Các phương pháp sáng tạo được áp dụng trong quá trình phát triển thiết bị lưu trữ trên máy tính

Các phương pháp sáng tạo được áp dụng trong quá trình phát triển thiết bị lưu trữ trên máy tính

TRƯỜNG ĐẠ I HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA HỆ THỐNG THÔNG TIN

CAO HỌC KHÓA 22 

ĐỀ TÀ I:

CÁC PHƯƠNG PHÁP SÁN G TẠO ĐƯỢC ÁP DỤN G TRONG QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ LƯ U TRỮ TR ÊN MÁY TÍNH

G VH D: GS TS KH HO ÀNG VĂN KIẾM HVTH : LÊ MINH TRÍ (MSHV: 12 12 040)

TP HCM, năm 2012

Mục lục

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T Ự NHIÊN 1

GIỚI T HIỆU 4

I LỊC H SỬ PHÁT TRIỂN CỦA THIẾT B Ị LƯU T RỮ: 6

1 Phi ếu đ ục lỗ: 6

2 Ổ cứng IBM 3 50: 7

3 Ổ cứng IBM3380 & ST -506: 8

4 Seagat e B arracuda: 9

5 IBM 1 70 M icro Dri ve: 10

6 USB & Fl ash Drive: 11

7 Ổ cứng lai: 12

8 Ổ cứng thể rắn (S olid Stat e Drive h ay S DD): 13

II GIỚI THIỆU 40 NGUYÊN T ẮC SÁNG T ẠO: 15

1 Nguyên tắc ph ân nh ỏ : 15

2 Nguyên tắc “tách khỏi ” : 16

3 Nguyên tắc ph ẩm chất cục bộ : 16

4 Nguyên tắc ph ản đối xứng : 16

5 Nguyên tắc k ết hợp : 16

6 Nguyên tắc v ạn năng : 16

7 Nguyên tắc “chứa t rong” : 16

8 Nguyên tắc ph ản trọng l ượng : 16

9 Nguyên tắc g ây ứng suất s ơ bộ: 17

10 Nguyên t ắc t hực hi ện s ơ b ộ : 17

11 Nguyên t ắc dự phòng : 17

12 Nguyên t ắc đẳng thế : 17

13 Nguyên t ắc đảo n gược : 17

14 Nguyên t ắc cầu (tròn) ho á : 17

15 Nguyên t ắc li nh động : 18

16 Nguyên t ắc giải “ thiếu” h oặc “ thừa” : 18

17 Nguyên t ắc chuyển s ang chiều khác : 18

18 Nguyên t ắc s ử dụng các d ao đ ộng cơ học : 18

19 Nguyên t ắc t ác động theo chu kỳ : 18

20 Nguyên t ắc li ên tục t ác động có í ch : 19

21 Nguyên t ắc “ vượt nhanh” : 19

22 Nguyên t ắc biến h ại t hành lợi : 19

23 Nguyên t ắc quan h ệ phản h ồi : 19

24 Nguyên t ắc s ử dụng t rung gi an : 19

25 Nguyên t ắc t ự phục vụ: 19

26 Nguyên t ắc s ao chép (copy) : 19

27 Nguyên t ắc “ rẻ” t hay cho “ đắt ”: 20

28 Thay thế s ơ đồ cơ học: 20

29 Sử dụng các k ết cấu khí v à lỏng : 20

30 Sử dụng vỏ dẻo v à m àng mỏng : 20

31 Sử dụng các v ật li ệu nhiều lỗ : 20

32 Nguyên t ắc t hay đ ổi màu sắc : 21

33 Nguyên t ắc đồng n hất : 21

34 Nguyên t ắc phân hủy h oặc tái sinh các phần : 21

35 Thay đổi các thông số hoá lý của đ ối t ượng: 21

36 Sử dụng chuyển pha : 21

37 Sử dụng s ự nở nhiệt : 21

38 Sử dụng các chất ôxy hóa mạnh : 22

39 Thay đổi độ t rơ : 22

40 Sử dụng các v ật li ệu h ợp t hành (composit e) : 22

III .CÁC PHƯƠNG PHÁP SÁNG T ẠO ĐƯỢC S Ử DỤNG: 22

1 Nguyên tắc ph ân chia nhỏ: 22

2 Nguyên tắc chuyển động tròn: 22

3 Nguyên tắc “rẻ” t hay cho “ đắt ”: 23

4 Nguyên tắc thay thế s ơ đồ cơ học: 23

5 Nguyên tắc môi trường khí tr ơ: 23

6 Nguyên tắc tự phục vụ: 23

7 Nguyên tắc tách khỏi: 23

8 Nguyên t ắc sử dụng t rung gian: 24

9 Nguyên tắc thay thế hệ thống cơ học: 24

10 Nguyên t ắc quan h ệ phản h ồi: 24

11 Nguyên t ắc kết hợp: 24

TÀI LIỆU T HAM KHẢO: 25

GIỚI THIỆU

Ngày nay, máy tính chúng t a sử dụng có thể lưu trữ hàng trăm, thậm chí hang ngàn

GB dữ liệu Ngay cả những thiết bị cầm t ay như máy M P3, điện thoại di động cũng có

có vài G B bộ nhớ lưu trữ M ột vài thập kỉ trước đ ây điều này chỉ có thể có trong khoa học viễn tưởng Ví dụ, không lâu trư ớc đây, vào năm 1980, ổ cứ ng đầu tiên đạt đến dung lượng lưu trữ G igabyte ra đời có kích thước bằng chiếc tủ lạnh

Trong phạm vi bài thu hoạch này, em xin trình bày về những nguyên tắc s ang tạo được áp dụng trong lịch sử phát triển của thiết bị lưu trữ trên máy tính Qua đ ây em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Giáo sư, Tiến s ĩ khoa học Hoàng Văn Kiếm đã t ận tình truyền đạt nhữ ng kiến thức nền t ảng cơ bản cho chúng em trong bộ m ôn “Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học”

I LỊC H SỬ PHÁT TRIỂN CỦA THIẾT B Ị LƯ U TRỮ:

1 Phiếu đục lỗ :

- Hầu hết mọi ngư ời nghĩ về phiếu đục lỗ như là một cách ghi lại thời gian đến

và rời chỗ làm N ăm 1725, Basile B ouchon, m ột công nhân ngành dệt dùng

phiếu đục lỗ để điều khiển máy dệt Q ua đó máy dệt có thể đọc và và tự vận

hành các thiết lập Đánh dấu lần đầu tiên một máy tự sử dụng một phương cách

để đọc mã và thực thi một qui trình Quang trọng hơn, những phiếu đục lỗ đư ợc

sử dụng như những thẻ nhớ nguyên thủy

- Năm 1890, một phiếu đục lỗ được sử dụng bởi Herman Hollerith để ghi âm và

đọc dữ liệu từ một máy tính Ô ng dùng nó để hoàn thành cuộc tổng điều tra

năm 1890 trong vòng duy nhất một năm T rư ớc đó phải mất đến 8 năm đ ể hoàn

thành cho năm 1880

- Phiếu đục lỗ được sử dụng phổ biến cho đến giữ a thập niên 1970

Phiếu đụ c lỗ cho chương trình viết bằn g Fortran

Hình trái: máy đọc, hình phải: máy ghi

2 Ổ cứng IBM 350:

- Năm 1956, ổ cứng hiện đại đầu tiên IBM 350 ra đời có dung lượng lưu trữ 4,4

MB với 50 đĩa 25 inch, tốc độ quay 1.200 RPM (vòng trong 1 phút)

3 Ổ cứng IBM 3380 & ST-506:

- Ổ cứng đầu tiên có dung lư ợng đạt đến 1GB là IBM 3380 ra đời vào năm 1980 (có thể lưu trữ 2.52G B) Nó có kích thước bằng cái tủ lạnh, nặng 250 kg, giá cả được giới thiệu dao động từ $81.000 đến $142.400

Hình trái: Ổ cứn g 250 MB ra đời n ăm 1979 Hình ph ải: ổ cứn g IBM 3380 ra đời

năm 1980

- Cũng trong năm 1980, chiếc ổ cứng tiền nhiệm cho m áy tính hiện đại ra đời, kích thư ớc nhỏ 5.25”, có dung lượng lưu trữ 5MB

4 Seagate Barracuda :

- Năm 1996, Seagate cho ra đời ổ cứng đầu tiên đạt tốc độ 7.200 RPM , trở thành

tốc độ chuẩn trong các thiết bị ổ cứ ng ngày nay

5 IBM 170 Micro Drive:

- Năm 1999, trư ớc khi có bộ nhớ flash, nhữ ng ổ cứ ng nhỏ mang t ính cách mạng này đã được sử dụng trong các dòng m áy Ipod đầu tiên của Apple Apple tiếp tục sử dụng nó trong các dòng Ipod classic

6 USB & F lash Drive:

- Năm 2000, IBM đã cách mạng hóa cách con ngư ời lưu trữ và di chuyển dữ liệu với nhữ ng thiết bị nhỏ gọn như ng kinh tế Sau khi đư ợc giới thiệu, nó đã nhanh chóng khai tử đĩa mềm và Z ip, bắt đầu cuộc cách mạng lưu trữ flash

- Kể từ khi ra m ắt năm 2000, nó đã tạo nên một sử phổ biến rộng khắp trong các thiết bị di động, máy ảnh số Những thiết bị này không còn bị giới hạn bởi kích thước vật lý nữ a

7 Ổ cứng lai:

- Ổ cứng lai (hybrid hard disk drive) là các ổ đĩa cứ ng thông thư ờng được gắn thêm các phần bộ nhớ flash trên bo mạch của ổ đĩa cứng Cụm bộ nhớ này hoạt

động khác với cơ chế làm v iệc của bộ nhớ đệm ( cache) của ổ đĩa cứng: Dữ liệu chứ a trên chúng không bị mất đi khi mất điện Tron g quá trình làm việc của ổ cứng lai, vai trò của phần bộ nhớ flash như sau:

 Lưu trữ trung gian dữ liệu trước khi ghi vào đĩa cứ ng, chỉ khi máy tính đã đưa các dữ liệu đến một mức n hất định (tuỳ từng loại ổ cứ ng lai) thì ổ đĩa cứng m ới tiến hành ghi dữ liệu vào các đĩa từ, điều này giúp sự vận hành của ổ đĩa cứng tối hiệu quả và tiết kiệm đ iện năn g hơn nhờ việc không phải thường xuy ên hoạt động

 Giúp tăng tốc độ giao tiếp với máy tính: Việc đ ọc dữ liệu từ bộ nhớ flash nhanh hơn so với việc đọc dữ liệu tại các đĩa từ

 Giúp hệ điều hành khởi động nhanh hơn nhờ việc lưu các tập tin khởi động của hệ thống lên vùng bộ nhớ flash

8 Ổ cứng thể rắn (Solid State Drive hay SD D):

- Năm 2008, SDD ra đời Đây thực chất không phải là công nghệ mới mẻ gì Về

cơ bản, SSD đã xuất hiện từ thời kì sơ khai của máy tính, tồn tại ở rất nhiều dạng khác nhau m à điển hình là RAM máy tính Nhưn g vì giá thành cho m ỗi

GB dung lượng quá cao, và tốc độ đọc ghi dữ liệu trên đĩa cứng vẫn chưa bị giới hạn bởi tốc độ động cơ nên nó không đư ợc quan tâm tới việc thay thế cho

ổ cứng cơ học thông thư ờng

- Mãi đến những năm 90, các loại chip nhớ Flash mới xuất hiện với sản phẩm đầu tiên là ổ đĩa U SB thông dụng ngày nay Nhưng vào thời kỳ đó, giá thành sản xuất chip nhớ Flash vẫn còn quá đắt so với dung lượng mà nó mang lại Bởi thế mà công nghệ này vẫn chưa thể sử dụng thay thế cho ổ cứng truyền

thống

- Trong những năm đầu của thế kỉ 21, giá của bộ nhớ Flash liên tục giảm mạnh Cùng với sự giới hạn về tốc độ quay của các ổ đĩa đời cũ, việc này đã thúc đẩy các nhà sản xuất nghĩ đến việc làm ra một ch iếc ổ cứng sử dụng các chip nhớ Flash với mục đích chính là phá bỏ giới hạn về tốc độ đọc ghi của ổ cứ ng

truyền thống Và sau nhiều năm phát triển, ổ cứng thể rắn đã bắt đầu đư ợc phổ

biến trong các máy tính cá nhân thông thư ờng, ở mứ c giá chấp nhận được

So sánh SSD với HD D truyền thống:

- Thời gian khởi động ổ đĩa: Ổ đĩa cơ truy ền thống sử dụng các động cơ cơ học

để quay các đĩa từ Vì thế, khi có lệnh khởi động, ổ đĩa cơ sẽ phải mất từ 1 - 3 giây để khởi động động cơ này Khi khởi động, bạn sẽ nghe tiếng lạch cạch nhỏ phát ra từ ổ đĩa Trong khi đó, ổ đĩa t hể rắn hoàn toàn sử dụng các chip nhớ, không có thành phần chuyển động nên sẽ không có khoảng thời gian khởi động

ổ đĩa Chỉ cần cấp điện là bạn lập tứ c có thể truy cập dữ liệu trên các chip nhớ

- Thời gian truy cập dữ liệu và độ trễ: Ổ SSD có tốc độ đọc ghi nhanh hơn từ

80 -100 lần so với H DD thông thường (trên lý thuyết), bởi đơn giản ổ SSD không bị giới hạn cơ chế quay đĩa và nhặt dữ liệu bằng cơ khí như ổ HD D Vì thế, SSD có thể truy cập đến bất cứ vị trí nào trên ổ mà không có độ trễ Ổ cứng truyền thống sẽ phải mất một chút thời gian để đầu đọc di chuyển để nhặt

dữ liệu trên mặt đĩa

- Độ ồn: Các ổ cứng thể rắn hoàn to àn im lặng do không hề có chuyển động nào

bên trong

- Độ tin cậy: Các lỗi gây hỏng đĩa cứng ở HD D chủ yếu do các đĩa từ quay với

tốc độ quá cao nên khi có tác động bên ngoài, như rung động m áy tính, đầu đọc

sẽ va chạm với m ặt đĩa gây ra 1 vết xư ớc trên bề m ặt, từ đó s inh ra 1 bad sector Cũng vì SSD không có chuyển động, nên vấn đề mất dữ liệu khi ổ đĩa bị rung động là không có, nhưn g đổi lại chip nhớ F lash lại có như ợc điểm cố hữu riêng G iống như 1 chiếc USB, nếu để ý kĩ vào thông s ố kĩ thuật khi mu a, bạn

sẽ thấy có một mục là s ố lần ghi dữ liệu Mỗi chip nhớ Flash có số lần ghi dữ liệu xác định gọi là Write cy cles (tạm d ịch là chu kỳ ghi) Mỗi khi dữ liệu được chép vào và xóa đi khỏi chip nhớ là bạn đã mất 1 chu kì Số chu kỳ ghi này trên mỗi chip nhớ là xác định nên bạn cũng có thể coi thông số này chính là tuổi thọ của ổ cứng thể rắn (các ổ SSD ngày nay thư ờng có s ố chu kỳ ghi đủ để đảm bảo dữ liệu của bạn không bị hư hại gì trong vòng 5 năm) Sau khi sử dụng hết chu kì ghi dữ liệu của mình, dữ liệu nằm trên Chip nhớ này sẽ chuyển sang dạng Read - only (chỉ đọc) giống như với đĩa CD thông thư ờng, nghĩa là bạn sẽ

không thể thay đổi dữ liệu trên Chip nhớ này chứ dữ liệu không m ất đi hay hỏng giống như ổ HD D gặp Bad s ector Khi đó, máy tính s ẽ t iến hành sao chép phần dữ liệu này sang các chip nhớ khác còn hoạt động tốt và vô hiệu hóa chip nhớ đã “hết hạn” và bạn lại có thể sử dụng dữ liệu bình thư ờng, nhưng dung lượng ổ cứng của bạn sẽ bị giảm đi Vì thế, độ tin cậy của SSD rõ ràng cao hơn hẳn HDD truyền thống

- Điện năng tiêu thụ: SSD tiêu thụ điện ít hơn ổ HDD từ 30 - 60 % năng lượng,

tiết kiệm từ 6 – 10 Watts cho bạn

II GIỚ I THIỆU 40 N GUYÊN TẮC SÁNG TẠO:

1 Nguyê n tắc phâ n nhỏ :

- Chia đối tượng thành các phần độc lập

- Làm đối tượng trở nên tháo lắp được

- Tăng mức độ phân nhỏ đối tượng

- Các phần khác nhau của đối tượng phải có các chức năng khác nhau

- Mỗi phần của đối tượng phải ở trong những điều kiện thích hợp nhất đối với công việc

7 Nguyê n tắc “chứa tro ng” :

- Môt đối tượng đư ợc đặt bên trong đối tượng khác và bản thân nó lại chứa đối tượng thứ ba…

- Một đối tượng chuyển động xuyên suốt bên trong đối tư ợng khác

8 Nguyê n tắc phả n trọng lượng :

- Bù trừ trọng lượng của đối tư ợng bằng cách gắn nó với các đối tượng khác, có lực nâng

- Bù trừ trọng lượng của đối tư ợng bằng cách tương t ác với m ôi trường như sử dụng các lự c t hủy động, khí động …

9 Nguyê n tắc gây ứng suất sơ bộ:

- Gây ứng suất trước đối với đối tư ợng để chống lại ứng suất không cho phép hoặc không mong muốn khi đối tư ợng làm việc (hoặc gây ứng súât trước để khi làm việc sẽ dùng ứ ng súât ngược lại)

10 Nguyê n tắc thực hiện sơ bộ :

- Thực hiên trước sự thay đổi cần có, hoàn t oàn hoặc từng phần, đối với đối tượng

- Cần sắp xếp đối tượng trước, sao cho chúng có thể hoạt động từ vị trí thuận lợi nhất, không m ất thời gian dịch chuy ển

13 Nguyê n tắc đảo ngược :

- Thay vì hành động như y êu cầu bài toán, hành động ngược lại (ví dụ : không làm nóng m à làm lạnh đối tư ợng)

- Làm phần chuy ển động của đối tượng (hay m ôi trường bên ngoài) thành đứng yên và ngược lại phần đứng yên thành chuyển động

14 Nguyê n tắc cầu (t ròn) hoá :

- Chuyển những phần thẳng của đối tượng thành cong, m ặt phẳng thành m ặt cầu, kết cấu hình hộp thành kết cấu hình cầu

- Sử dụng các con lăn, viên bi, vòng xoắn

- Chuyển sang chuyển động quay, sử dụng lực ly t âm

15 Nguyê n tắc li nh độ ng :

- Cần thay đổi các đặc trưng của đ ối tượng hay môi trường bên ngoài sao cho chúng tối ư u trong từ ng giai đoạn làm việc

- Phân chia đối tượng thành từng phần, có khả năng dịch chuyển với nhau

16 Nguyê n tắc giải “t hiếu” hoặ c “t hừa” :

- Nếu như khó nhận được 100% hiệu quả cần thiết, nên nhận ít hơn hoặc nhiều hơn “m ột chút ” Lúc đó bài toán có thể trở nên đơn giản hơn và dễ giải hơn

17 Nguyê n tắc chuyển sa ng chiều khác :

- Những khó khăn do chuyển động (hay sắp xếp) đối tượng theo đường (m ột chiều) s ẽ được khắc phục nếu cho đối tượng khả năng di chuyển trên mặt phẳng (hai chiều), tương tự những bài toán liên quan đến chuyển động (hay s ắp xếp) các đối tượng trên mặt phẳng s ẽ được đơn giản hóa khi chuyển sang không gian (ba chiều)

- Chuyển các đối tư ợng có kết cấu một tầng thành nhiều t ầng

- Đặt đối tượng nằm n ghiêng

- Sử dụng m ặt sau của diện tích cho trước

- Sử dụng các luồng ánh sáng t ới diện tích bên cạnh hoặc t ới mặt sau của diện tích cho trư ớc

18 Nguyê n tắc sử dụng các dao độ ng cơ họ c :

- Làm đối tượng dao động

- Nếu đã có dao động, t ăng tần s ố dao động

- Sử dụng tần số cộng hưởng

- Thay vì dùng các bộ rung cơ học dùng các bộ rung áp điện

- Sử dụng siêu âm kết hợp với trường điện từ

19 Nguyê n tắc tác độ ng theo chu kỳ :

- Chuyển tác động liên tục thành t ác động theo chu kỳ (xung)

- Nếu đã có tác động theo chu ký, hãy thay đổi chu kỳ

- Sử dụng các khoảng thời gian giữa các xung để thực hiên tác động khác

20 Nguyê n tắc liên t ục tác động có íc h :

- Thực hiên công viêc một cách liên tục (t ất cả các phần của đối tư ợng cần luôn luôn làm việc ở chế độ đủ tải)

- Khắc phục vận hành không t ải và trung gian

- Chuyển chuyển động tịnh tiến qua lại thành chuyển động quay

21 Nguyê n tắc “vượt nha nh” :

- Vượt qua các giai đoạn có hại hoặc nguy hiểm với vận tốc lớn

- Vượt nhanh để có đư ợc hiệu ứng cần thiết

22 Nguyê n tắc biến hại thành lợi :

- Sử dụng những tác nhân có hại (ví dụ tác động có hại của môi trường) để thu được hiệu ứ ng có lợi

- Khắc phục t ác nhân có hại bằng cách kết hợp nó với tác nhân có hại khác

- Tăng cư ờng tác nhân có hại đến mức nó không còn có hại nữa

23 Nguyê n tắc qua n hệ p hản hồi :

- Thiết lập quan hệ phản hồi

- Nếu đã có quan hệ phản hồi, hãy thay đổi nó

24 Nguyê n tắc sử dụng trung gian :

- Sử dụng đối tượng trung gian, chuyển tiếp

25 Nguyê n tắc tự p hục vụ:

- Đối tượng phải tự phục vụ bằng cách t hực hiện các thao tác phụ trợ, sử a chữ a

- Sử dụng phế liệu, chất thải, năng lư ơng dư

26 Nguyê n tắc sao chép (copy) :

- Thay vì sử dụng những cái không được phép, phức t ạp, đắt tiền, không tiện lợi hoặc dễ vỡ, sử dụng bản sao