những điều cần biết về SDD

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

lệch về kích thước ghi có thể gây ảnh hưởng xấu đến tốc độ chung: việc gửi 32MB dữ liệu chia làm các gói 1MB có thể đạt tốc độ 80MB/giây, gấp ba lần so với tốc độ gửi 32MB chia làm các gói 4KB Do kích thước trung bình của các gói dữ liệu ghi chưa đến 50KB nên nhiều người dùng thường cảm thấy thất vọng với tốc độ I/O

Các nhà nghiên cứ hy vọng sẽ cải tiến được NAND để tốc độ gửi các gói dữ liệu nhỏ đuổi kịp tốc độ ổ truyền thống, nhưng một thực tế là đối với ổ NAND, bước tiến trong tốc độ ghi sẽ chỉ làm lợi cho việc ghi gói dữ liệu lớn

mà thôi

Đọc dữ liệu

Các loại ổ SSD hiện có trên thị trường đều có tốc độ Đọc và Ghi ban đầu tương tự nhau, nhưng nếu sử dụng kích thước khối hợp lý thì tốc độ đọc có thể tăng thêm 25% Ấn tượng hơn, tốc độ Ghi đang ngày càng tăng và đã phá vỡ ngưỡng 200MB/giây chỉ trong vòng 9 tháng

Tuy tốc độ Đọc của ổ SSD cao hơn so với tốc độ Ghi, nhưng nó vẫn gặp khó

khăn trong việc đọc các gói dữ liệu nhỏ.

Để đến được với đại đa số người dùng, NAND đã phải bỏ bớt một số tính năng khiến NOR có tốc độ Đọc nhanh hơn tốc độ Ghi Trong đó chủ yếu là

việc loại bỏ công nghệ eXecute in Place (XIP) cho phép bộ nhớ được thực

thi trực tiếp trong không gian flash Giờ đây NAND phải copy dữ liệu được yêu cầu sang RAM hệ thống trước khi nó được chạy

Rõ ràng việc chuyển dữ liệu để thao tác như vậy không phải là một giải pháp hiệu quả cho lắm, nhưng cách làm này không ảnh hưởng lớn cho tốc độ Đọc như cho tốc độ Ghi Đó là bởi việc đọc dữ liệu phụ thuộc vào tốc độ DRAM Tuy thời gian trễ của DDR2-SDRAM thấp hơn so với bộ nhớ NAND với tốc

độ 60ns, nhưng tốc độ DRAM vẫn vượt quá 1100MB/giây và bộ nhớ Flash

có tốc độ Đọc 200MB/giây

Tuy trông có vẻ nhanh nhưng tốc độ đọc liên tục lại đang giảm dần bởi mỗi khối dữ liệu cần được Đọc toàn bộ và theo thứ tự, cũng giống như việc một người bình thường có thể tìm một trang sách nhanh hơn so với đọc một trang sách thì SSD cũng như vậy

Cả tốc độ đọc ngẫu nhiên cũng đã tăng lên rất nhiều Với khả năng truy cập trên 1000 file mỗi phút và thời gian tìm kiếm 0.1ns, tốc độ Đọc dữ liệu đã đạt 250MB/giây và vẫn tiếp tục tăng Điều này đồng nghĩa với việc các công việc như mở ứng dụng, mở file nhỏ và thậm chí cả load file theo yêu cầu trong game cũng trở nên rất nhanh chóng

Kẻ thù thực sự của ổ SSD

Rõ ràng là những điểm yếu trong thiết kế đã kìm hãm sự phát triển của NAND, nhưng bây giờ chúng ta mới đi sâu vào vấn đề này Nhược điểm lớn nhất của bộ nhớ flash là việc môi trường ổ cứng hiện nay hoàn toàn không được chuẩn bị để thích ứng với công nghệ flash Môi trường này hầu như không thay đổi gì kể từ đầu thập niên 90 của thế kỷ trước, và Serial ATA cũng như dung lượng từ tính ngày càng tăng cũng chẳng thay đổi được cách chúng ta nhìn nhận về ổ cứng

Cluster

Phương pháp lưu trữ ngày nay giả định rằng một ổ cứng cơ học ban đầu là một tập hợp đơn các bit gắn liền thành một khối chứ không tách rời thành các khối như trong NAND Hệ điều hành hoạt động dựa trên một lớp tưởng tượng mang tên hệ thống file để chia khối dữ liệu này thành những mẩu dữ

liệu nhỏ hơn gọi là cluster Và các hệ điều hành thường dựa quá nhiều vào

hệ thống file đến nỗi bạn không thể đọc được file đã lưu nếu không có hệ thống file này

Tuy có rất nhiều hệ thống file có thể sử dụng được, nhưng hệ thống file

FAT32 trong Windows 95 OSR2 ra đời năm 1996 với kích thước cluster

4KB vẫn là thành công nhất Sở dĩ kích thước 4KB được chọn là bởi khi đó hầu hết các file đều có kích thước nhỏ nên 4KB giúp giảm bớt phần phần

lưu trữ bị hao phí rất lớn mà cluster 32KB của FAT16 gặp phải Và kích

thước này đã được duy trì sang cả NTFS, hệ thống file dành cho Windows

2000, XP và Vista

Nhưng giờ đây chúng ta đang sống trong một thế giới mà nhiều khi chỉ riêng một file cũng có thể không chứa vừa trong một chiếc ổ cứng thời FAT32 đời

cũ nhất Tuy các file này vẫn có thể đặt vừa trong cluster 4KB NAND khi

được chia nhỏ, nhưng điều quan trọng hơn ở đây là các thiết bị flash có thể thao tác 1MB dữ liệu nhanh như khi ổ cứng cơ học thao tác 4KB

Giải pháp cho vấn đề này là tăng kích cỡ cluster, việc này đem lại một số lợi

ích sau đây:

 Giảm độ phức tạp của hệ thống file; ít cluster hơn đồng nghĩa với việc

máy tốn ít công sức tổ chức cluster hơn

 Tăng tốc độ Đọc và Ghi bởi kích thước cluster tỉ lệ thuận với kích

thước khối

 Giảm không gian hao phí nếu hệ thống gồm quá nhiều file lớn

Tuy nhiên việc tăng kích thước cluster không hẳn là một liều thuốc tiên cho

ổ SSD, bởi hầu hết chúng ta đều thu nhận nhiều loại thông tin khác nhau mỗi ngày Game thường chứa rất nhiều file nhỏ, hệ điều hành cũng là tổng hợp của nhiều file nhỏ, nhưng phim, nhạc và Game Online nhiều người chơi lại

là ứng cử viên hoàn hảo cho cluster kích thước lớn Và việc tập hợp nhiều cluster lớn trong một hệ điều hành Windows hiện đại cũng phức tạp chẳng kém việc quản lý hàng loạt cluster nhỏ Để làm được việc đó bạn phải cần

đến những chương trình như Acronis Disk Director – giúp tăng kích thước

cluster trước khi cài Windows, ngoài ra còn giúp điều chỉnh kích cỡ cluster

sẵn có Tuy nhiên tỉ lệ thành công của cách làm này hết sức thất thường

Mạch điều khiển ổ cứng

Các mạch điều khiển ổ cứng ngày nay, như kích thước cluster, đều được

thiết kế cho các loại ổ cơ học khá đơn giản, tron đó giả định rằng hệ điều hành vẫn tiếp tục quản lý I/O đĩa, và phép tính dữ liệu có thể được thực thi

bên trong không gian đĩa Tuy nhiên cách làm này đã không tính đến việc ổ flash thường tự quản lý và buộc phải trao đổi một lượng lớn giữ liệu do hệ

số ghi

Có rất nhiều cách để cải thiện khả năng quản lý ổ SSD Một công nghệ của Intel mang tên Khuếch đại tốc độ ghi đã giảm hệ số ghi xuống chỉ bàng 1.1 lần kích thước ghi dự định, giúp giảm gánh nặng lên bus SATA, hệ thống phụ DRAM, cũng như cách lưu trữ cluster của ổ

Tuy nhiên hệ thống điều khiển phần cứng chỉ là một nửa của vấn đề

Windows, Linux và cả các hệ điều hành khác đều phải chịu trách nhiệm đưa

dữ liệu đến mạch điều khiển để quản lý, hầu hết trong số chúng đều chưa được tối ưu hóa cho bộ nhớ flash

Những điều cần biết về SSD (phần 1)

Những điều cần biết về SSD (phần 2)

Đặc biệt Windows được trang bị rất kém cho việc liên lạc với ổ flash hiện tại, chứ chưa nói tới các loại ổ sau này Việc Windows vẫn được chọn làm nền tảng kiểm định hàng đầu cho ổ flash khiến nhiều người không khỏi thắc mắc liệu trong việc ổ flash mang tiếng có tốc độ chậm chạp có bao nhiêu phần lỗi của bản thân ổ

Windows không phải là kẻ duy nhất có lỗi khi cung cấp mạch điều khiển băng thông quá đỗi nghèo nàn, mà các máy tính sử dụng Windows còn đặc

biệt gây gánh nặng lên ổ Chứa đầy những indexing, swapping, buffering, caching và tối ưu hóa background, Windows vẫn nổi tiếng về khả năng tra

tấn thiết bị flash Khả năng tương tác kém với ổ SSD cũng là một dấu hiệu

rõ ràng cho tháy môi trường ổ đĩa hiện tại được xây dựng dựa trên một loại ổ khác hoàn toàn là ổ cứng cơ học

Các hạn chế của ổ SSD

Tuổi thọ của ổ từ tính được đánh giữa dựa trên thời gian trung bình giữ những lần hỏng (MTBF), thường thì con số này vượt quá một triệu giờ sử dụng liên tục Còn dòng Raptor 10k danh tiếng của Western Digital thì hoạt động được trên 1.2 triệu giờ MTBF, tương đương 137 năm Tuy đơn vị MTBF hay ở chỗ nó không tính đến thời gian hỏng vĩnh viễn của sản phẩm, nhưng nó vẫn là một minh chứng cho tính bền vững tương đối của ổ cơ học Chúng ta vẫn biết rằng ổ cơ học hiếm khi sống quá 10 năm kể từ ngày mua,

và càng nhỏ hơn so với một thế kỷ, nhưng mọi người vẫn cảm thấy thoải mái với tuổi thọ ngắn này bởi không ai có thể biết trước được ngày chết của

nó Trái lại, tuổi thọ của ổ SSD không chỉ bị giới hạn rõ ràng mà còn là một trong những tính năng được nhắc đến nhiều nhất trong quá trình phát triển Mới đây Intel đã quyết định nhảy vào thị trường SSD và làm toàn ngành chế tạo Flash SSD kinh ngạc với lời hứa tạo ra một loại ổ chịu được chu kì 100.000 lần Ghi

Chu kì Ghi , hay số lần mà một khối flash có thể được xóa rồi lập trình lại, quả là một quy trình mệt nhọc đối với ổ flash Việc cung cấp hơn 10V điện chỉ để cho một thành phần nhỏ nhặt như vậy khiến cho các ô nhớ chịu áp lực rất lớn đến nỗi chúng ngày càng xuống cấp Khi không còn khả năng thu