Ổ cứng SSD là gì ? Ưu nhược điểm và lịch sử phát triển

SSD hay ổ cứng là một loại thiết bị lưu trữ được sử dụng trong máy tính. Phương tiện lưu trữ bất biến này lưu trữ dữ liệu liên tục trên bộ nhớ flash trạng thái rắn. Ổ cứng SSD thay thế ổ đĩa cứng truyền thống (HDD) trong máy tính và thực hiện các chức năng cơ bản giống như ổ cứng. Nhưng SSD nhanh hơn đáng kể. Với SSD, hệ điều hành của thiết bị sẽ khởi động nhanh hơn, các chương trình sẽ tải nhanh hơn và các file có thể được lưu nhanh hơn.

Ổ cứng truyền thống bao gồm một đĩa quay với đầu đọc / ghi trên một cánh tay cơ học được gọi là actuator (bộ truyền động). Ổ cứng HDD đọc và ghi dữ liệu từ tính. Tuy nhiên, các đặc tính từ tính có thể dẫn đến sự cố cơ học.

Để so sánh, SSD không có bộ phận chuyển động nào bị vỡ hoặc quay lên hoặc xuống. Hai thành phần quan trọng trong SSD là bộ điều khiển flash và chip nhớ flash NAND. Cấu hình này được tối ưu hóa để mang lại hiệu suất đọc / ghi cao cho các yêu cầu dữ liệu tuần tự và ngẫu nhiên.

SSD được sử dụng ở mọi nơi mà ổ cứng có thể được triển khai. Ví dụ: trong các sản phẩm tiêu dùng, chúng được sử dụng trong máy tính cá nhân (PC), laptop, game máy tính, máy ảnh kỹ thuật số, máy nghe nhạc kỹ thuật số, smartphone, máy tính bảng và ổ cứng. Chúng cũng được kết hợp với card đồ họa. Tuy nhiên, chúng đắt hơn ổ cứng HDD truyền thống.

Các doanh nghiệp có nhu cầu mở rộng nhanh chóng đối với đầu vào / đầu ra (I / O) cao hơn đã thúc đẩy sự phát triển và áp dụng SSD. Bởi vì SSD cung cấp độ trễ thấp hơn HDD, chúng có thể xử lý hiệu quả cả khối lượng công việc đọc nặng và ngẫu nhiên. Độ trễ thấp hơn đó bắt nguồn từ khả năng đọc dữ liệu trực tiếp và ngay lập tức từ dữ liệu được lưu trữ của SSD flash.

Máy chủ hiệu suất cao, laptop, máy tính để bàn hoặc bất kỳ ứng dụng nào cần cung cấp thông tin trong thời gian thực đều có thể được hưởng lợi từ công nghệ ổ đĩa thể rắn. Những đặc điểm đó làm cho SSD doanh nghiệp phù hợp để giảm tải các lần đọc từ cơ sở dữ liệu nặng về giao dịch. 

SSD hoạt động như thế nào?

SSD đọc và ghi dữ liệu vào các chip nhớ flash được kết nối với nhau bên dưới được làm từ silicon. Các nhà sản xuất xây dựng ổ SSD bằng cách xếp chồng các chip trong một mạng lưới để đạt được các mật độ khác nhau.

SSD đọc và ghi dữ liệu vào một bộ chip nhớ flash được kết nối với nhau bên dưới. Các chip này sử dụng các bóng bán dẫn cổng nổi (FGT) để giữ điện tích, cho phép SSD lưu trữ dữ liệu ngay cả khi nó không được kết nối với nguồn điện. Mỗi FGT chứa một bit dữ liệu, được chỉ định là 1 đối với ô tích điện hoặc 0 nếu ô không có điện.

Mọi khối dữ liệu đều có thể truy cập được với tốc độ nhất quán. Tuy nhiên, SSD chỉ có thể ghi vào các khối trống. Và mặc dù SSD có các công cụ để giải quyết vấn đề này, nhưng hiệu suất có thể vẫn chậm theo thời gian.

SSD sử dụng ba loại bộ nhớ chính:single-, multi- and triple-level cells. Các ô mức đơn có thể chứa một bit dữ liệu tại một thời điểm là một hoặc không. Single-level cells ( SLC s) là dạng SSD đắt nhất, nhưng cũng nhanh nhất và bền nhất. Multi-level cells ( MLC s) có thể chứa hai bit dữ liệu trên mỗi ô và có lượng không gian lưu trữ lớn hơn trong cùng một lượng không gian vật lý như một SLC. Tuy nhiên, MLCs có tốc độ ghi chậm hơn.Triple-level cells ( TLC s) có thể chứa ba bit dữ liệu trong một ô. Mặc dù TLC rẻ hơn nhưng chúng cũng có tốc độ ghi chậm hơn và kém bền hơn so với các loại bộ nhớ khác. SSD dựa trên TLC cung cấp nhiều dung lượng flash hơn và ít tốn kém hơn so với MLC hoặc SLC.

Các tính năng chính của SSD là gì?

Một số tính năng đặc trưng cho thiết kế của SSD. Bởi vì nó không có bộ phận chuyển động, ổ SSD không phải chịu những lỗi cơ học tương tự có thể xảy ra trong ổ cứng. Ổ cứng SSD cũng chạy êm hơn và tiêu thụ ít điện năng hơn. Và vì SSD có trọng lượng nhẹ hơn ổ cứng nên chúng rất phù hợp cho laptop và các thiết bị điện toán di động.

Ngoài ra, phần mềm bộ điều khiển SSD bao gồm phân tích dự đoán có thể cảnh báo trước cho người dùng về khả năng xảy ra lỗi ổ đĩa. Bởi vì bộ nhớ flash dễ uốn, các nhà cung cấp mảng toàn bộ flash có thể thao túng dung lượng lưu trữ có thể sử dụng bằng cách sử dụng các kỹ thuật giảm dữ liệu.

Ưu điểm của SSD là gì?

Những lợi ích của SSD so với HDD bao gồm:

• Tốc độ đọc / ghi nhanh hơn: Ổ cứng SSD có thể truy cập các file lớn một cách nhanh chóng.
• Thời gian khởi động nhanh hơn và hiệu suất tốt hơn: Bởi vì ổ đĩa không cần phải quay lên như một ổ cứng HDD, nó sẽ phản hồi nhanh hơn và cung cấp hiệu suất tải tốt hơn.
• Độ bền: Ổ cứng SSD có khả năng chống sốc tốt hơn và có thể xử lý nhiệt tốt hơn ổ cứng vì chúng không có bộ phận chuyển động.
• Sự tiêu thụ năng lượng: SSD cần ít năng lượng hơn để hoạt động so với HDD do không có bộ phận chuyển động.
• Yên tĩnh hơn: SSD tạo ra ít tiếng ồn hơn vì không có bộ phận chuyển động hoặc quay.
• Kích cỡ: Ổ cứng SSD có nhiều loại trong khi kích thước ổ cứng có giới hạn.

Nhược điểm của SSD là gì?

Nhược điểm đi kèm với SSD bao gồm:

• Trị giá: Ổ cứng SSD đắt hơn ổ cứng truyền thống.
• Tuổi thọ: Ví dụ, một số SSD sử dụng chip flash bộ nhớ NAND chỉ có thể được ghi một số lần xác định thường ít hơn HDD.
• Màn biểu diễn: Hạn chế về số chu kỳ ghi khiến SSD giảm hiệu suất theo thời gian.
• Các tùy chọn lưu trữ: Do giá thành, ổ SSD thường được bán với kích thước nhỏ hơn.
• Phục hồi dữ liệu: Quá trình tốn thời gian này có thể tốn kém, vì dữ liệu trên các chip bị hỏng có thể không khôi phục được.

Các loại bộ nhớ SSD non-volatile là gì?

Mạch NAND và NOR khác nhau về loại cổng logic mà chúng sử dụng. Các thiết bị NAND sử dụng quyền truy cập nối tiếp tám chân vào dữ liệu. Trong khi đó, bộ nhớ flash NOR thường được sử dụng trong điện thoại di động, hỗ trợ truy cập ngẫu nhiên 1 byte.

So với NAND, flash NOR cung cấp thời gian đọc nhanh, nhưng nhìn chung là một công nghệ bộ nhớ đắt tiền hơn. NOR ghi dữ liệu ở dạng khối lớn, có nghĩa là mất nhiều thời gian hơn để xóa và ghi dữ liệu mới. Khả năng truy cập ngẫu nhiên của NOR được sử dụng để thực thi mã, trong khi flash NAND được dùng để lưu trữ. Hầu hết các smartphone đều hỗ trợ cả hai loại bộ nhớ flash, sử dụng NOR để khởi động hệ điều hành và thẻ NAND có thể tháo rời để mở rộng dung lượng lưu trữ của thiết bị.

Các loại SSD là gì?

Các loại SSD bao gồm:

1. Ổ SSD: SSD cơ bản mang lại hiệu suất thấp nhất. SSD là thiết bị flash kết nối qua Serial Advanced Technology Attachment (SATA) hoặc SCSI (SAS) được gắn nối tiếp và mang lại bước đầu tiên hiệu quả về chi phí. Đối với nhiều môi trường, việc tăng hiệu suất trong tốc độ đọc tuần tự từ SSD SATA hoặc SAS sẽ là đủ.
2. Đèn flash dựa trên PCIe-Bộ phận kết nối ngoại vi: Đèn flash dựa trên tốc độ nhanh là bước tiếp theo về hiệu suất. Mặc dù các thiết bị này thường cung cấp thông lượng lớn hơn và nhiều hoạt động đầu vào / đầu ra hơn mỗi giây, nhưng lợi thế lớn nhất là độ trễ thấp hơn đáng kể. Nhược điểm là hầu hết các dịch vụ này yêu cầu driver tùy chỉnh và có tính năng bảo vệ dữ liệu tích hợp hạn chế.
3. Flash DIMM: Các mô-đun bộ nhớ nội tuyến kép flash làm giảm độ trễ, tiến xa hơn so với thẻ flash PCIe bằng cách loại bỏ xung đột bus PCIe tiềm ẩn. Chúng yêu cầu driver tùy chỉnh dành riêng cho flash DIMMS, với những thay đổi cụ thể đối với hệ thống I / O chỉ đọc trên mainboard.
4. SSD NVMe: Những SSD này sử dụng non-volatile memory express (NVMe). Điều này giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu giữa các hệ thống máy khách và ổ đĩa thể rắn qua một bus PCIe. NVMe SSD được thiết kế để lưu trữ ổn định hiệu suất cao và rất phù hợp cho các cài đặt đòi hỏi cao, đòi hỏi nhiều tính toán.
5. NVMe-oF: Giao thức NVMe over Fabrics cho phép truyền dữ liệu giữa máy tính chủ và thiết bị lưu trữ trạng thái rắn đích. NVMe-oF truyền dữ liệu thông qua các phương thức như Ethernet, Fibre Channel hoặc InfiniBand.
6. Bộ nhớ DRAM-flash kết hợp: Cấu hình kênh bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động (DRAM) này kết hợp flash và DRAM máy chủ. Các thiết bị lưu trữ flash lai này giải quyết giới hạn tỷ lệ lý thuyết của DRAM và được sử dụng để tăng thông lượng giữa phần mềm ứng dụng và bộ nhớ.

Các ngôn ngữ thiết kế SSD

Các nhà sản xuất SSD cung cấp các hệ số hình thức đa dạng. Dạng phổ biến nhất là SSD 2,5 inch có nhiều chiều cao và hỗ trợ các giao thức SAS, SATA và NVMe. Ba ngôn ngữ thiết kế chính của SSD sau:

1. SSD có dạng ổ cứng truyền thống và vừa với các khe cắm SAS và SATA giống nhau trong máy chủ.
2. Các thẻ thể rắn sử dụng các hệ số dạng thẻ bổ trợ tiêu chuẩn, chẳng hạn như các thẻ có thẻ cổng nối tiếp PCIe. SSD được kết nối PCIe không yêu cầu adapter bus máy chủ mạng để chuyển tiếp các lệnh, giúp tăng tốc hiệu suất của bộ lưu trữ. Các thiết bị này bao gồm SSD U.2 thường được coi là sự thay thế cuối cùng cho các ổ đĩa được sử dụng trong laptop mỏng.
3. Các mô-đun trạng thái rắn nằm trong DIMM hoặc mô-đun bộ nhớ nội dòng kép nhỏ phác thảo. Chúng có thể sử dụng giao diện HDD tiêu chuẩn như SATA. Các thiết bị này được gọi là thẻ DIMM non-volatile (NVDIMM).

Hai loại RAM được sử dụng trong hệ thống máy tính: DRAM, mất dữ liệu khi mất điện và RAM tĩnh. NVDIMM cung cấp khả năng lưu trữ liên tục mà máy tính cần để khôi phục dữ liệu. Họ đặt đèn flash gần mainboard, nhưng các hoạt động được thực hiện trong DRAM. Thành phần flash phù hợp với bus bộ nhớ để sao lưu trên bộ lưu trữ hiệu suất cao.

Cả SSD và RAM đều kết hợp chip trạng thái rắn, nhưng hai loại bộ nhớ hoạt động khác nhau trong hệ thống máy tính.

Hai ngôn ngữ thiết kế mới hơn đáng chú ý là SSD M.2 và U.2. Một SSD M.2 có chiều dài khác nhau, thường từ 42 mm (mm) đến 110 mm và gắn trực tiếp vào mainboard. Nó giao tiếp qua NVMe hoặc SATA. Kích thước nhỏ của M.2 giới hạn diện tích bề mặt tản nhiệt, theo thời gian, sẽ làm giảm hiệu suất và độ ổn định của nó. Trong lưu trữ doanh nghiệp, SSD M.2 thường được sử dụng làm thiết bị khởi động. Trong các thiết bị tiêu dùng, chẳng hạn như laptop, SSD M.2 cung cấp khả năng mở rộng dung lượng.

SSD U.2 mô tả một SSD PCIe 2,5 inch. Các thiết bị dạng nhỏ này trước đây được gọi là SFF-8639. Giao diện U.2 cho phép lắp ổ SSD PCIe dựa trên NVMe tốc độ cao vào bảng mạch của máy tính mà không cần tắt nguồn máy chủ và bộ lưu trữ.

Nhà sản xuất SSD

Thị trường SSD được thống trị bởi một số ít các nhà sản xuất lớn, bao gồm:

• Crucial
• Intel
• Kingston Technology
• Micron Technology Inc.
• Samsung
• SanDisk
• Seagate Technology
• SK Hynix
• Western Digital Corp.

Các nhà sản xuất này sản xuất và bán chipset NAND flash cho các nhà cung cấp ổ SSD. Họ cũng marketing các ổ SSD có thương hiệu dựa trên chip flash của riêng họ. Các yếu tố cần xem xét khi mua SSD bao gồm:

• Độ bền: Mọi bảo hành SSD đều bao gồm một số chu kỳ ổ đĩa hữu hạn, được xác định bởi loại flash NAND. Một SSD chỉ được sử dụng để đọc không yêu cầu mức độ bền như SSD dành để xử lý hầu hết các lần ghi.
• Ngôn ngữ thiết kế: Điều này xác định xem SSD thay thế có hoạt động với bộ nhớ hiện có hay không và số lượng SSD có thể vừa với một khung duy nhất.
• Giao diện: Điều này xác định thông lượng tối đa và ngưỡng độ trễ tối thiểu, cũng như khả năng mở rộng của SSD. Các nhà sản xuất đủ điều kiện cho SSD của họ cho NVMe, SAS và SATA.
• Công suất sử dụng: Giao diện ổ đĩa cũng chỉ định sức mạnh tối đa của SSD, mặc dù nhiều SSD doanh nghiệp được thiết kế để điều chỉnh trong khi hoạt động.

Về mặt lịch sử, ổ SSD có giá cao hơn ổ cứng thông thường. Nhưng do những cải tiến trong công nghệ sản xuất và dung lượng chip mở rộng, giá SSD đã giảm xuống, cho phép người tiêu dùng và khách hàng doanh nghiệp xem SSD như một giải pháp thay thế khả thi cho lưu trữ thông thường. Tuy nhiên, giá đang tăng do thiếu chip và thị trường biến động chung, gần đây là vào năm 2020 và 2021, do các vấn đề chuỗi cung ứng liên quan đến COVID-19. Nhu cầu dao động đối với chip flash đã khiến giá SSD luôn thay đổi, nhưng giá SSD vẫn cao hơn HDD.

SSD so với HDD

SSD được coi là nhanh hơn nhiều so với HDD có hiệu suất cao nhất. Độ trễ cũng được giảm đáng kể và người dùng thường trải qua thời gian khởi động nhanh hơn nhiều.

Một số yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ của SSD và HDD, bao gồm nhiệt, độ ẩm và tác động của kim loại oxy hóa bên trong ổ. Dữ liệu trên cả hai loại phương tiện sẽ giảm dần theo thời gian, với các ổ cứng thường hỗ trợ số lần ghi ổ đĩa cao hơn mỗi ngày. Các chuyên gia trong ngành khuyên bạn nên lưu trữ các ổ SSD không sử dụng hoặc không sử dụng ở nhiệt độ thấp để kéo dài tuổi thọ của chúng.

Các bộ phận chuyển động của ổ cứng làm tăng nguy cơ hỏng hóc. Để bù lại, các nhà sản xuất ổ cứng đã trang bị thêm cảm biến chống sốc để bảo vệ ổ đĩa và các thành phần khác bên trong PC. Loại cảm biến này phát hiện nếu máy sắp rơi và thực hiện các bước để tắt ổ cứng HDD và phần cứng quan trọng liên quan.

Hiệu suất đọc của ổ cứng có thể bị ảnh hưởng khi dữ liệu được chia thành các vùng khác nhau trên đĩa. SSD không lưu trữ dữ liệu từ tính, do đó hiệu suất đọc vẫn ổn định, bất kể dữ liệu được lưu trữ ở đâu trên ổ đĩa.

SSD có tuổi thọ đã định, với số chu kỳ ghi hữu hạn trước khi hiệu suất trở nên thất thường. Để bù lại, SSD sử dụng tính năng cân bằng độ mòn, một quá trình giúp kéo dài tuổi thọ của SSD. Cân bằng độ mòn thường được quản lý bởi bộ điều khiển đèn flash, sử dụng một thuật toán để sắp xếp dữ liệu để các chu kỳ ghi hay xóa được phân bổ đồng đều giữa tất cả các khối trong thiết bị. Một kỹ thuật khác, dự phòng SSD, có thể giúp giảm thiểu tác động của việc khuếch đại ghi thu thập rác .

SSD so với eMMC

Thẻ MultiMediaCard (eMMC) được nhúng cung cấp bộ nhớ flash tích hợp trong máy tính. Nó được cài đặt trực tiếp trên mainboard của máy tính. Kiến trúc bao gồm bộ nhớ flash NAND và một bộ điều khiển được thiết kế như một mạch tích hợp. Lưu trữ EMMC thường được tìm thấy trong điện thoại di động, laptop rẻ hơn và các ứng dụng IoT.

Thiết bị eMMC mang lại hiệu suất gần tương đương với SSD. Nhưng chúng khác nhau về dung lượng, vì eMMC tiêu chuẩn thường dao động từ 1 GB đến 512 GB và kích thước SSD có thể từ 128 GB đến nhiều terabyte. Điều này làm cho eMMC phù hợp nhất để xử lý các kích thước file nhỏ hơn.

Trong các thiết bị di động, eMMC đóng vai trò là bộ nhớ chính hoặc phụ trợ cho thẻ đa phương tiện SD và microSD có thể tháo rời. Mặc dù đây là cách sử dụng lịch sử của các thiết bị eMMC, chúng ngày càng được triển khai trong các cảm biến bên trong các thiết bị kết nối internet vạn vật .

SSD so với ổ cứng lai

Mặc dù không được sử dụng rộng rãi như ổ SSD tiêu chuẩn, nhưng một giải pháp thay thế là ổ cứng lai (HHD). HHD thu hẹp khoảng cách giữa lưu trữ từ flash và đĩa cố định và được sử dụng để nâng cấp laptop, cả về dung lượng và hiệu suất.

HHD có cấu trúc đĩa thông thường bổ sung khoảng 8 GB flash NAND làm bộ đệm cho khối lượng công việc dựa trên đĩa.

Do đó, HHD phù hợp nhất cho các máy tính có số lượng ứng dụng hạn chế. Giá thành của ổ cứng lai ít hơn một chút so với ổ cứng HDD.

Lịch sử và sự phát triển của SSD

Các ổ đĩa thể rắn đầu tiên thường được thiết kế cho các thiết bị tiêu dùng. Điều này đã thay đổi vào năm 1991 khi SanDisk phát hành SSD dựa trên flash thương mại đầu tiên. SSD được thiết kế thương mại được sản xuất với công nghệ flash di động đa cấp dành cho doanh nghiệp, giúp tăng cường chu kỳ ghi.

Những sự kiện đáng chú ý khác bao gồm:

• Sự ra mắt của Apple iPod vào năm 2005 đánh dấu thiết bị chạy trên nền flash đáng chú ý đầu tiên thâm nhập rộng rãi vào thị trường tiêu dùng.
• Toshiba đã công bố 3D V-NAND vào năm 2007. Các thiết bị flash 3D tăng công suất và hiệu suất.
• EMC (nay là Dell EMC) – được ghi nhận là nhà cung cấp đầu tiên đưa SSD vào phần cứng lưu trữ doanh nghiệp, bổ sung công nghệ này vào mảng đĩa Symmetrix của mình vào năm 2008. Điều này đã tạo ra các mảng flash lai kết hợp ổ flash và HDD.
• Toshiba đã giới thiệu triple-level cells vào năm 2009. TLC flash là một loại bộ nhớ flash NAND lưu trữ ba bit dữ liệu trên mỗi ô.
• IBM được coi là nhà cung cấp lưu trữ lớn đầu tiên phát hành nền tảng mảng toàn flash chuyên dụng, được gọi là FlashSystem, dựa trên công nghệ từ việc mua lại hệ thống bộ nhớ Texas vào năm 2012. Trong khoảng thời gian đó, Nimbus Data, Pure Storage, Texas Memory Systems và Violin Memory bắt đầu tiên phong trong việc áp dụng mảng toàn flash, dựa vào lưu trữ SSD để thay thế đĩa cứng.
• Vào năm 2012, EMC đã mua lại XtremIO và hiện đang xuất xưởng một hệ thống tất cả các đèn flash dựa trên công nghệ XtremIO.