhớ điện tĩnh, giữ nguyên dữ liệu ngay cả khi không có nguồn điện, không giống như RAM.
Trong một cell flash, electron được lưu trong cổng floating, biểu thị hai trạng thái: 0 hoặc 1. Trong chip NAND flash, giá trị 1 tương đương với cell không có dữ liệu (trống), và 0 là có dữ liệu, ngược với logic thông thường vì nó là hàm NOT-AND (NAND). Các cell NAND được tổ chức thành từng lưới, gọi là block, và mỗi hàng cell NAND tạo thành một lưới, gọi là page.
Nhìn vào biểu đồ, dễ thấy rằng NAND không bao giờ đạt được tốc độ của DRAM, nhưng vẫn là lựa chọn lưu trữ tốc độ cao so với HDD. Dù tốc độ ghi vào chip NAND thường chậm hơn tốc độ đọc, nhưng vẫn nhanh hơn nhiều so với HDD.
Bảng so sánh trên cần chú ý hai điểm. Đầu tiên, cell có dung lượng lưu trữ lớn hơn sẽ có độ trễ cao hơn, ảnh hưởng đến cả tốc độ đọc và ghi, đặc biệt là tốc độ ghi. Ví dụ, chip NAND công nghệ TLC (triple level cell) có độ trễ đọc cao gấp 4 lần so với SLC (single level cell), và độ trễ ghi cao gấp 6 lần. Độ trễ khi xóa dữ liệu cũng bị ảnh hưởng tương tự.
So sánh TLC với MLC, mặc dù TLC có thể lưu trữ nhiều dữ liệu hơn 50%, nhưng tốc độ NAND TLC chậm hơn 100%. Tương tự, QLC cũng gặp phải vấn đề này, với mỗi cell có thể lưu trữ tới 4 bit dữ liệu.
Giải thích cho hiện tượng này, TLC NAND chậm hơn do cách dữ liệu di chuyển vào và ra khỏi từng cell NAND. Với cell NAND SLC, bộ điều khiển chỉ cần biết giá trị bit là 0 hoặc 1. Trong khi đó, với MLC, mỗi cell có 4 khả năng: 00, 01, 10 hoặc 11. Đối với NAND TLC, cell có thể lưu trữ 8 giá trị khác nhau, và QLC có thể lưu trữ 16 giá trị. Để đọc chính xác giá trị, bộ điều khiển phải sử dụng lượng điện năng chính xác để xác định xem cell có chứa dữ liệu hay không.Đọc, ghi và xóa dữ liệu
Một hạn chế của SSD là việc đọc và ghi dữ liệu diễn ra rất nhanh, nhưng việc ghi đè dữ liệu lại tương đối chậm. Điều này xảy ra vì SSD có thể thực hiện đọc và ghi dữ liệu ở mức trang (page) cụ thể của từng cell NAND, trong khi việc xóa chỉ có thể thực hiện ở mức block. Quá trình xóa dữ liệu trên NAND flash yêu cầu điện áp cao hơn so với đọc và ghi dữ liệu. Trên lý thuyết, việc xóa dữ liệu lưu trữ trong cell NAND ở mức trang vẫn có thể thực hiện được, nhưng điều này đòi hỏi mức điện áp cao sẽ tác động mạnh mẽ đến các cell NAND xung quanh, có thể gây ra hỏng hóc dữ liệu không mong muốn. Do đó, các nhà sản xuất quyết định chỉ cho phép việc xóa dữ liệu ở mức block.
Để cập nhật dữ liệu cho một trang, SSD phải thực hiện việc sao chép toàn bộ block vào bộ nhớ đệm, xóa block đó, sau đó ghi lại dữ liệu của cả block kèm theo dữ liệu mới cần cập nhật cho trang đó. Trong trường hợp ổ đĩa đã đầy, không còn trang nào trống để ghi dữ liệu, SSD sẽ trước tiên tìm các block đã được đặt lệnh xóa nhưng chưa được thực hiện, sau đó xóa bỏ dữ liệu lưu trữ trong đó và cuối cùng là ghi dữ liệu vào các trang trống.SSD lâu dài hồi sinh hiệu suất với 'garbage collection'. Quá trình này giúp ổ SSD tránh tình trạng đầy và duy trì tốc độ ổn định trong quá trình sử dụng hàng ngày.Khái niệm 'garbage collection' không còn xa lạ với người dùng SSD. Đây là một cơ chế tự động giúp tối ưu hiệu suất ổ đĩa bằng cách xử lý dữ liệu không sử dụng và làm sạch không gian trống.
Trong quá trình 'garbage collection', SSD sẽ di chuyển dữ liệu dư thừa và xóa các block không cần thiết, giúp duy trì tốc độ và tuổi thọ cho ổ đĩa. Điều này giúp nâng cao trải nghiệm người dùng và đảm bảo hiệu suất ổn định dài lâu.
Hệ điều hành Windows 11 là một biểu tượng của sự tiến bộ. Mỗi lần bạn xoá một file trên ổ cứng, Windows 11 không chỉ xoá mà còn tạo ra cơ hội cho dữ liệu được phục hồi. Đó là sự thông minh của nó.
Ổ cứng HDD và SSD là hai thế giới khác nhau. HDD không quan tâm đến vị trí lưu trữ dữ liệu, trong khi SSD thì quan trọng.
Lệnh TRIM làm cho SSD trở nên mạnh mẽ hơn bao giờ hết. Nó giúp tăng tuổi thọ của SSD bằng cách giảm bớt việc ghi dữ liệu không cần thiết. Điều này làm cho SSD trở nên ổn định và đáng tin cậy hơn.Write amplification và Phân phối đều lực mòn
Để hiểu rõ hơn về SSD, hãy nghĩ về việc nén không gian. Khi bạn thay đổi một tệp tin nhỏ, SSD có thể phải ghi lại nhiều hơn là dữ liệu thực sự cần. Điều này gọi là write amplification. Việc để ổ SSD trống một khoảng cách nhất định có thể giúp làm giảm tác động của write amplification. Điều này giúp tăng tuổi thọ và hiệu suất của ổ cứng.
Wear leveling là giải pháp giúp ổ SSD hoạt động một cách hiệu quả và đồng đều. Nó đảm bảo rằng mỗi block NAND được sử dụng mà không gây ra sự mòn không cần thiết.
Mặc dù wear leveling giúp tăng tuổi thọ của ổ SSD, nhưng cũng có thể gây ra hiện tượng wear amplification. Điều này đòi hỏi sự can thiệp từ phía nhà sản xuất để tối ưu hóa thuật toán.Bộ điều khiển SSD
SSD yêu cầu một cách điều khiển phức tạp hơn so với HDD. Tuy nhiên điều này không làm giảm đi sự ấn tượng về HDD. HDD đã đạt được nhiều thành tựu đáng nể trong việc cân bằng và ghi dữ liệu. Tuy nhiên, SSD lại tiên tiến hơn với controller và bộ nhớ đệm SLC.
Controller của SSD là một trong những kỳ quan công nghệ. Nó quản lý từng cell, block và chip NAND, sử dụng các công nghệ hiện đại như DRAM DDR3 và DDR4, cùng với bộ nhớ đệm SLC.
Controller của SSD phải phân phối công việc một cách khó khăn, tương tự như các giải pháp RAID trong lưu trữ doanh nghiệp.
Một số SSD sử dụng thuật toán nén dữ liệu và chỉnh lỗi single-bit để tăng tuổi thọ ổ cứng.
Bí quyết hoạt động của controller SSD được giữ bí mật để không rơi vào tay đối thủ cạnh tranh. Controller chịu trách nhiệm quản lý sức mạnh và hiệu năng của chip NAND trong SSD.Xu hướng tiến của SSD
Mặc dù SSD có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại nhược điểm về dung lượng và chi phí so với HDD. Thu nhỏ tiến trình sản xuất chip NAND tạo ra thách thức cho các nhà sản xuất, vì nó có thể làm giảm tuổi thọ và độ bền của SSD.
Hiện nay, chúng ta chỉ thấy NAND xếp chồng 128 lớp, việc xếp nhiều hơn vẫn chỉ là lý thuyết và thử nghiệm.
Công nghệ SSD ngày càng phát triển với hiệu năng cao và kết nối tiên tiến, nhưng NAND sẽ sớm bị thay thế bởi công nghệ mới.
Công nghệ magnetic RAM và phase change memory được coi là ứng cử viên tiềm năng để thay thế NAND, nhưng vẫn còn rất nhiều thách thức phải vượt qua.
Khi nâng cấp từ SSD SATA 3 lên PCIe 3.0 và 4.0, tốc độ thực sự rất khó đo đạc bằng mắt thường, chỉ có thể nhận biết được sự khác biệt thông qua phần mềm benchmark.
