Bí ẩn của ổ cứng SSD

SSD hay ổ cứng thể rắn là một khái niệm quen thuộc đối với chúng ta. Hầu như ai cũng biết nó là tập hợp của các chip nhớ NAND được điều khiển bởi một controller nhưng mọi việc có thật sự đơn giản như vậy? Bài viết này sẽ giúp bạn khám phá những bí ẩn nằm sâu bên trong một cách dễ hiểu nhất.

Không phải ngẫu nhiên mà nhắc tới SSD là nhắc tới chip nhớ flash NAND. Đơn giản vì đó chính là nguồn gốc tốc độ khủng khiếp mà hiện nay ta các ổ cứng thể rắn đạt được.

Nguyên lý hoạt động của NAND

Dữ liệu máy tín được lưu ở dạng nhị phân ( 0 và 1). Đối với HDD bình thường, các dữ liệu này được ghi trên các rãnh từ và được đọc từ một đầu kim. NAND lưu giữ dữ liệu ở các cell sắp xếp như hình phía trên, với “word line” là cổng dòng điện đi vào và “bit line” là cổng ra. Mỗi hàng sẽ là một page – trang dữ liệu.
Nhờ tín hiệu được đọc ngay trên bit line khiến nó nhanh hơn rất nhiều so với qua trung gian như HDD.


Khi truy cập dữ liệu trên page, dòng diện sẽ được truyền từ wordline của page đến từng cell. Cell chứa thông số 1 sẽ cho dòng điện chạy qua bitline và cell chứa thông số 0 sẽ ngăn dòng diện lại. Dữ liệu trong cell sẽ được đọc ở cuối các bitline.

Bộ nhớ thông thường có trung bình từ 32 tới 256 bitline và 4096 tới 65536 wordline để tạo thành 1 block. Mỗi hàng(wordline) trong block chính là một page. Trên thực tế số lượng page sẽ nhiều hơn một chút để chứa các thông tin sửa lỗi.

NAND trong lưu trữ: đọc từng page – xóa từng block

Một ổ cứng chế tạo với công nghệ 20-25nm quản lý dữ liệu theo từng page, mỗi page có thể chứa 8192 byte dữ liệu. Trong khi đó, hệ điều hành quản lý theo cluster có kích thước từ 4096 hoặc 8192 byte. Sự đồng nhất này giúp tốc độ xử lý toàn hệ thống trở nên nhanh hơn.

SSD chỉ có khả năng đọc, xóa chứ không thể ghi đè dữ liệu


Để mình giải thích hình trên nhé! Bắt đầu từ hình ngoài cùng bên trái phía dưới, để thay đổi dữ liệu, đầu tiên thông tin được cập nhật (change) được viết lên một page mới hoàn toàn (new page). Phần cũ (stale page) không bị xóa mà sẽ bị ẩn đi, tương tự như bạn xóa file vô thùng rác vậy. Khi tiếp tục thêm dữ liệu (new stuff) vượt quá khả năng chứa của block, SSD sẽ xử lý bằng 2 bước.

Bước 1: Đưa dữ liệu vào bộ nhớ đệm và sắp xếp lại như ở hai hình phía trên.

Bước 2: Xóa toàn bộ block rồi chép lại dữ liệu đã sắp xếp.

Việc này lý giải việc các ổ SSD cũ hay chép quá đầy sẽ giảm tốc độ trong một số trường hợp nhất định.

Không phải cell nào cũng như nhau: MLC và SLC

Điểm đặc biệt của các cell trong SSD là không chỉ có khả năng lưu điện mà còn ở từng mức độ khác nhau. Từ đó khái niệm MLC và SLC ra đời. SLC – single-layer cell – là loại cell chỉ chứa một mức điện nhất định giúp giảm lỗi cũng như độ bền - điểm yếu nhất so với HDD. Chỉ có những loại SSD chuyên dụng cho doanh nghiệp mới sử dụng loại này và có giá thấp nhất là $3000 cho 200GB. MLC – multi-layer cell- có khả lưu nhiều mức điện giúp tăng dữ liệu lưu được trên cùng một cell đổi lại với sự phức tạp và nhiều vấn đề nan giải về độ bền. Các SSD thông dụng đều sử dụng MLC.