(Tiểu luận) báo cáo thiết kế hệ thống vlsi đề tài tìm hiểu công nghệ ổ lưu trữ ssd và so sánh vớicông nghệ chế tạo ổ cứng hdd

Ổ cứng được sử dụng để lưu trữ các tập tin cần thiết để hệ thống hoạt động, bao gồm cả các tập tin hệ điều hành, phần mềm ứng dụngvà các dữ liệu cá nhân.Vai trò của ổ cứng rất quan trọng

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

- -BÁO CÁO THIẾT KẾ HỆ THỐNG VLSI

ĐỀ TÀI: “TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ Ổ LƯU TRỮ SSD VÀ SO SÁNH VỚI

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ Ổ CỨNG HDD VÀ SSD 5

1.1 Giới thiệu về tổng quát về ổ cứng 5

1.1.1 Lịch sử phát triển của ổ cứng 5

1.1.2 Vai trò của ổ cứng trong lưu trữ dữ liệu 5

1.1.3 Các loại ổ cứng phổ biến 6

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ Ổ CỨNG HDD VÀ Ổ LƯU TRỮ SSD 7

2.1Công nghệ ổ cứng HDD 7

2.1.1 Nguyên lý hoạt động của ổ cứng HDD 8

2.1.2 Các thành phần chính của ổ cứng HDD 8

2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ ổ cứng HDD 9

2.1.4 Ổ cứng HDD đang thịnh hành hiện nay 10

2.2 Công nghệ ổ lưu trữ SSD 10

2.2.1 Nguyên lý hoạt động của ổ lưu trữ SSD 10

2.2.2 Các thành phần chính của ổ lưu trữ SSD 12

2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ ổ lưu trữ SSD 13

2.2.4 Ổ cứng SSD được sử dụng phổ biến 14

2.3 So sánh công nghệ ổ cứng HDD và ổ lưu trữ SSD 14

2.3.1 Tốc độ truy xuất dữ liệu 14

2.3.2 Độ bền và tuổi thọ 15

2.3.4 Tiêu thụ năng lượng và khả năng tiết kiệm điện năng 15

2.3.5 Giá thành và khả năng mở rộng 15

2.3.6 Hiệu suất và khả năng đáp ứng nhu cầu của người dùng 16

2

CHƯƠNG 3 : ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ Ổ CỨNG HDD VÀ Ổ LƯU TRỮ

SSD 16

3.1Ứng dụng của ổ cứng HDD 16

3.2Ứng dụng của ổ lưu trữ SSD 17

CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN 18

4.1 Tổng hợp lại ưu nhược điểm của hai công nghệ 18

4.1.1 Ưu và nhược điểm của SSD: 18

4.1.2 Ưu và nhược điểm của HDD: 18

4.3Đưa ra nhận xét và khuyến nghị cho người dùng 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

3

LỜI MỞ ĐẦU

Nhờ có môn học “Thiết kế hệ thống VLSI” do thầy Trương Cao Dũng giảng dạy

đã giúp cho sinh viên phần nào hiểu được cấu trúc cốt lõi của các thành phần cấu tạo nên các linh kiện điện tử Để củng cố kiến thức đã học thầy đã giao cho sinh những chủ đề rất sát với thực tế Cụ thể nhóm được giao chủ đề “ Tìm hiểu công nghệ ổ lưu trữ SSD và so sánh với công nghệ chế tạo ổ cứng HDD”

Trong chủ đề này, nhóm đi sâu vào tìm hiểu cấu trúc, cách thức hoạt động và vai trò của hai ổ cứng SSD và so sánh với ổ cứng HDD Ngoài chức năng bảo mật dữ liệu, ổ lưu trứ SSD cũng đảm bảo tính an toàn và bảo mật dữ liệu Đồng thời cũng làm tăng tốc

độ xử lý của thiết bị Nội dung chi tiết nhóm sẽ trình bày ở bên dưới, tổng quát bài báo cáo được chia làm 4 chương :

Chương 1 : Giớt thiệu tổng quát về ổ SSD và HDD

Chương 2: Công nghệ ổ cứng HDD và ổ Lưu trữ SSD

Chương 3: Ứng dụng ổ cứng HDD và ổ lưu trữ SSD

Chương 4: Kết luận

Hà Nội, tháng 5 năm 2023 Nhóm 06

4

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ Ổ CỨNG HDD VÀ SSD 1.1 Giới thiệu về tổng quát về ổ cứng

1.1.1 Lịch sử phát triển của ổ cứng

Năm 1956: IBM giới thiệu ổ cứng đầu tiên có tên là RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control) RAMAC có khả năng lưu trữ 5MB dữ liệu trên một đĩa đường kính 24 inch, nặng 1 tấn và có giá trị lên đến 50.000 USD

Từ những năm 1960 đến 1980: Các hãng sản xuất điện tử như IBM, Seagate, Western Digital, bắt đầu phát triển các loại ổ cứng mới với dung lượng và tốc độ cao hơn Ví dụ như ổ cứng IBM 2311 được giới thiệu vào năm 1964 với dung lượng lên đến 7.25 MB và ổ cứng Seagate ST-506 được giới thiệu vào năm 1980 với dung lượng 5 MB.Năm 1988: Công nghệ ổ cứng SCSI (Small Computer System Interface) được giới thiệu, cung cấp tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh hơn so với công nghệ trước đó, và được sửdụng phổ biến trong các máy chủ và máy tính đồ họa

Từ những năm 1990 đến 2000: Công nghệ ổ cứng IDE (Integrated Drive Electronics) được giới thiệu, giúp kết nối ổ cứng với máy tính trở nên dễ dàng hơn, đồng thời tăng tốc độ truyền tải dữ liệu Đến đầu thế kỷ 21, dung lượng của ổ cứng đã lên đến hàng chục GB và cả trăm GB

Từ năm 2005 đến nay: Công nghệ ổ cứng SSD (Solid State Drive) ra đời, với nhiều

ưu điểm như tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh hơn, tiêu thụ điện năng ít hơn, độ bền cao hơn so với ổ cứng HDD Điều này đã đẩy ổ cứng HDD trở nên lỗi thời, dần dần bị thay thế bởi ổ cứng SSD trong các thiết bị điện tử

1.1.2 Vai trò của ổ cứng trong lưu trữ dữ liệu

Ổ cứng là một thiết bị lưu trữ dữ liệu trong máy tính, cho phép lưu trữ các tập tin, chương trình và hệ điều hành của hệ thống Ổ cứng được sử dụng để lưu trữ các tập tin cần thiết để hệ thống hoạt động, bao gồm cả các tập tin hệ điều hành, phần mềm ứng dụng

và các dữ liệu cá nhân

Vai trò của ổ cứng rất quan trọng đối với một hệ thống máy tính, bởi vì nó cung cấp không chỉ nơi để lưu trữ các tập tin, mà còn là nơi để truy cập đến các tập tin và chương trình đó để thực thi Ổ cứng cũng cung cấp khả năng lưu trữ dữ liệu lâu dài và đảm bảo tính an toàn và bảo mật của dữ liệu

5

Với vai trò quan trọng của ổ cứng trong lưu trữ dữ liệu, người dùng cần phải chọn một ổ cứng phù hợp với nhu cầu của họ, bao gồm dung lượng lưu trữ, tốc độ đọc/ghi dữ liệu, độ bền và độ tin cậy Hiện nay, có hai công nghệ lưu trữ chính được sử dụng là ổ đĩa cứng (HDD) và ổ lưu trữ thể rắn (SSD).

 Là loại ổ cứng được sử dụng lâu đời nhất và phổ biến nhất trên thị trường

 Sử dụng các đĩa quay để lưu trữ dữ liệu và các đầu đọc/ghi để truy cập vào các tập tin và chương trình

 Thường có dung lượng lưu trữ lớn hơn so với các ổ lưu trữ thể rắn, với giá thành thấp hơn

6

 Tốc độ truy cập dữ liệu thấp hơn so với ổ lưu trữ thể rắn và có khả năng hư hỏng do các phần cơ khí bị lỗi.

+ Ổ lưu trữ thể rắn (SSD)

Hình 1.2 Ổ cứng SDD

 Là loại ổ cứng sử dụng công nghệ lưu trữ flash, không sử dụng các đĩa quay như ổ đĩa cứng

 Sử dụng bộ nhớ flash để lưu trữ dữ liệu, có tốc độ truy cập dữ liệu nhanh hơn

và tăng hiệu suất cho hệ thống

 Có khả năng tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với ổ đĩa cứng và độ bền và độ tincậy cao hơn

 Dung lượng lưu trữ có thể thấp hơn so với ổ đĩa cứng và có giá thành cao hơn

7

TIỂU LUẬN KĨ NĂNG THUYẾT Trình-ÁP…kiến trúc

máy tính 100% (6)

7

ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP MÔN KIẾN TRÚC MÁ…kiến trúc

-máy tính 100% (2)

74

Internal Memory - Bộ slide bài giảng môn…kiến trúc

máy tính 100% (2)

45

Fujitsu Server Primergy RX2540 M5kiến trúc

máy tính 100% (2)

13

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ Ổ CỨNG HDD VÀ Ổ LƯU TRỮ SSD

2.1 Công nghệ ổ cứng HDD

2.1.1 Nguyên lý hoạt động của ổ cứng HDD

Ổ cứng HDD (Hard Disk Drive) là một thiết bị lưu trữ dữ liệu lớn được sử dụng rộng rãi trong các máy tính và thiết bị lưu trữ khác Đây là cách hoạt động của ổ cứng HDD:

+ Đĩa từ: Ổ cứng HDD chứa một hoặc nhiều đĩa từ (platter) được làm từ vật liệu từ tính Mỗi đĩa từ được chia thành các vùng dữ liệu (sector), được lưu trữ dưới dạng các mẫu từ trên bề mặt đĩa từ

+ Cánh đọc/ghi: Mỗi đĩa từ được đọc và ghi thông qua một cánh đọc/ghi (read/write head) được gắn trên một cánh tay (arm) di chuyển trên bề mặt đĩa từ Cánh đọc/ghiđược điều khiển bởi một động cơ điện và được định vị chính xác bằng các cảm biến từ

+ Đọc dữ liệu: Khi đĩa từ quay, cánh đọc/ghi di chuyển lên hoặc xuống trên bề mặt đĩa từ để đọc hoặc ghi dữ liệu Để đọc dữ liệu, cánh đọc/ghi đọc các mẫu từ trên bềmặt đĩa từ và chuyển chúng thành dữ liệu số

+ Ghi dữ liệu: Khi ghi dữ liệu, cánh đọc/ghi sử dụng một mẫu từ để ghi dữ liệu lên đĩa từ Các mẫu từ được sắp xếp theo cách đặc biệt để đảm bảo tính toàn vẹn của

dữ liệu được lưu trữ

+ Điều khiển: Tất cả các hoạt động của ổ cứng HDD được điều khiển bởi một bộ điều khiển (controller) được tích hợp trên ổ cứng Bộ điều khiển quản lý các hoạt động của động cơ, cánh tay, cánh đọc/ghi và các bộ đệm dữ liệu trong ổ cứng

2.1.2 Các thành phần chính của ổ cứng HDD

Các thành phần chính của ổ cứng HDD bao gồm:

+ Đĩa từ (Platter): Đây là thành phần chính của ổ cứng, là nơi lưu trữ dữ liệu Ổ cứngHDD thường có nhiều đĩa từ được lắp chồng lên nhau

+ Cánh đọc/ghi (Read/Write Head): Các cánh đọc/ghi được gắn trên các cánh tay và

di chuyển lên và xuống trên bề mặt đĩa từ để đọc hoặc ghi dữ liệu

+ Cánh tay (Arm): Các cánh tay giúp di chuyển các cánh đọc/ghi trên bề mặt đĩa từ.+ Động cơ quay (Spindle Motor): Động cơ quay đảm bảo đĩa từ quay ổn định với tốc

độ xác định

8

+ Bộ điều khiển (Controller): Bộ điều khiển quản lý các hoạt động của động cơ, cánhtay, cánh đọc/ghi và các bộ đệm dữ liệu trong ổ cứng.

+ Bộ đệm (Buffer): Bộ đệm là nơi lưu trữ tạm thời dữ liệu được đọc hoặc ghi vào ổ cứng trước khi được chuyển đến bộ xử lý

Hình 2.1 Thành phần chính của ổ cứng HDD

Tất cả các thành phần trên cùng nhau hoạt động để đọc và ghi dữ liệu trên đĩa từ, giúp ổ cứng lưu trữ và truy xuất dữ liệu một cách nhanh chóng và hiệu quả

2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ ổ cứng HDD

- Ưu điểm của công nghệ ổ cứng HDD:

+ Chi phí thấp: Ổ cứng HDD có giá thành thấp hơn so với các loại ổ cứng khác như

ổ cứng SSD hoặc ổ cứng SSHD

+ Khả năng lưu trữ lớn: Ổ cứng HDD có khả năng lưu trữ dữ liệu lớn hơn so với các loại ổ cứng khác

+ Tính ổn định: Ổ cứng HDD có thể chịu được sự rung động và va chạm nhỏ, do đó

nó rất ổn định và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt

- Nhược điểm của công nghệ ổ cứng HDD:

9

+ Tốc độ truy xuất chậm: Tốc độ truy xuất của ổ cứng HDD thấp hơn so với các loại

ổ cứng khác, đặc biệt là ổ cứng SSD

+ Tiếng ồn: Do cơ chế hoạt động của nó, ổ cứng HDD thường phát ra tiếng ồn khi hoạt động, đặc biệt là trong quá trình đọc và ghi dữ liệu

+ Dễ bị hư hỏng: Ổ cứng HDD có nhiều bộ phận chuyển động và do đó có khả năng

bị hỏng nhanh hơn so với các loại ổ cứng khác

+ Tiêu thụ năng lượng cao: Ổ cứng HDD tiêu thụ năng lượng cao hơn so với các loại

ổ cứng khác, do đó có thể làm tăng chi phí sử dụng

2.1.4 Ổ cứng HDD đang thịnh hành hiện nay

Ổ cứng HDD 3.5 inch: đây là loại ổ cứng phổ biến nhất, có kích thước 3.5 inch, được sử dụng chủ yếu cho máy tính để bàn Các thương hiệu phổ biến của ổ cứng HDD 3.5 inch bao gồm Seagate, Western Digital, Toshiba, Hitachi, :

+ Ổ cứng HDD 2.5 inch: đây là loại ổ cứng nhỏ gọn hơn, có kích thước 2.5 inch, được sử dụng chủ yếu cho laptop và các thiết bị di động Các thương hiệu phổ biếncủa ổ cứng HDD 2.5 inch bao gồm Seagate, Western Digital, Toshiba, HGST, + Ổ cứng HDD Enterprise: đây là loại ổ cứng được thiết kế cho các doanh nghiệp, cókhả năng hoạt động liên tục và bền bỉ trong môi trường làm việc đòi hỏi độ tin cậy cao Các thương hiệu phổ biến của ổ cứng HDD Enterprise bao gồm Seagate, Western Digital, Toshiba, HGST,

+ Ổ cứng HDD NAS: đây là loại ổ cứng được thiết kế để sử dụng trong hệ thống lưu trữ mạng NAS (Network Attached Storage), có khả năng hoạt động liên tục và bền

bỉ Các thương hiệu phổ biến của ổ cứng HDD NAS bao gồm Seagate, Western Digital, Toshiba, HGST,

+ Ổ cứng HDD Gaming: đây là loại ổ cứng được thiết kế dành riêng cho game thủ,

có tốc độ đọc/ghi nhanh, giúp giảm thiểu thời gian tải game và tăng hiệu suất khi chơi game Các thương hiệu phổ biến của ổ cứng HDD Gaming bao gồm Seagate, Western Digital, Toshiba,

2.2 Công nghệ ổ lưu trữ SSD

2.2.1 Nguyên lý hoạt động của ổ lưu trữ SSD

Ổ lưu trữ SSD (Solid State Drive) hoạt động khác với ổ cứng HDD (Hard Disk Drive) vì nó không dùng các đĩa quay và đầu đọc/ghi để lưu trữ dữ liệu Thay vào đó,

10

SSD sử dụng bộ nhớ flash NAND để lưu trữ dữ liệu Sau đây là nguyên lý hoạt động của

ổ lưu trữ SSD:

Hình 3.1 Nguyên Lý hoạt động của SDD

+ Bộ điều khiển: Mỗi ổ SSD có một bộ điều khiển (controller) để quản lý các hoạt động của nó Bộ điều khiển này giúp kiểm soát truy cập đến các phần của ổ đĩa và giảm thiểu tình trạng mất dữ liệu

+ Bộ nhớ NAND: SSD sử dụng bộ nhớ flash NAND để lưu trữ dữ liệu Bộ nhớ này được chia thành các khối lưu trữ (blocks) và các trang (pages) Mỗi trang có dung lượng nhỏ, thường là 4 KB hoặc 8 KB, trong khi mỗi khối có dung lượng lớn, thường là từ 256 KB đến 4 MB

+ Các phép toán đọc/ghi: Khi một tập tin hoặc dữ liệu cần được lưu trữ vào SSD, bộ điều khiển sẽ lưu trữ dữ liệu vào các trang bộ nhớ trống Khi các trang này không còn đủ dung lượng, bộ điều khiển sẽ tự động tạo thêm các trang mới Khi một tập tin hoặc dữ liệu cần được truy xuất, bộ điều khiển sẽ tìm kiếm và đọc các trang chứa dữ liệu và trả về cho máy tính

+ Cơ chế wear leveling: Một vấn đề phổ biến với bộ nhớ flash NAND là các khối lưutrữ sẽ bị mòn sau một thời gian sử dụng dài Wear leveling là một cơ chế quản lý

dữ liệu trong SSD, giúp phân bổ các khối lưu trữ đến các trang bộ nhớ khác nhau

để giảm thiểu tình trạng mòn của bộ nhớ

11

+ Vì không sử dụng các bộ phận cơ học như ổ cứng HDD, SSD có tốc độ truy xuất

dữ liệu nhanh hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn Ngoài ra, SSD cũng ít bị lỗi hơn

và có độ bền cao hơn do không có các bộ phận chuyển động bên trong

2.2.2 Các thành phần chính của ổ lưu trữ SSD

Các thành phần chính của ổ lưu trữ SSD (Solid State Drive) bao gồm:

+ Bộ điều khiển (Controller): Đây là thành phần quan trọng nhất của SSD và có chứcnăng điều khiển toàn bộ hoạt động của ổ đĩa Bộ điều khiển quản lý việc đọc/ghi

dữ liệu, xử lý và kiểm soát truy cập dữ liệu vào và ra khỏi bộ nhớ flash Nó cũng giúp bảo vệ dữ liệu khỏi sự mất mát hoặc hư hỏng

Hình 3.2 Thành phần chính của ổ SSD

+ Bộ nhớ flash NAND: Đây là bộ nhớ flash đặc biệt được thiết kế để sử dụng trong ổđĩa SSD Bộ nhớ này chứa các trang và khối lưu trữ, mỗi trang có dung lượng thường là 4KB hoặc 8KB, trong khi mỗi khối lưu trữ thường có dung lượng từ 256KB đến 4MB Bộ nhớ flash NAND được sản xuất dưới dạng chip riêng lẻ và được gắn trực tiếp vào bo mạch chủ của ổ đĩa

12

+ Bộ nhớ đệm (Cache): Bộ nhớ đệm được sử dụng để tăng tốc độ đọc/ghi dữ liệu Nólưu trữ tạm thời các dữ liệu được truy cập thường xuyên để giảm thiểu thời gian truy cập và tăng tốc độ đọc/ghi.

+ Các bộ phận điện tử: SSD có nhiều bộ phận điện tử khác nhau, bao gồm bộ khuếchđại (Amplifier), bộ điều phối (Regulator), bộ điều tiết (Balancer), mạch điện trở và các bộ điều khiển đồng bộ hóa Các bộ phận này giúp kiểm soát dòng điện, điều chỉnh và cân bằng trạng thái của các trang bộ nhớ và giảm thiểu sai sót trong quá trình truy cập dữ liệu

+ Giao diện: SSD kết nối với máy tính thông qua các giao diện khác nhau như SATA,NVMe, PCIe, USB hoặc Thunderbolt Giao diện được sử dụng phụ thuộc vào loại

ổ đĩa và các yêu cầu kết nối của hệ thống

2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ ổ lưu trữ SSD

- Ưu điểm của công nghệ ổ lưu trữ SSD:

+ Tốc độ đọc/ghi nhanh: SSD có tốc độ đọc/ghi nhanh hơn rất nhiều so với ổ đĩa cứng truyền thống Điều này cho phép các ứng dụng và hệ thống hoạt động nhanh hơn, giảm thời gian chờ đợi và tăng hiệu suất làm việc

+ Tiết kiệm điện năng: SSD tiêu thụ ít điện hơn so với ổ đĩa cứng truyền thống Điều này làm giảm chi phí sử dụng điện và giúp kéo dài tuổi thọ của pin trên các thiết bị

di động

+ Không có bộ phận cơ học: SSD không có bộ phận cơ học, do đó nó ít bị hư hỏng hơn và ít gây tiếng ồn hơn so với ổ đĩa cứng truyền thống Nó cũng cho phép chịu được va đập và rung lắc tốt hơn

+ Kích thước nhỏ gọn: SSD có kích thước nhỏ gọn hơn so với ổ đĩa cứng truyền thống, cho phép các thiết bị như laptop, máy tính bảng, điện thoại di động và máy chủ được thiết kế nhỏ gọn hơn

- Nhược điểm của công nghệ ổ lưu trữ SSD:

+ Giá thành cao: SSD có giá thành cao hơn so với ổ đĩa cứng truyền thống, do đó chúng khó có thể trở thành một lựa chọn phổ biến cho người dùng thông thường.+ Số lần ghi giới hạn: SSD có số lần ghi giới hạn, điều này có nghĩa là nó có thể bị hỏng nếu được sử dụng quá nhiều lần Tuy nhiên, điều này không phải là vấn đề

13