Hành trình của NAND

Tiêu đề: Hành trình của NAND Sun Nov 16, 2008 6:28 pm

NAND đang nổi đình nổi đám và có tương lai đầy hứa hẹn. Phía sau câu chuyện của NAND là những con số rất ấn tượng đưa công nghệ lưu trữ này dần dần chiếm ngôi của ổ cứng truyền thống.

Lúc này, nếu bạn nói từ “đĩa mềm” cho người mới làm quen với máy tính, hẳn họ sẽ ngập ngừng không biết, nếu nói đến sao chép tài liệu hay file gì đó thì họ nghĩ ngay đến bút USB hay chia sẻ tập tin qua mạng.

Một điều ai cũng thấy là giá ổ cứng ngày càng rẻ, kích thước ổ cứng ngày càng lớn và nhu cầu lưu trữ ngày càng tăng. Đó là điều tất yếu. Điều này không chỉ đúng với ổ cứng thông thường trong máy tính của bạn, mà cả với các dạng lưu trữ di động sử dụng bộ nhớ NAND như bút nhớ USB, các loại thẻ nhớ (CF, xD, SD...), ổ cứng gắn ngoài SSD... Nếu so sánh về mặt ứng dụng giữa ổ cứng truyền thống có bộ phận chuyển động và bộ nhớ NAND, có vẻ ổ cứng truyền thống đang bị "mất giá" vì NAND đang được ứng dụng rất rộng rãi, trong mọi dạng thiết bị lưu trữ, từ máy nghe nhạc MP3, IPod, điện thoại di động, bút nhớ USB... dành cho người dùng phổ thông cho đến cả giải pháp cho doanh nghiệp như máy chủ, các thiết bị công nghiệp...

Một xu hướng dễ nhận thấy là ổ SSD đang bắt đầu xuất hiện trong các loại máy tính xách tay siêu nhỏ (netbook) như MSI Windbook, Axioo Pico, Acer Aspire One, Asus Eee PC... cả các model lớn hơn một chút như Apple MacBook Air, Lenovo S10, Toshiba R500...

Bàn tới đây, ta thấy rõ ràng NAND đang có tương lai đầy hứa hẹn. Mặt nổi là thế, nhưng phía sau câu chuyện của NAND là những con số rất ấn tượng, đã tạo cho các nhà sản xuất đưa công nghệ lưu trữ này dần dần chiếm ngôi của ổ cứng chuyển động. Ta cùng tìm hiểu xem tại sao NAND lại đạt được điều đó nhé!

Có 4 lý do chính cho NAND chiếm ưu thế trên thị trường: không có bộ phận chuyển động nên khả năng chống sốc của NAND rất tốt; tiêu tốn ít năng lượng để vận hành; truy xuất dữ liệu nhanh; và bền bỉ, an toàn hơn ổ HDD.
Hành trình thu nhỏ NAND

Giải pháp NAND thuộc công nghệ bộ nhớ Flash, và kiến trúc NAND cũng thuộc hàng “có tuổi”, được Toshiba giới thiệu từ năm 1989. Xét về công nghệ vi kiến trúc, cũng như người anh em bộ xử lý máy tính, vi kiến trúc của NAND ngày một nhỏ hơn. Ví dụ bộ xử lý Intel đi từ công nghệ xử lý 130nm - 90nm – 65nm – 45nm và tương lai sẽ là 32nm, công nghệ Flash nói chung cũng từ 61nm (năm 2007) – 45nm (2008) – 40nm – 38 nm – 32nm... và dự kiến đến năm 2015 sẽ là 20nm. Điều này có nghĩa là với cùng kích thước, dung lượng lưu trữ NAND ngày càng lớn. Ổ NAND có dung lượng lớn nhất hiện nay đạt đến 128GB nhưng với tốc độ thu nhỏ như trên, trong tương lai gần, một ổ Flash có dung lượng đạt 500GB là hoàn toàn có thể. Nhìn theo biểu đồ, bạn có thể dễ dàng nhận thấy ổ cứng SSD đến năm 2014 sẽ bắt kịp với ổ cứng truyền thống về giá cả tính trên mỗi GB, lúc đó, thị trường lưu trữ có thể sẽ mang một bộ mặt khác.

Tốc độ vượt trội

Xem bảng 1, các phiên bản công nghệ Flash, đây là chỉ số đọc/ghi/xóa dữ liệu cao nhất mà các phiên bản Flash đạt được. Hiện thời, công nghệ MLC NAND được ứng dụng nhiều nhất, đặc biệt với ổ cứng SSD. High Speed NAND được ứng dụng nhiều trong thẻ nhớ dành cho máy chụp hình chuyên nghiệp với tốc độ đọc/ghi cao.

Bảng 2 đánh giá ổ HDD và ổ SSD cho thấy tuy chi phí cho ổ cứng HDD cao gấp 3 lần ổ SSD nhưng bù lại, độ trễ của SSD lại gấp 1000 lần. Rõ ràng, tốc độ của ổ SSD vượt hơn hẳn so với ổ HDD. Trong khi đó, chi phí/bit của SSD đang ngày một rút ngắn lại và ổ HDD không có dấu hiệu công nghệ nào để giảm độ trễ.

Tiết kiệm điện năng

Về mặt tiết kiệm điện năng, ta dễ dàng thấy ổ SSD cho tốc độ thời gian dùng pin tốt hơn nhiều so với ổ HDD. Tuy nhiên, qua thử nghiệm từ Test Lab, các máy tính xách tay sử dụng ổ SSD vẫn chưa thật vượt trội về thời gian dùng pin so với ổ HDD có đầu kim chuyển động. Theo Micron - công ty thiết kế vi kiến trúc bộ nhớ - MTXT được trang bị ổ SSD cần phải được tối ưu hóa cho SSD thì mới tận dụng được hết hiệu năng dùng pin của SSD. Cụ thể, ổ SSD phải có thuật toán quản lý sắp xếp (wear leveling) và mạch điều khiển phải hoạt động hiệu quả, hệ điều hành hỗ trợ những lệnh SATA mới như ID và Trim, tắt chức năng Defrag...

Chuyện đời của NAND

Kỹ thuật chính để giảm chi phí và tăng mật độ bộ nhớ Flash là sản xuất chip bằng những linh kiện tốt nhất. Bộ nhớ NAND loại cao cấp hiện nay đang được sản xuất theo quy trình 40nm và có thể tạo ra chip đơn có dung lượng đến 2GB; thậm chí Micron hiện đang có chip 34nm 4GB. Các công ty khác như Sandisk, Samsung... cũng đang bám sát. Bằng một kỹ thuật in bản mạch dạng lấy mẫu đôi, ngành công nghiệp sản xuất bộ nhớ Flash có thể đạt đến công nghệ sản xuất 20nm. Tuy vậy, theo các chuyên gia thì kích thước này đã là giới hạn nên không thể thu nhỏ hơn nữa, trừ khi thay đổi hẳn công nghệ sản xuất.

Nếu không thể thu nhỏ kích thước một ô (Cell) của chip thì phải tăng số lượng bit trong mỗi cell thì mới tăng khả năng lưu trữ của NAND. Bước đi tiếp theo của Sandisk là dồn số bit vào mỗi cell, trước mắt là 3 bit/cell và thậm chí 4 bit/cell, mà hãng đặt cho cái tên là X3 NAND và X4 NAND. Với X3 NAND, mỗi chip sẽ có dung lượng 2GB và hiện đang được Sandisk (bắt tay với Toshiba) sản xuất trên dây chuyền 56nm. Công nghệ X4 NAND cũng đã có từ lúc Sandisk mua lại M-Systems hồi cuối năm 2006. X3 về mặt kích thước vật lý lại không hiệu quả bởi vì nó cần có thêm bản mạch phụ và làm tăng giá thành khoảng 20%, do vậy chip MLC 2GB 43nm theo công nghệ thông thường của Sandisk vẫn có chi phí sản xuất rẻ hơn.

BẢNG 2
Độ trễ tương ứng		Chi phí/bit tương ứng
1	Bộ đệm cache L1	1.800
2,5	Bộ đệm cache L2	1.400
1.200	DRAM	10
25.000.000	Ổ cứng HDD	1
25.000	Ổ SSD	3

Hiện thời sản phẩm theo công nghệ X4 NAND vẫn chưa thấy xuất hiện. Nhưng công nghệ NAND vẫn tiếp tục tiến tới với một công nghệ hoàn toàn mới và cũng đến từ Sandisk, đó là giải pháp bộ nhớ 3D. Công nghệ này có được là nhờ Sandisk mua lại công ty Matrix Semiconductor hồi đầu năm 2006. Ý tưởng của bộ nhớ 3D là bạn có thể chồng các mảng cell theo chiều dọc để tăng mật độ chip một cách hiệu quả, giống như bạn xây nhà chung cư để tiết kiệm đất thay vì xây một cụm nhà trệt. Sandisk cho biết họ đã có hơn 200 phát minh về bộ nhớ 3D và cũng đã bán một giải pháp bộ nhớ 3D ở mức cơ bản có tên là OTP (one-time programmable) được dùng trong các ứng dụng như cartridge của game Nintendo. TSMC - công ty sản xuất chất bán dẫn Đài Loan - cũng đã sản xuất bộ nhớ 3D OTP ở dây chuyền 80nm và hiện đang nghiên cứu sản xuất ở dây chuyền 45nm.

Một trở ngại của bộ nhớ 3D là làm sao để có thể đạt được tốc độ đọc/ghi/ghi lại giống như NAND. Giữa năm nay, Sandisk đã ký kết một bản ghi nhớ lâu dài với Toshiba để cùng hợp tác phát triển một công nghệ đọc/ghi cho bộ nhớ 3D và hứa hẹn bộ nhớ này sẽ thay thế NAND trong vòng 1 thập kỷ. Trong khi đó, Toshiba, Samsung và Spansion/Saifun cũng đang nghiên cứu một công nghệ có tên là CTF (charge-trap Flash); còn Numonyx - công ty con của Intel và STMicroelectronics - vừa mới phát triển một công nghệ bộ nhớ PCM (phase-change memory). Cả CTF và PCM đều chưa có sản phẩm nào bán ra.

Có một điểm khiến Samsung đầu tư mua lại Sandisk là bộ nhớ Flash càng ngày càng phức tạp nên nó cần đến nhiều mạch vi điều khiển (microcontroller) để theo dõi mọi dữ liệu đọc/ghi/xóa lên thiết bị. Các mạch điều khiển này rất quan trọng, thực hiện những công việc như sửa lỗi, sắp xếp dữ liệu (wear-leveling) để lấp những khiếm khuyết về mặt vật lý của NAND. Có những công ty chuyên về thiết kế mạch vi điều khiển như Phison và Silicon Motion, nhưng Sandisk cũng rất có kinh nghiệm trong lĩnh vực thiết kế vi mạch điều khiển này dành cho thẻ nhớ, bút nhớ USB và ổ cứng SSD. Kinh nghiệm này càng trở nên có giá khi ổ SSD dựa trên chip MLC xuất hiện tràn ngập thị trường.

» Qui định post bài trong box Nhập Môn Lập Trình !!