Nhắc lại kiến trúc máy tính
Nếu muốn nói chi tiết về từng ngóc ngách của kiến trúc máy tính thì có lẽ chúng ta sẽ mất hàng quý hoặc thậm chí hàng năm vì có rất nhiều loại máy tính. Ngay cả máy tính tay cho học sinh / sinh viên / giáo viên / chị bán tạp hoá … cũng là 1 loại máy tính. Thế nên tôi chỉ nói sơ lược về những thành phần cơ bản nhất của máy tính. Chúng bao gồm : đơn vị xử lý, đơn vị truyền tải và đơn vị lưu trữ dữ liệu.Bản thân khái niệm công nghệ thông tin (hay ICT), xét cho cùng, đều xoay quanh vấn đề dữ liệu. Con chip xử lý nếu không có dữ liệu vào tất sẽ không có dữ liệu ra. Tưởng tượng việc bạn mở máy tính suốt cả ngày nhưng không làm việc gì với nó, không có nhập (input) tất sẽ không có xuất (output). Nói cách khác bạn sắm sửa 1 con chip xử lý thật mạnh nhưng chẳng giao cho nó việc để làm thì con chip không khác gì vật trang sức cao cấp.
Nhưng con chip muốn có dữ liệu để xử lý thì nó cần phải có 2 phần tiếp theo : truyền tải / liên kết với dữ liệu và nơi chứa dữ liệu. Một cách gần gũi thì mô hình trên tương tự các nhà máy – mạng lưới giao thông – nguồn nguyên liệu / nơi tiêu thụ. Nguồn nguyên liệu giúp cho nhà máy có ý nghĩa “tồn tại” và nơi tiêu thụ giúp chủ đầu tư thu được tiền từ sản phẩm. Mạng lưới giao thông để đưa nguyên liệu đến nhà máy cũng như đưa hàng hoá đến tay người tiêu dùng. Tất cả chúng phối hợp lại để tạo thành guồng máy kinh tế, thiếu 1 trong 3, nền kinh tế sẽ không tồn tại. Điều tương tự với máy tính.
Người cũ của hôm nay
Ngày qua ngày, những con chip xử lý ngày một mạnh hơn, các bus tải dữ liệu – các giao thức mạng ngày một rộng hơn về mặt băng thông, trong khi tốc độ của ổ cứng (thiết bị lưu trữ phổ biến nhất) thì gần như không đổi. Lý do cơ bản là vì hầu hết đều chúng đã đạt đến giới hạn vật lý của mình : tốc độ xoay của các phiến dĩa (platter). Vẫn có một vài model đặc biệt của Western Digital có thể đạt tốc độ cao hơn phần còn lại, nhưng đi cùng điều đó là giá cả của nó không hề rẻ, đồng thời rủi ro hư hỏng do va chạm cao hơn, vì ổ cứng (HDD) vận hành theo cơ chế cơ (khí). Nếu có những va chạm bất chợt thì không điều gì đảm bảo đầu đọc / ghi (read / write header) không tạo thành 1 vết sẹo “xinh xinh” trên bề mặt phiến dĩa, khi khoảng cách làm việc giữa cả 2 chỉ cách nhau vài chục nm.Đối với các máy tính để bàn (desktop), các va chạm trên có thể không phổ biến. Song với dân chuyên đi lại và hầu như làm việc trên máy tính thì hiện tượng trên là điều “thường ngày ở huyện”. Khôi hài thay, như tôi đã nói, ICT thực chất chỉ xoay quanh dữ liệu, khi ai đó đối với họ tiền bạc để nâng cấp phần cứng không thành vấn đề thì cái quan trọng nhất lại là dữ liệu của họ. Ai có thể chịu được nếu chỉ vì vấn đề đi lại mà họ mất sạch công sức làm việc bao năm của mình ? Vì thế mà, các model HDD dùng cho laptop buộc phải hy sinh tốc độ để đảm bảo sự an toàn cho dữ liệu. Ngoài ra kích thước vật lý và tiết kiệm điện cũng là các yếu tố buộc mọi thứ trên laptop phải “thu mình lại”. Bán kính đĩa nhỏ và lượng điện đầu vào thấp đã khiến cho HDD di động chậm đi thấy rõ so với HDD cố định. Nhưng chúng tôi – những người dùng di động muốn có 1 sản phẩm không chỉ an toàn về mặt va chạm cơ khí mà tốc độ còn phải nhanh, thậm chí là nhanh hơn cả HDD !
Những "con khủng long" cứ "mi nhon" dần nhưng luôn có giới hạn (hình của Wikipedia)
Người mới của … hôm nay
Từ những gì chúng ta đã liệt kê ở trên, một giải pháp lưu trữ có tốc độ cao, chịu được va chạm tốt và nhất là “nhẹ, mỏng”, thích hợp để trang bị vào những chiếc PC có dạng “cánh” hoặc là thành viên của hội “Sờ Lờ”, là điều mà các nhà phát triển công nghệ phải tìm ra được. SSD là một trong các công nghệ ấy.Nhưng họ thực hiện điều đó như thế nào (how did they do that ?). Hãy bắt đầu từ điều cơ bản nhất : cơ chế làm việc của thiết bị. Những thiết bị lưu trữ mà chúng ta từng biết : đĩa cứng, đĩa mềm, đĩa quang, băng từ đều có 1 điểm chung – quay. Vậy nên tốc độ của chúng luôn bị giới hạn ở điều này. Nguyên tắc hoạt động cơ khí khiến cho thiết bị luôn gặp rủi ro khi muốn tăng tốc độ, các va chạm bất ngờ sẽ kết liễu chúng. Do đó hãy nghĩ đến cơ chế khác thay vì cơ. Trong số các giải pháp mà giới khoa học nghĩ ra, có 1 giải pháp đã được chứng minh là hiệu quả bất kể điều kiện hoạt động – cơ chế lưu trữ dựa vào điện hay các transistor, còn gọi là bộ nhớ Flash.
"Nội tạng" 1 chiếc USB flash drive, về cơ bản không khác SSD là mấy (hình ảnh của Wikipedia)
Nhiều chip nhớ hơn 1 chiếc USB flash drive và vài chi tiết nhỏ khác
Lại là bán dẫn !
Nhưng trước khi tìm hiểu tại sao SSD lại có tốc độ cao như thế, hãy làm rõ SSD được cấu tạo như thế nào.Nếu bạn có nhớ, các transistor về cơ bản là 1 công tắc đóng / ngắt, tức nó có thể được hiểu như tồn tại ở trạng thái bit 1 – 0, hai viên gạch tạo ra thế giới số hôm nay. Khác biệt chính giữa transistor dùng cho chip xử lý (MOSFET) – chính xác hơn là thành phần xử lý của chip – và chip flash (flash memory cell), là cực cổng (gate) trong chip nhớ thực hiện chức năng lưu trữ các bit.
Cấu tạo
Để thực hiện được chức năng lưu trữ này, các transistor của chip flash được bổ sung thêm 1 cực cổng “trôi” (floating gate – FG) nằm giữa cực cổng thường / điều khiển (control gate – CG) và phần còn lại của transistor. Để tiện hình dung vấn đề, bạn hãy nhìn 2 hình ảnh sau, đừng chú ý chi tiết điện môi (gate dielectric) vì thực tế transistor nào cũng có thành phần trên cả. |  |
Các tế bào flash về cơ bản vẫn là các MOSFET, nên vẫn có hiệu ứng trường. Tức các kỹ sư điện có thể nạp 1 điện thế vào cực cổng điều khiển (CG) và cho phép dòng điện chạy qua 2 cực nguồn (source) – máng (drain). Còn FG có các mức điện thế khác nhau và CG sẽ dựa vào mức điện thế này để đọc giá trị bit của FG.
Tuỳ theo tế bào flash là đơn cấp (single-level cell hay SLC) hoặc đa cấp (multi-level cell hay MLC) mà cổng này sẽ có 2 hay nhiều cấp điện thế. Chi tiết này đồng thời giải thích tại sao tốc độ đọc / ghi của SSD SLC lại nhanh hơn SSD MLC : bởi vì có nhiều mức điện thế để chuyển trên tế bào flash MLC nên quá trình này tốn nhiều thời gian hơn.
Hoạt động
Chúng ta lấy ví dụ với trường hợp tế bào flash SLC loại NOR. NOR (N-OR) hay NAND (N-AND) không có gì đặc biệt, mà thực ra là những quy tắc toán tử – tập hợp. Bạn có thể tham khảo ở bảng sau. NOR và NAND là 2 cấu trúc cơ bản để lập trình các tế bào flash.
Quy tắc NOR thường có xu hướng nhận giá trị 0 nên ở trạng thái mặc định, tế bào NOR được gán giá trị 1 để “thuận tiện” cho việc chuyển đổi thành 0 khi cần thiết. Cách thức chuyển đổi từ 1 à 0 của tế bào NOR như sau :
Một điện áp > 5V được đặt vào CG, điện áp này gây ra hiệu ứng trường tác động lên kênh (channel) NMOS, kênh này “mở cửa” cho phép dòng điện từ máng (hoặc nguồn) chạy qua phần còn lại, dòng điện này dựa vào sự chênh lệch lên đến 12V, đủ “mạnh” để “đẩy” các electron “té” sang cổng FG nằm gần đấy (nhưng ngăn cách bằng 1 lớp điện môi). Hiện tượng này tạm dịch là bước nhảy nóng (hot-electron injection).Nói 1 cách gần gũi, hiện tượng này tương tự như tình trạng ùn tắc giao thông ở ta, khi đường phố không còn chỗ để đi nữa thì có 1 bộ phận người dân “leo bờ” để tìm chỗ thoát. Khôi hài nhưng điều này chính xác là thế. Các electron “thoát ly” được sang FG bị “kẹt” ở đó và tạo ra 1 điện thế mới. CG ghi nhận điện thế này và trình điều khiển SSD xác nhận đó là giá trị 0 khi “báo cáo” với hệ điều hành.
 |  |
Lúc này cổng nguồn bị ngắt (open), dòng điện không thể chạy từ máng sang nguồn được, nhưng ở máng vẫn có 1 điện thế khá cao ~ 12V. Tại CG đang có 1 điện thế là 0V. Sự chênh lệch điện thế giữa máng và CG tạo ra một áp lực lên các electron đang hiện hữu tại FG và “ép” chúng “nhảy” sang CG, thông qua 1 hiện tượng gọi là hầm chui lượng tử (quantum tunneling). FG sau khi không còn đủ electron để tạo ra điện thế mang giá trị 0 nữa sẽ được trình điều khiển SSD nhận diện là 1.Đến đây, bạn có thể thấy bộ nhớ flash hoạt động như thế nào. Về cơ bản, những tế bào flash trên ổ flash USB của bạn không khác gì những tế bào flash trên ổ SSD. Nhưng tại sao lại có khác biệt quá lớn về hiệu năng như vậy ?
(*) Xem thêm bài sau về một số thuật ngữ trong bán dẫn
SSD nhanh vì đâu ?
Ở phần trên tôi đã nói về cách các chuyên gia mạng đã cải thiện tốc độ của HDD, bằng cách liên kết chúng ở dạng RAID và bắt hoạt động đồng thời thông qua trình điều khiển RAID. Có 1 thuật ngữ khác để mô tả phương pháp này : xử lý song song, nhưng bạn hãy thay từ “xử lý” bằng “đọc / ghi”. Vâng ! Tương tự các CPU đa nhân xử lý cùng lúc nhiều luồng dữ liệu, các trình điều khiển SSD tiến hành phân công cùng lúc nhiều thao tác đọc / ghi lên nhiều con chip nhớ flash. OH, WOW !Vấn đề trở nên rõ ràng : tốc độ của SSD sẽ lệ thuộc vào năng lực của trình điều khiển. Tuy bản chất của chip flash (SLC hay MLC) cũng là 1 yếu tố nhưng trước mắt, hầu hết các ổ SSD đều bị giới hạn tốc độ bởi trình điều khiển. Để “chứng thực” điều này, hãy xem bài so sánh của AnandTech về những thế hệ SSD đầu tiên và cảm nhận. Với 1 trình điều khiển kém, ngay cả ổ SSD SLC cũng không chắc đã nhanh bằng 1 ổ MLC nhưng trình điều khiển biết cách “làm việc”.
1 trình điều khiển tồi cũng như 1 chính phủ không biết dùng người tài
Điện thế bên trong FG sẽ quyết định giá trị bit mà trình điều khiển SSD ghi nhận. Bên trái là SLC và bên phải là MLC
Câu chuyện về SSD, dẫu sao hãy còn nhiều vấn đề để bàn. Ở phần sau chúng ta sẽ nói về các nhược điểm của công nghệ lưu trữ flash nói chung và bản thân SSD nói riêng. Với phần này, trước mắt bạn có thể hiểu được tại sao Intel vốn là 1 nhà sản xuất chip khổng lồ và chưa từng làm ra model HDD nào, song lại có thể đặt chân vào thị trường thiết bị lưu trữ với SSD. Bạn cũng nắm được nguyên nhân vì đâu mà các tên tuổi lớn về HDD như Samsung, Toshiba hoặc thậm chí Seagate, Western Digital đều không làm ra sản phẩm SSD nào. Những model lưu trữ nền flash của những hãng trên trong thực tế, đều do các đối tác sản xuất chip flash OEM lại.
Và lần sau, chúng ta sẽ bàn thử liệu SSD có “xoá sổ” HDD ? Liệu hàng loạt nhà máy của Seagate và các đơn vị sản xuất HDD truyền thống khác có phải đóng cửa trước sự trỗi dậy của Intel, OCZ, Supertalent, Patriot ?
theo voz
>>
Kienthuc
Previous Article
