Làm cách nào chiếc SSD nhỏ xíu trong máy tính của anh em lưu trữ được hàng trăm, hàng nghìn GB?

Khi đọc những quảng cáo và giới thiệu các sản phẩm SSD mới ra mắt thị trường, anh em thường đọc được những cụm từ viết tắt, mô tả công nghệ gia công chip nhớ NAND. Ngày xưa thì dùng planar NAND xếp các cell nhớ dưới dạng phẳng. Giờ đã có công nghệ 3D NAND chồng các lớp cell nhớ lên, tăng mật độ lưu trữ cho mỗi chip NAND. Rồi thì cũng là công nghệ cell nhớ, chúng ta có MLC, TLC và QLC.

Hãy tạm gác tất cả những cụm từ phức tạp ấy qua một bên, để giải đáp câu hỏi cơ bản nhất. Nhờ đâu một chiếc ổ cứng nhỏ và mỏng như một cái kẹo cao su lại có thể lưu trữ lượng dữ liệu bằng cả chiếc ổ cơ cồng kềnh?

Ổ cơ đĩa từ - HDD

Ban đầu, công nghệ lưu trữ trên máy tính cá nhân dần hoàn thiện dựa trên công nghệ đĩa từ. Một chiếc ổ cứng lưu trữ dữ liệu trên những đĩa từ quay với tốc độ rất cao. Chân đọc/ghi trên chiếc ổ cứng sẽ di chuyển tới đúng vị trí dữ liệu nằm trên đĩa từ để đọc dữ liệu có sẵn hoặc ghi dữ liệu mới lên đĩa.

Vì đầu đọc luôn phải nằm ở đúng vị trí ngay phía trên nơi đĩa từ lưu trữ dữ liệu, nên đĩa từ bên trong ổ cứng luôn luôn phải quay. Và vì thế, luôn có độ trễ trước khi dữ liệu được truy xuất. Trong trường hợp những phần mềm hoặc dữ liệu dung lượng lớn, lưu trữ trên nhiều vị trí của đĩa từ, đầu đọc sẽ phải tìm tới đúng vị trí của từng mảnh dữ liệu ở nhiều vị trí khác nhau trước khi khởi động một phần mềm hoặc tải một tệp tin. Và nếu ổ cứng đang trong trạng thái nghỉ hoặc tiêu thụ điện thấp, sẽ phải đợi vài giây trước khi đĩa xoay tới tốc độ lý tưởng để vận hành.

Ngay từ đầu, công nghệ đĩa từ trong ổ cứng luôn chậm hơn tốc độ chip CPU vận hành. Độ trễ trong HDD được tính theo đơn vị mili giây, còn độ trễ trong việc xử lý thông tin trong CPU chỉ tính theo đơn vị nano giây, nhanh hơn gấp 1 triệu lần. Ổ HDD thông thường cần 10 đến 15 ms để tìm dữ liệu trên đĩa từ và bắt đầu đọc.

Giới hạn của HDD là giới hạn cơ bản của vật lý. Các hãng sau này có giải pháp tạo ra đĩa từ nhỏ hơn, bộ nhớ đệm flash trên ổ, và cả tốc độ quay của đĩa từ cao hơn để giải quyết giới hạn này. Nhưng tối đa bây giờ ổ HDD tiêu dùng như Western Digital VelociRaptor cũng chỉ đạt tốc độ 10.000 vòng mỗi phút. Ổ cứng doanh nghiệp có thể đạt ngưỡng 15.000 vòng mỗi phút.

Vấn đề là dù quay có nhanh đến đâu đi chăng nữa, bộ nhớ đệm lớn tới đâu, thì tốc độ truy xuất dữ liệu của HDD vẫn là quá chậm so với tốc độ xử lý của CPU.

SSD khác như thế nào?

Gọi là “ổ cứng thể rắn” đơn giản vì những sản phẩm như thế này không phụ thuộc vào 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 vào một số lượng NAND flash. Để tạo ra NAND, cần gia công những transistor dạng floating gate. Không giống như transistor dùng sản xuất chip nhớ DRAM, NAND flash là một dạng bộ nhớ điện tĩnh, ngắt nguồn điện vẫn giữ được dữ liệu, chứ không mất hết như trong những chip, những thanh RAM.



Trong một cell flash lưu trữ, electron được lưu trong floating gate, với hai giá trị 0 hoặc 1. Trong chip NAND flash, giá trị 1 tương đương cell không có dữ liệu lưu trữ, và 0 là có dữ liệu lưu trữ, ngược với logic thông thường, vì là hàm Not-And (NAND). Những cell NAND được đặt thành từng lưới. Toàn bộ lưới cell NAND được gọi là một block, và mỗi hàng cell NAND xếp thành lưới gọi là page.

Mỗi page thường có dung lượng 2K, 4K, 8K hoặc 16K. Một block cấu thành từ khoảng 128 đến 256 page, vậy là có dung lượng dao động từ 256 kB đến 4MB.

Lợi thế đầu tiên của SSD so với HDD là rất rõ ràng. Không có bộ phận chuyển động cơ học, tốc độ của SSD luôn cao hơn nhiều so với HDD. Ví dụ dưới đây là biểu đồ so sánh những công nghệ chip NAND khác nhau so với HDD và RAM, tính theo pico giây, tức là một phần triệu giây:



Nhìn biểu đồ trên, rõ ràng NAND không bao giờ có được tốc độ như DRAM, nhưng vẫn là giải pháp lưu trữ hoàn hảo thay thế cho HDD về mặt tốc độ. Dù tốc độ ghi dữ liệu vào chip NAND luôn chậm hơn tốc độ đọc, nhưng vẫn cứ là nhanh hơn nhiều so với HDD.

Bảng so sánh ở trên có hai thứ cần để ý. Đầu tiên anh em hãy để ý việc cell càng có dung lượng bit lưu trữ lớn, độ trễ càng cao, tốc độ càng bị ảnh hưởng, kể cả là đọc và ghi, nhưng tốc độ ghi bị ảnh hưởng tệ hơn. Ví dụ những chip NAND công nghệ cell TLC (triple level cell) có độ trễ đọc cao hơn 4 lần so với SLC (single level cell), nhưng độ trễ ghi dữ liệu cao hơn tới 6 lần. Độ trễ khi xóa dữ liệu lưu trữ cũng bị ảnh hưởng tương tự.

So sánh TLC với MLC (multi layer cell), dù có khả năng lưu trữ dữ liệu nhiều hơn 50%, nhưng tốc độ NAND TLC chậm hơn 100%. Tương tự như vậy là với QLC, mỗi cell lưu trữ được tới 4 bit dữ liệu.

Giải thích cho điều này, TLC NAND chậm hơn vì cách dữ liệu di chuyển ra vào từng cell NAND. Với cell NAND SLC, controller chỉ cần biết giá trị bit là 0 hay là 1. Với MLC, mỗi cell sẽ có 4 khả năng: 00, 01, 10 hoặc 11. Rồi tới NAND TLC, cell có thể lưu trữ 8 giá trị khác nhau, và QLC là 16 giá trị. Đọc đúng giá trị yêu cầu bộ điều khiển phải dùng đúng điện năng để xác định liệu cell có chứa dữ liệu hay không.

Đọc, ghi và xóa dữ liệu

Một giới hạn trong vận hành của SSD là, đọc hoặc ghi dữ liệu thì rất nhanh, nhưng ghi đè dữ liệu thì tương đối chậm. Lý do là vì SSD có thể đọc và ghi dữ liệu ở tầng page, từng hàng cell NAND cụ thể, còn xóa thì chỉ có thể làm được ở tầng block. Xóa dữ liệu trên NAND flash cần điện áp cao hơn so với khi đọc và ghi.

Trên lý thuyết, vẫn có thể xóa dữ liệu lưu trữ trong cell NAND ở tầng page, nhưng điện áp cần thiết sẽ gây áp lực rất lớn cho những cell NAND xung quanh, gây ra tình trạng hư hỏng dữ liệu không mong muốn. Để giải quyết điều này, các hãng chọn cách chỉ cho xóa dữ liệu từ tầng block.



Cách duy nhất để SSD cập nhật dữ liệu cho một page là copy toàn bộ block vào bộ nhớ đệm, xóa block đó, rồi ghi lại dữ liệu của cả block cộng với dữ liệu mới được cập nhật cho page. Nếu ổ đầy, không còn page nào dư để ghi dữ liệu, SSD đầu tiên sẽ đi tìm những block được đặt lệnh xóa nhưng chưa bị xóa, rồi xóa bỏ dữ liệu lưu trữ trong đó, và cuối cùng là ghi dữ liệu trên những page đang trống.

Đó là lý do vì sao SSD dùng về lâu dài bị ảnh hưởng tới tốc độ. Một ổ SSD nhiều block NAND trống sẽ cho phép ghi dữ liệu rất nhanh, còn ổ SSD gần đầy sẽ phải trải qua quá trình xóa/ghi dữ liệu như mô tả ở trên.

Anh em dùng SSD có thể đã có lần nghe tới khái niệm “garbage collection”. Đây là một quá trình chạy nền, cho phép ổ cứng giới hạn tác động tiêu cực tới hiệu năng ổ do quá trình đọc/ghi/xóa dữ liệu diễn ra, bằng cách chạy vài tác vụ nền. Một ví dụ “garbage collection” trông sẽ như thế này:



Trong ví dụ trên, ổ SSD tận dụng khả năng ghi rất nhanh dữ liệu vào page trống (A', B', C', D') để thay thế cho dữ liệu ở page A đến D. Cùng lúc, nó cũng ghi thêm dữ liệu cho 4 page E đến H. Giờ dữ liệu ở page A, B, C và D trở thành dữ liệu cũ, cần xóa đi. Trong khi máy tính nghỉ ngơi, SSD sẽ chuyển hết 8 page E đến H và A' đến D' sang một block Y mới hoàn toàn, rồi sau đó xóa sạch block X cũ. Đến lần kế tiếp, block X sạch trơn sẽ sẵn sàng để quá trình kể trên lặp lại.

Thứ tiếp theo cần nhắc tới là TRIM. Trong Windows 11, mỗi lần anh em xóa một tệp tin trên ổ cứng HDD, tệp tin này sẽ không biến mất khỏi đĩa từ ngay lập tức. Thay vào đó, hệ điều hành sẽ ra lệnh cho HDD, rằng nó có thể ghi đè khu vực đĩa từ lưu trữ thông tin vừa “bị xóa” nếu muốn ghi dữ liệu lên đĩa từ. Nhờ đó, có thể đảo ngược quá trình xóa dữ liệu này, và cũng là lý do vì sao xóa dữ liệu trong Windows sẽ không tạo ra bộ nhớ lưu trữ trống cho tới khi anh em thực hiện thao tác dọn Recycle Bin.



Trên HDD, phần mềm và hệ điều hành không quan tâm tới việc dữ liệu được ghi vào đâu trên đĩa từ của HDD. Còn với SSD, điều này quan trọng hơn.

Nhờ lệnh TRIM, hệ điều hành có thể ra lệnh cho SSD rằng nó có thể bỏ qua việc ghi đè những dữ liệu cụ thể nếu muốn xóa dữ liệu trên một block NAND. Nhờ lệnh TRIM, SSD sẽ không phải ghi dữ liệu quá nhiều, từ đó giúp tăng tuổi thọ ổ cứng thể rắn. Đọc và ghi dữ liệu trên SSD đều ảnh hưởng tuổi thọ thiết bị, nhưng ghi dữ liệu tạo ra tác động tiêu cực hơn. Cũng may là, tuổi thọ NAND ở tầng block giờ không còn là nỗi lo của những chip NAND flash và SSD thương mại nữa.

Write amplification và Wear leveling

Như đã nói, SSD ghi dữ liệu ở tầng page, nhưng xóa ở tầng block, lượng dữ liệu ghi lên mỗi block luôn lớn hơn lượng dữ liệu thực tế cần ghi vào ổ cứng. Lấy ví dụ muốn thay đổi một tệp tin 4KB, toàn bộ (những) block lưu trữ tệp tin 4KB ấy sẽ được ghi đè. Phụ thuộc vào số lượng page mỗi block, và kích thước page, có khi để ghi đè một tệp tin 4KB, SSD sẽ ghi tổng cộng tới 4MB dữ liệu. Đó là write amplification.

Cả lệnh TRIM lẫn tác vụ Garbage Collection mô tả ở trên đều được ứng dụng để giảm thiểu tác động của write amplification. Còn về phần anh em, giữ ổ SSD trống ở một ngưỡng nhất định sẽ giúp giảm thiểu tác động tiêu cực của write amplification đối với tuổi thọ ổ.



Còn trong khi đó, wear leveling là một giải pháp đảm bảo mọi block NAND trên một chip nhớ, hay rộng hơn là của cả chiếc SSD được sử dụng một cách đồng đều, không có block nào liên tục bị ghi và xóa, cũng không có block nào luôn luôn được nghỉ ngơi không phải làm việc.

Cùng lúc, wear leveling đảm bảo tuổi thọ của từng block NAND trở nên đồng đều, nhưng tác hại là có thể gia tăng tình trạng wear amplification. Để đảm bảo mọi block NAND lưu trữ dữ liệu đều được vận hành đều đặn, đôi khi cần tới cả việc copy hay ghi đè dữ liệu trên những block không cần truy xuất. Cái này anh em không làm được gì, chỉ có thể phụ thuộc vào hãng sản xuất SSD, họ viết thuật toán wear leveling có tối ưu hay không.

SSD Controller

Vì cách vận hành, nên SSD cũng cần cách điều khiển phức tạp hơn nhiều so với HDD của mấy chục năm qua. Đương nhiên nói vậy không phải để phủ nhận khả năng, mức độ phức tạp và công lao của HDD.

Những thử thách mang tính cơ học, cân bằng được đầu đọc ghi dữ liệu chỉ vài nano mét phía trên đĩa từ, quay ở tốc độ từ năm đến mười nghìn vòng một phút của những chiếc HDD chắc chắn là một trong số những thành tựu đáng nể nhất mà ngành khoa học máy tính từng tạo ra. Và rồi sau đó, các hãng tìm được ra cách tăng dung lượng, giảm giá thành tới cái mức các doanh nghiệp và các tập đoàn lớn giờ vẫn phải cần tới sự bền bỉ và giá thành của HDD, với chi phí chỉ vài cent USD cho mỗi GB dung lượng lưu trữ.



Nhưng khi nói tới SSD, controller của ổ cứng thể rắn lại là một kỳ quan công nghệ khác. Để quản lý từng cell, từng block, từng chip NAND, cần tới sự hiện diện của cả những công nghệ DRAM DDR3 và DDR4. Nhiều ổ SSD còn tích hợp cả bộ nhớ đệm SLC, tăng tốc độ truy xuất dữ liệu, nhờ tốc độ đáng nể của công nghệ single level cell.

Những chip NAND flash được kết nối với controller theo từng kênh song song, và controller sẽ phải thực hiện nhiệm vụ cực kỳ khó khăn là chia đều dữ liệu đọc, ghi và ghi đè lên từng chip NAND. Để dễ so sánh, những việc mà controller phải làm, từ Garbage Collection, TRIM, Wear Leveling mô tả ở trên cũng chẳng khác mấy so với những giải pháp RAID trong lưu trữ doanh nghiệp hay quy mô lớn.



Vài mẫu SSD còn sử dụng thuật toán nén dữ liệu để giảm thiểu tối đa tổng số lần ghi dữ liệu, tăng tuổi thọ ổ cứng. Cũng là controller, nó cho phép chỉnh lỗi, và thuật toán chỉnh lỗi single-bit cho những ổ cứng thể rắn càng lsuc càng phức tạp.

Tất cả những gì mô tả trên đây đều chỉ là sơ bộ, đơn giản vì không một hãng nào muốn hé lộ bí quyết controller họ tạo ra vận hành như thế nào, để rồi rơi vào tay đối thủ cạnh tranh, tạo ra cho họ những lợi thế trong kinh doanh. Anh em chỉ cần hiểu đơn giản là, phần lớn sức mạnh và hiệu năng của chip NAND trong SSD anh em đang dùng phụ thuộc hoàn toàn vào controller.

Tương lai của SSD

Chip NAND có rất nhiều lợi thế so với ổ cứng đĩa từ, nhưng dĩ nhiên cũng có những giới hạn và nhược điểm. Đầu tiên là dung lượng và chi phí lưu trữ cho mỗi GB dữ liệu. Đương nhiên giá SSD rồi sẽ tiếp tục rẻ đi, nhưng sẽ không bao giờ chạm được tới con số đáng nể của HDD ở thời điểm hiện tại, hay trong tương lai gần.

Cùng lúc, việc thu nhỏ tiến trình gia công bán dẫn chip NAND cũng tạo ra những thử thách cho các hãng. Nếu như CPU, GPU hay những con chip xử lý được hưởng lợi từ việc thu nhỏ tiến trình, transistor càng lúc càng sát lại với nhau, thì NAND phải đối mặt với thực tế là chúng sẽ trở nên mỏng manh dễ hỏng hóc hơn. Thời gian lưu trữ và ghi dữ liệu cũng như tuổi thọ của cell NAND sản xuất trên tiến trình 20nm thấp hơn nhiều so với tiến trình 40nm, dù cả mật độ dữ liệu lưu trữ, lẫn tổng dung lượng cả chiếc ổ SSD giờ đã đạt con số trong mơ.



Đến tận thời điểm hiện tại, chúng ta mới chỉ thấy những chip NAND xếp chồng 128 lớp, xếp nhiều hơn vẫn mới chỉ là lý thuyết và thử nghiệm. Cũng may là việc chuyển giao sang công nghệ 3D NAND đã giúp SSD giải quyết vấn đề dung lượng lưu trữ, thay vì ép các hãng phải thu nhỏ tiến trình như khi còn ứng dụng kỹ thuật NAND phẳng (planar).

Đến giờ, các nhà sản xuất SSD đã thành công trong việc tạo ra hiệu năng cao hơn, thông qua những chuẩn kết nối mới, băng thông lớn hơn, controller xử lý được nhiều kênh kết nối với các chip NAND hơn, kết hợp với việc ứng dụng bộ nhớ đệm SLC tốc độ cao. Nhưng rồi trước sau gì một công nghệ như NAND cũng sẽ bị thay thế.



NAND sẽ bị thay thế bởi cái gì, chúng ta vẫn chưa có kết luận. Thời gian qua, cả hai công nghệ magnetic RAM và phase change memory đều đã xuất hiện và chứng tỏ là những ứng cử viên sáng giá. Nhưng cả hai đều đang trong giai đoạn nghiên cứu rất sơ khai, phải vượt qua rất nhiều thử thách mới có thể cạnh tranh được, chứ đừng nói đến chuyện thay thế NAND.

Thêm nữa, người dùng chúng ta có phát hiện ra khác biệt hay không cũng lại là một vấn đề khác. Anh em có thể nhận ra khác biệt rất rõ ràng khi đổi từ HDD lên SSD. Nhưng khi chuyển từ SSD SATA 3, lên PCIe 3.0 rồi 4.0, tốc độ thực sự rất khó đo đạc bằng mắt thường, chỉ có dùng phần mềm benchmark mới thấy được khác biệt.

Tinhte.vn