Đang tải... (xem toàn văn)
những điều cần biết về SDD
Kiến thức máy tính In Gửi viết cho bạn bè Những điều cần biết SSD (phần 1) Thiết bị lưu trữ SSD sẵn sàng xâm chiếm lãnh địa vốn dành cho phương tiện lưu trữ truyền thống Như kết cục tất yếu, SSD xuất với số lượng ngày lớn, chinh phục ngày nhiều kết kiểm định, tạo dựng công ty làm phá sản công ty cũ, rơi tự giá Cuộc cách mạng thị trường non trẻ khiến cịn nghi ngờ khả đạt đến mức độ cạnh tranh xuất sắc SSD Lịch sử cơng nghệ flash Flash có khởi đầu khiêm tốn phịng thí nghiệm Tiến sĩ Dr Fujio Masuoka lúc Toshiba nghiên cứu tìm cách giải nhu cầu nhớ tĩnh giá rẻ dễ dàng lập trình lại Trong q trình kiểm định cơng nghệ này, Shoji Ariizumi - đồng nghiệp Masuoka nhận xét: việc xóa liệu dịng điện (flash) bất ngờ tương tự cú nháy flash camera Và Hội thảo thiết bị điện tử IEEE tổ chức năm 1984 nhớ giới thiệu sử dụng mạch “ NOR “, Ariizumi giữ nguyên tên nên biết đến với tên ‘NOR” Tại hội thảo IEEE năm đó, Intel có mặt nhanh chóng nhận tiềm to lớn công nghệ flash kiểu NOR Đầu tiên, cơng ty có trụ sở Santa Clara định thương mại hóa cơng nghệ lưu trữ loại IEC 256Kb có giá $20 USD, tức $640 USD megabyte Bất chấp giá cắt cổ, xuất nhớ NOR đạt thành cơng ngồi sức tưởng tượng mở đường cho hàng loạt công ty đời Rõ ràng nghiên cứu Toshiba khơi mào cho phát minh vĩ đại nhiều so với dự định ban đầu Tại Hội thảo Solid-State Circuits quốc tế năm 1989, Toshiba với tiến sĩ Fujio Masuoka lại lần gây phấn khích cho người xem việc giới thiệu nhớ flash dạng NAND So với NOR, NAND vượt trội tuổi thọ, tốc độ I/O, với giá thấp kích thước nhỏ Và NOR sản xuất đại trà thiết bị CompactFlash I SanDisk năm 1994, năm sau NAND tiếp bước loạt sản phẩm SmartMedia Toshiba Mặc dù NAND chủ đạo giới nhớ flash, nhiều công ty tiếp tục nghiên cứu phát triển hai dạng flash ( NOR NAND ) Các nhà sản xuất hy vọng sản phẩm họ đáp ứng nhu cầu ngày cao dung lượng người dùng đảm bảo tăng tốc độ, giảm giá thành cải thiện tính tin cậy thiết bị flash Bộ nhớ flash hoạt động Cách hoạt động độc đáo nhớ flash khơng sử dụng đến thành phần hóa học nào, mà đưa liệu đến thẳng Electron ( điện tử ) Để tận dụng Electron này, SSD ô nhớ ( Cell ) flash Mỗi nhớ ( Cell ) có phận chính: Word Line , Bit Line , cổng điều khiển ( Control Gate ) , Floating Gate , lớp oxit, ống dẫn ( Drain ) , nguồn ( Source ) , nối đất ( Ground ) chất Các siêu nhỏ có vai trị viên gạch xây nên tịa nhà flash Có tới hàng triệu ô siêu nhỏ nằm lưới điện Cấu trúc ô flash NAND Các đường thẳng màu đen biểu thị đường dẫn khơng dây có dây Tất nhớ SSD thiết kế để ghi lại trạng thái, độ lớn dòng điện thể chữ số nhị phân Mỗi dịng điện bị ngắt, cơng nghệ khác RAM lưu lại lượng thông tin lập trình chúng khơng có cách giữ lại electron thể thơng tin Ngược lại, NAND bảo toàn trạng thái cách nhốt electron lại quy trình mang tên Fowler-Nordheim Tunneling Quy trình bắt đầu cách đưa dòng điện dương,khoảng 12 V vào Word Line Bit Line Điện tích dương Bit Line hút dòng Electron từ nguồn ( Source ) qua ống dẫn ( Drain ) tạo thành dòng điện tới đất ( Ground ) Trên Word Line , dòng điện đủ mạnh để lấy ( hút ) số Electron mà chạy tới Drain mà tác dụng Bit Line Mặc dù lớp oxit chất cách điện mạnh Electron có khả xuyên thủng mắc kẹt Floating Gate Đây cách nhớ flash nhốt Electron giữ Electron có chứa thơng tin vừa lập trình Chính điện trường (màu xanh) nằm dọc đường dẫn đẩy Electrong xuyên qua lớp oxit mắc kẹt lại Floating Gate Việc đọc thông tin sau ô nhớ flash giao phó cho cảm biến chuyên làm nhiệm vụ so sánh điện Electron bị nhốt với dòng điện tĩnh Nếu dòng điện cổng có độ lớn vượt q 50% dịng điện thời “đóng lại” hiển thị số Cịn dịng điện qua cổng mà không bị cản trở Electron mắc kẹt, cổng “mở” hiển thị số Các khối nhớ flash chứa đến hàng nghìn NAND Mỗi khối sử dụng Word Line Bit Line chung Khai thác ô nhớ flash để lưu trữ liệu Sự khác thiết kế NOR ( bên trái ) NAND ( bên phải ) NAND khác hẳn công nghệ lưu trữ khác NOR hay DRAM khơng thể vừa đọc vừa ghi byte lúc NOR cho phép truy cập vào Cell , NAND truy cập Cell lại thông qua Cell liền kề Chính để đến với đại đa số người dùng, NAND cần có hướng khác Để khắc phục hạn chế này, ô nhớ NAND nhóm lại vào trang, trang chứa vài trăm ô, nhiều trang tạo thành khối Mỗi trang sử dụng chung tập hợp Word Line Bit Line , xếp theo kiểu cấu hình sau đây: 32 trang 512 bytes tạo thành khối 16 KB 64 trang 2,048 bytes tạo thành khối 128 KB 64 trang 4,096 bytes tạo thành khối 256 KB 128 trang 4,096 bytes tạo thành khối 512 KB Dữ liệu Đọc / Ghi theo trang trí khối lần Điều có nghĩa file KB chiếm trọn khối có kích thước gấp 128 lần kích thước file Phần khơng gian bị lãng phí khơng sử dụng thay liệu khác sử dụng dung lượng lớn Quá trình hợp đánh giá hệ số ghi, giúp so sánh lượng liệu DRAM, bus ATA, nhớ đệm ổ với kích thước ghi thực tế Nhiều loại ổ cứng đại có hệ số ghi khoảng 20:1, tức 1GB liệu ghi khiến máy tính phải xoay sở đủ 20GB trước ghi trình ghi bắt đầu Tốc độ loại ổ truyền thống ổn định ổ SSD lại gặp khó khăn việc ghi gói liệu nhỏ Các khối xóa dành cho việc hợp liệu ghi có kích thước trung bình 1MB, đồng nghĩa với việc file phải có kích thước 1MB chia thành gói 1MB khai thác tối đa tốc độ ghi Sự chênh lệch kích thước ghi gây ảnh hưởng xấu đến tốc độ chung: việc gửi 32MB liệu chia làm gói 1MB đạt tốc độ 80MB/giây, gấp ba lần so với tốc độ gửi 32MB chia làm gói 4KB Do kích thước trung bình gói liệu ghi chưa đến 50KB nên nhiều người dùng thường cảm thấy thất vọng với tốc độ I/O Các nhà nghiên hy vọng cải tiến NAND để tốc độ gửi gói liệu nhỏ đuổi kịp tốc độ ổ truyền thống, thực tế ổ NAND, bước tiến tốc độ ghi làm lợi cho việc ghi gói liệu lớn mà thơi Đọc liệu Các loại ổ SSD có thị trường có tốc độ Đọc Ghi ban đầu tương tự nhau, sử dụng kích thước khối hợp lý tốc độ đọc tăng thêm 25% Ấn tượng hơn, tốc độ Ghi ngày tăng phá vỡ ngưỡng 200MB/giây vòng tháng Tuy tốc độ Đọc ổ SSD cao so với tốc độ Ghi, gặp khó khăn việc đọc gói liệu nhỏ Để đến với đại đa số người dùng, NAND phải bỏ bớt số tính khiến NOR có tốc độ Đọc nhanh tốc độ Ghi Trong chủ yếu việc loại bỏ cơng nghệ eXecute in Place (XIP) cho phép nhớ thực thi trực tiếp không gian flash Giờ NAND phải copy liệu yêu cầu sang RAM hệ thống trước chạy Rõ ràng việc chuyển liệu để thao tác giải pháp hiệu cho lắm, cách làm không ảnh hưởng lớn cho tốc độ Đọc cho tốc độ Ghi Đó việc đọc liệu phụ thuộc vào tốc độ DRAM Tuy thời gian trễ DDR2-SDRAM thấp so với nhớ NAND với tốc độ 60ns, tốc độ DRAM vượt 1100MB/giây nhớ Flash có tốc độ Đọc 200MB/giây Tuy trơng nhanh tốc độ đọc liên tục lại giảm dần khối liệu cần Đọc toàn theo thứ tự, giống việc người bình thường tìm trang sách nhanh so với đọc trang sách SSD Cả tốc độ đọc ngẫu nhiên tăng lên nhiều Với khả truy cập 1000 file phút thời gian tìm kiếm 0.1ns, tốc độ Đọc liệu đạt 250MB/giây tiếp tục tăng Điều đồng nghĩa với việc công việc mở ứng dụng, mở file nhỏ chí load file theo yêu cầu game trở nên nhanh chóng Kẻ thù thực ổ SSD Rõ ràng điểm yếu thiết kế kìm hãm phát triển NAND, sâu vào vấn đề Nhược điểm lớn nhớ flash việc môi trường ổ cứng hồn tồn khơng chuẩn bị để thích ứng với cơng nghệ flash Mơi trường khơng thay đổi kể từ đầu thập niên 90 kỷ trước, Serial ATA dung lượng từ tính ngày tăng chẳng thay đổi cách nhìn nhận ổ cứng Cluster Phương pháp lưu trữ ngày giả định ổ cứng học ban đầu tập hợp đơn bit gắn liền thành khối không tách rời thành khối NAND Hệ điều hành hoạt động dựa lớp tưởng tượng mang tên hệ thống file để chia khối liệu thành mẩu liệu nhỏ gọi cluster Và hệ điều hành thường dựa nhiều vào hệ thống file bạn đọc file lưu khơng có hệ thống file Tuy có nhiều hệ thống file sử dụng được, hệ thống file FAT32 Windows 95 OSR2 đời năm 1996 với kích thước cluster 4KB thành cơng Sở dĩ kích thước 4KB chọn hầu hết file có kích thước nhỏ nên 4KB giúp giảm bớt phần phần lưu trữ bị hao phí lớn mà cluster 32KB FAT16 gặp phải Và kích thước trì sang NTFS, hệ thống file dành cho Windows 2000, XP Vista Nhưng sống giới mà nhiều riêng file khơng chứa vừa ổ cứng thời FAT32 đời cũ Tuy file đặt vừa cluster 4KB NAND chia nhỏ, điều quan trọng thiết bị flash thao tác 1MB liệu nhanh ổ cứng học thao tác 4KB Giải pháp cho vấn đề tăng kích cỡ cluster, việc đem lại số lợi ích sau đây: Giảm độ phức tạp hệ thống file; cluster đồng nghĩa với việc máy tốn cơng sức tổ chức cluster Tăng tốc độ Đọc Ghi kích thước cluster tỉ lệ thuận với kích thước khối Giảm khơng gian hao phí hệ thống gồm nhiều file lớn Tuy nhiên việc tăng kích thước cluster khơng liều thuốc tiên cho ổ SSD, hầu hết thu nhận nhiều loại thông tin khác ngày Game thường chứa nhiều file nhỏ, hệ điều hành tổng hợp nhiều file nhỏ, phim, nhạc Game Online nhiều người chơi lại ứng cử viên hồn hảo cho cluster kích thước lớn Và việc tập hợp nhiều cluster lớn hệ điều hành Windows đại phức tạp chẳng việc quản lý hàng loạt cluster nhỏ Để làm việc bạn phải cần đến chương trình Acronis Disk Director – giúp tăng kích thước cluster trước cài Windows, ngồi cịn giúp điều chỉnh kích cỡ cluster sẵn có Tuy nhiên tỉ lệ thành cơng cách làm thất thường Mạch điều khiển ổ cứng Các mạch điều khiển ổ cứng ngày nay, kích thước cluster, thiết kế cho loại ổ học đơn giản, tron giả định hệ điều hành tiếp tục quản lý I/O đĩa, phép tính liệu thực thi bên không gian đĩa Tuy nhiên cách làm khơng tính đến việc ổ flash thường tự quản lý buộc phải trao đổi lượng lớn giữ liệu hệ số ghi Có nhiều cách để cải thiện khả quản lý ổ SSD Một công nghệ Intel mang tên Khuếch đại tốc độ ghi giảm hệ số ghi xuống bàng 1.1 lần kích thước ghi dự định, giúp giảm gánh nặng lên bus SATA, hệ thống phụ DRAM, cách lưu trữ cluster ổ Tuy nhiên hệ thống điều khiển phần cứng nửa vấn đề Windows, Linux hệ điều hành khác phải chịu trách nhiệm đưa liệu đến mạch điều khiển để quản lý, hầu hết số chúng chưa tối ưu hóa cho nhớ flash Những điều cần biết SSD (phần 1) Những điều cần biết SSD (phần 2) Đặc biệt Windows trang bị cho việc liên lạc với ổ flash tại, chưa nói tới loại ổ sau Việc Windows chọn làm tảng kiểm định hàng đầu cho ổ flash khiến nhiều người không khỏi thắc mắc liệu việc ổ flash mang tiếng có tốc độ chậm chạp có phần lỗi thân ổ Windows kẻ có lỗi cung cấp mạch điều khiển băng thơng q đỗi nghèo nàn, mà máy tính sử dụng Windows đặc biệt gây gánh nặng lên ổ Chứa đầy indexing, swapping, buffering, caching tối ưu hóa background, Windows tiếng khả tra thiết bị flash Khả tương tác với ổ SSD dấu hiệu rõ ràng cho tháy môi trường ổ đĩa xây dựng dựa loại ổ khác hoàn toàn ổ cứng học Các hạn chế ổ SSD Tuổi thọ ổ từ tính đánh dựa thời gian trung bình giữ lần hỏng (MTBF), thường số vượt triệu sử dụng liên tục Còn dòng Raptor 10k danh tiếng Western Digital hoạt động 1.2 triệu MTBF, tương đương 137 năm Tuy đơn vị MTBF hay chỗ khơng tính đến thời gian hỏng vĩnh viễn sản phẩm, minh chứng cho tính bền vững tương đối ổ học Chúng ta biết ổ học sống 10 năm kể từ ngày mua, nhỏ so với kỷ, người cảm thấy thoải mái với tuổi thọ ngắn khơng biết trước ngày chết Trái lại, tuổi thọ ổ SSD khơng bị giới hạn rõ ràng mà cịn tính nhắc đến nhiều trình phát triển Mới Intel định nhảy vào thị trường SSD làm toàn ngành chế tạo Flash SSD kinh ngạc với lời hứa tạo loại ổ chịu chu kì 100.000 lần Ghi Chu kì Ghi , hay số lần mà khối flash xóa lập trình lại, quy trình mệt nhọc ổ flash Việc cung cấp 10V điện thành phần nhỏ nhặt khiến cho ô nhớ chịu áp lực lớn chúng ngày xuống cấp Khi khơng cịn khả thu nhận electron trình Fowler-Nordheim, ổ flash tồn khả lưu trữ liệu bị giảm dần Để chống lại ảnh hưởng này, ổ SSD có thêm tính cho phép phân phối liệu cách có chủ đích ổ để đảm bảo không khối bị tải Tính này, với tính khuếch đại tốc độ ghi hai số nhiều công nghệ giúp kéo dài tuổi thọ flash Tuy với chu kì 100.000 lần Ghi nghe ít, tương đương với 100 GB liệu ghi lên đĩa ngày vòng năm trước hỏng thật Thực tuổi thọ trung bình ổ SSD lớn ổ truyền thống, minh chứng khác cho sức mạnh loại ổ Không phải tất Tốc độ ổ cứng truyền thống liên quan chặt chẽ tới số vòng quay phút (RPM) Sở dĩ dòng ổ Western Digital Raptor tiếng chúng có tốc độ 10.000 PRM, nhanh gần 50% so với ổ truyền thống 7200 RPM Một số loại ổ, đặc biệt dùng máy tính xách tay, có tốc độ khoảng 3200 RPM Tất loại ổ flash có đặc điểm tương tự, kiểu ô nhớ ( Cell ) Ngày ô nhớ kiểu NAND SLC ( Single-Level Cell ) MLC ( Multi-Level Cell ) Cần nhớ kiểu nhớ tùy thuộc vào độ lớn dịng điện bị giữ lại cổng SLC có ngưỡng điện áp có vai trị định xem lập trình số hay số Cịn MLC lại có rấ nhiều ngưỡng điện áp cho phép giữ hai bit thơng tin Dung lượng ổ SSD MLC lớn gấp đơi so với ổ SLC loại có số chip Nhưng ổ MLC có dung lượng lên tới 250GB chúng lại chậm gấp 2, lần so với ổ SLC loại Tuy số trường hợp ngoại lệ ổ MLC có tốc độ khác cao, điều quan trọng bạn phải xét đến vai trò ổ trước định mua Người thắng kẻ thua Khi ổ SSD ngày trở nên phổ biến, ngành công nghiệp lưu trữ - vốn có mức sinh lời nhỏ - có thêm hội phát triển Nhưng tiến chậm chạp đến mức nhàm chán ổ cứng truyền thống sản sinh hàng loạn sản phẩm tương tự khiến khách hàng nản chí Vậy nên bất chấp hộp lưu trữ mạng NAS loại ổ cầm tay thời trang, công nghệ giúp nhà sản xuất tăng lượng lợi nhuận nhỏ Mặt khác, ổ cứng dựa công nghệ flash lại đem đến cho nhà sản xuất ổ cứng thời hội hồi sinh thị trường ngày co cụm lại đế chế Seagate Tuy có phần chi phí SSD chuyển thành lợi nhuận, mức tăng doanh số đặn giúp vực dậy ngành công nghệ thoi thóp Bởi khơng phải tất dạng ô flash giống hệt nên nhà sản xuất có thêm hội để đưa sản phẩm tốt Tóm lại, thị trường ổ SSD khác so với thị trường ổ đĩa truyền thống Do hầu hết nhà sản xuất có nhà máy riêng nên cơng ty ổ cứng truyền thống gặp áp lực lớn từ chi phí nhân lực chi phí sản xuất ngày tăng Rào cản thị trường ổ SSD tăng có nhóm nhà sản xuất cung cấp chip flash với số lượng lớn Điều đồng nghĩa với việc công ty nhỏ có nhiều hội việc mua chip, hỗ trợ thiết bị điện tử lắp ráp chúng với không gian sản xuất nhỏ số lượng nhân viên Những tên Hama, Memoright Mtron mà người dùng chuyên nghiệp chẳng nghe đến tiến nhanh vũ bão trở nên quen thuộc với nhiều gia đình nhờ chi phí sản xuất ổ flash rẻ Nhưng xuất SSD không đồng nghĩa với thành công cho tất công ty Những hãng tồn việc quản lý khắc phục vấn đề ổ đĩa truyền thống phải chuyển nghề, khơng bị tun bố phá sản Cịn cơng ty Diskeeper Corporation chuyên cung cấp phần mềm chống phân mảnh cao cấp, tiếc thay phần mềm phá hủy SSD, ổ flash có số lần Ghi giới hạn tự động chia nhỏ nội dung chúng nên bit liệu chuyển sang vùng bên cạnh khiến ổ SSD sớm hỏng mà Lại nhắc đến chương trình tiếng SpinRite đạt thành công lớn việc phục hồi liệu ổ học Tính bật phân tích trạng thái vật lý ổ cứng từ nhiều góc độ khác để cấu lại nội dung thông tin đọc trực tiếp Nhưng điều xảy đến với SpinRite chẳng vùng xám ổ chết ổ hoạt động? Lời kết Ổ SSD hoàn toàn khác với ổ mà dùng Ngay hệ thống chưa sẵn sàng người dùng xa lạ với khái niệm mới, flash đạt thành tựu đáng kinh ngạc 14 tháng ngắn ngủi đủ để biến kẻ kế nhiệm tầm thường ổ đĩa truyền thóng thành sản phẩm đáng nể ngày trở nên tốt Và ổ flash chuẩn bị truất ngơi loại ổ từ tính mà ta dùng để lưu trữ 30 năm qua giá chúng ngày giảm Giá thấp tốc độ cao mở cánh cửa đến với nhiều khách hàng gần đảm bảo chắn cho thành công loại ổ Và công ty khách hàng họ hân hoan ăn mừng thắng lợi chẳng thể biết điều xảy cho công ty tồn nhờ thị trường biến vào năm 2012 ... điều khiển phần cứng nửa vấn đề Windows, Linux hệ điều hành khác phải chịu trách nhiệm đưa liệu đến mạch điều khiển để quản lý, hầu hết số chúng chưa tối ưu hóa cho nhớ flash Những điều cần biết. .. quản lý, hầu hết số chúng chưa tối ưu hóa cho nhớ flash Những điều cần biết SSD (phần 1) Những điều cần biết SSD (phần 2) Đặc biệt Windows trang bị cho việc liên lạc với ổ flash tại, chưa nói... thành cơng cách làm thất thường Mạch điều khiển ổ cứng Các mạch điều khiển ổ cứng ngày nay, kích thước cluster, thiết kế cho loại ổ học đơn giản, tron giả định hệ điều hành tiếp tục quản lý I/O đĩa,